《外文翻译-中国传统艺术动画短片《回家》的设计与制作.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《外文翻译-中国传统艺术动画短片《回家》的设计与制作.doc（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.外文资料翻译译文窗体顶端基于物理的流体动画：一项调查谭杰1杨续播1,21教育部 - 微软重点实验室智能计算与智能系统，上海交通大学计算机科学学院，上海200240，中国;2软件学院，上海交通大学，上海200240，中国窗体顶端在本文中，我们给出一个基于物理的流体动画研究的最新的调查。其中最流行的一种方法来模拟真实的流体效果，近年来，基于物理的流畅的动画已经引发了大量的新成果。我们分三类来分类讨论现有的方法：拉格朗日法，欧拉方法和格子玻尔兹曼方法。然后，我们引入七种不同的特殊流体效果的技术。最后，我们回顾最新的热点研究领域，并指出了一些未来的研究趋势，包括表面跟踪，流体控制，混合方法，还原模
2、型等。基于物理的动画，奈维-斯托克斯方程，有限差分法，光滑粒子流体动力学，格子玻尔兹曼方法，粒子水平集窗体顶端1引言窗体顶端窗体顶端流体现象特写场景例如暴风雨海洋，卷曲上升的烟雾和液滴飞溅等无论在现实生活中，还是在特效行业中是其中最壮观的视觉效果。摄影师，电影制造商和游戏开发商们都努力追赶美的这些时刻（例如最著名的照片“牛奶皇冠”和电影“海神号”）。显然，现实流体动画变得越来越苛刻，因为人们对电影和游戏的视觉效果的要求越来越高。然而，流体动力学的极端复杂性使得它不可能为艺术家制作逐帧动画流体效果的帧。因此，基于物理的方法现在正在成为产生现实流畅的动画广泛使用的技术。窗体底端窗体底端 窗体顶端用
3、基于物理的方法，通过求解控制方程做成流体动力学模型。虽然奈维-斯托克斯方程数在百年前就被提出来用来描述流体现象，一般的封闭形式的解决方案仍未被发现。随着计算机技术的发展，各种数值方法被应用在逼近纳维 - 斯托克斯解决方案上;和一个新的课题，即计算流体动力学（CFD）成立。固然，基于物理的流畅的动画很多的想法和算法是从CFD文学得来的。然而，CFD的目的和基于物理的流畅的动画不同。 CFD旨在通过模拟预测实际的流场，而计算机图形（CG）主要集中在产生似是而非的视觉效果。因此，与CFD用的的方法相比，在基于物理流体动画中的算法通常交易指令精确速度。此外，动画控制的能力，易于实施和框架的一般性是计算
4、机图形其它的考虑方面。换句话说，在CFD中的研究形成基于物理的流体动画的基础。但是，仍然有很多的工作应该做，以填补在这两个领域的不同用途和应用程序之间的差距。刘等人1提供了基于物理的流体动画领域的早期作品的详细审查。窗体顶端除了模拟的流体的动力学，渲染（图）是在流体动画的另一个重要问题。各种流体现象表现出不同的视觉效果。因此，不同的渲染方法根据类别和流体的表示被采用。液体通常在液态 - 液态或者液态天空界限上具有清楚的接口。如果接口由明确的三角形网格表示，用来计算反射和折射传统的渲染管道着色器非常适合。如果接口被表示为隐式表面，如一个符号距离函数2，它们可以是有效的光线跟踪，烟尘，不具有明确的
5、边界界面，通常被定义为一个密度场。光线跟踪算法用于渲染通过采样密度字段和积聚的密度值的烟雾。在流体渲染的方面有相当多的其他方法和加速算法，这超出了本文的范围。本文重点介绍如何用一中物理现实的方法来模型流体动力学。读者若对图片逼真渲染感兴趣，可以参考法尔和汉弗莱斯的书3。窗体顶端2三种方法基于物理的流体动画窗体顶端基于物理的流体动画是根据流体动力学的三个基本控制方程：连续性，动量和能量方程。他们是支配流体运动的基本物理原理的数学语句：窗体底端窗体顶端1.质量是守恒的。2.牛顿第二定律。3.能量是守恒的。虽然方程的形式可能根据流体的视点变化（欧拉或拉格朗日），它可以表明它们是等效通过一些简单的数学
6、运算。窗体底端窗体顶端2.1拉格朗日法窗体底端窗体顶端拉格朗日方法把连续看作粒子系统。流体中的每个点被标记为一个单独的粒子，有一个位置x和一个速度u。用拉格朗日观点，不可压缩奈维-斯托克斯方程推导为窗体顶端其中，u是速度，是粘度，是密度，p是压力和f是身体的力量.当右手侧是的净力施加时，动量方程的左手侧可以被解释为颗粒的加速度。我们注意到，方程已经被简化假设流体是不可压缩的，因为在现实生活中视觉吸引流体的影响压缩小4。窗体顶端里夫斯5提出广泛用于模拟变形的身体衣服和其他混沌现象的粒子系统。粒子系统是连续的不规则离散化。为了解决奈维-斯托克斯方程，梯度算和拉普拉斯算子2应该在像这样一个不规则的离
7、散下被明确定义。莫纳6将光滑粒子动力学（SPH）方法引入计算机图形领域来解决这个问题。它定义了一个平滑核来差值从相邻颗粒的任意位置的物理性质（速度，密度等）。这里我们简单回顾这种方法，因为SPH现已成为流体模拟领域越来越流行的技术7-9 .流体是由一组微粒i1 . N与xi代表，大多数mi和附加属性Ai（速度，密度等）。SPH定义了如何计算来自在粒子的位置xi采样的离散属性值Ai的平滑连续的领域A(x)如：窗体顶端内核函数W（r，h）是一个典型的光滑，径向对称的，有限支持的标准化函数。例如，在Muller的工作中7，内核被设计为窗体底端窗体顶端平滑的属性函数A（x）的梯度和拉普拉斯是：窗体底端
8、窗体顶端因此，动量方程的右手侧可以容易地用上述定义离散化. 窗体顶端另一个与SPH有关的问题是如何解决压力术语或如何执行粒子的运动来满足不可压缩约束。著作一部分7,10-12采用的理想气体方程来关联压力和密度。这导致高压缩性和引起严重的视觉假象的振荡。康明斯，拉德曼13提出了一种同样也用欧拉方法的预测方法。同样的，在Premoze等人的著作中9，速度估计是投射到通过求解泊松方程分歧免费子空间。贝克尔和特施纳14建议用拥有高速声的特泰方程，这导致了具有非常低的密度波动的弱可压缩公式。窗体底端在多种流体的相互作用和需要较少的计算资源之间，这个使用拉格朗日粒子的无网格方法可以更容易地操作不规则边界。
9、尽管拉格朗日方法已被广泛应用于许多交互式应用中，因为表面重建和渲染的困难，基于粒子的方法还没有展示作为其基于网格的同行的相同的实际水平。窗体顶端2.2欧拉法窗体顶端欧拉方法遵循另一种策略。代替处理的流体的流动粒子，然后跟踪每个粒子，它着眼于空间的固定点，并致力于如何在点随着时间变化时测量流体数量（包括密度，温度和速度）。因此，整个流体地区被建模为流体数量的领域。对于一个特定的时间和一个给定的位置来说，存在着一组代表流体的状态的值。例如，矢(向)量场V（x，y，z，t）是表征速度和标（纯）量场P（x，y，z，t）是测量流体的内部压力。不可压缩奈维-斯托克斯方程与欧拉观点如下形式：窗体底端窗体顶端
10、上述方程的详细推导可以在流体动力学的任何教科书找到，诸如安德森的著15。窗体顶端在欧拉方法中，上述网格离散化的方程。采用有限差分方法求解方程数值。最近，有两种方法用来存储网格上的有向流体量。最流行的方法是存储标量，如压力，级别设定值和在每个网格的中心的温度和存储该载体，例如在每个网格单元的表面的速度。这种MAC电网的交错配置首先由哈洛和韦尔奇提出16并受益于无偏二阶中心差分格式。大多数国家的艺术模拟采用了交错网格。另一种方法是存储在每个网格单元的节点上的总数量，诸如在斯塔姆的论文中17。其优点是简单.无需不同的处理不同变量。差值也显著简化。窗体底端窗体顶端在基于物理的流体动画的早期阶段，研究并
11、没有直接的解决这个复杂奈维-斯托克斯方程。相反，他们针对波动方程18或浅水方程19提出了一些假设并减少了控制方程。高度场是用于表示水面。虽然这种算法很简单，高效，无数性的流体的现象，如倾覆波，喷雾剂和飞溅，不能被捕获。福斯特和梅塔克萨斯著作20是解决了动画流体的全三维的奈维-斯托克斯方程的第一个例子。斯塔姆21改进它，通过引入为了针对流项和隐式求解的粘度和压力条款的半拉格朗日方法实现无条件数值稳定性。它成为实现流畅的动画代码的标准框架。欧拉方法在一个时间步之后可以被分为四个步骤，从初始速度U0（x）到结果的速度U4（x）：窗体顶端结合欧拉方法和基于水平集的表面跟踪算法22,23已经产生了惊人的
12、结果，模拟各种有趣的流体的现象，如烟雾，水，火，液滴的，非牛顿流动，气泡等。一般地，这些技术已经进展到了流体现象可以模拟如此逼真以至于一个naive算子都有可能在讲述模拟现实的镜头时遇到困难这种地步。窗体底端窗体顶端2.3格子玻尔兹曼方法窗体顶端李等24把格子玻尔兹曼方法（LBM）引入到计算机图形群。 LBM是一个相对较新的方法来逼近奈维-斯托克斯方程。不同于传统的CFD方法，这解决了宏观性质的控制方程（质量，动量和能量），LBM是基于微观模型和介观动力学方程（格子玻尔兹曼方程）。基本思路是简要的构建包括微观和介观物理过为了使宏观平均属性满足所需的宏观方程的动力学模型（格子玻尔兹曼方程收敛于奈
13、维-斯托克斯方程）。窗体底端窗体顶端格子玻尔兹曼方程就是LBM的控制方程：窗体底端窗体顶端其中fi是在第i个方向ei和i（f（x，t）的速度分布函数是碰撞操作者表示由于碰撞产生的fi变化率。它有意义的证明了显微镜下观察时格子玻尔兹曼方程是奈维-斯托克斯方程的近似。陈和杜伦25表明了详细的推导。整个求解过程可以分成两个步骤，流步骤和碰撞步骤。在第一步骤中，所有的速度分布函数被转化为各自的速度。该增长导致相邻信元的真实值的变动。就分布函数的制定而言，它可以写为：窗体顶端第二步骤执行BGK碰撞算子26，它是计算一个线性组合fi*和局部平衡分布函数fieq的。接着，在当前时间步的结尾的新的速率分布函数
14、实现：窗体底端窗体顶端其中松弛参数是相关的粘度，并在（0，2的范围。流动是非常粘稠的当接近零，而邻近2结果更湍流，然而，在湍流模拟中，传统的BGK模型具有稳定性问题的困扰，其基本的LBM算法是通过应用马格林斯基子网格模型24,27扩展提高数值稳定性延长。最后，该速度场可以从速度分布函数被回收：窗体底端窗体顶端由于其粒子性质和当地动态，LBM比其他传统的基于物理的流畅的动画方式一些优势，特别是在处理复杂的边界，结合微观相互作用，和并行算法。例如，多相流28一直是欧拉并且由于其运动的和变形的接口的拉格朗日方法来说是个挑战。与此相反，该LBM提供了一个相对简单和一致的方法来合并通过修改碰撞算子的底层
15、微观相互作用。多相LBM模型的成功应用可以在各种复杂的流体系统中被发现，模拟接口不稳定，气泡/液滴动力学，湿润固体表面等。窗体顶端2.4三种方法比较窗体顶端不像工程目的计算流体力学，在计算结果中作为的一个预测的实验和一个设计的准则，该数值的精度和实验中的偏差可以被用作一个基准;作为基于物理的流体动画，逼真的外观和可信的视觉效果是最重要的标准。很难严格比较占主导地位的模拟方式。上面介绍的三种方法不分伯仲，因为每一个方法都有其优点和缺点。窗体底端窗体顶端拉格朗日方法（SPH）采用传统的粒子系统来模拟流体。无论是概念和实施都直截了当。SPH很容易的证明湍流流动飞溅和追求流体现象的小细节，如气泡和泡沫。此外，SPH的计算资源与中等数量的粒子的需求通常比其欧拉或LBM同行少。所以在游戏或其他交互系统中，大量的流体现象用拉格朗日法进行了模拟。然而，有三个防止优于其他方法主要缺点。首先，将平滑核应仔细设计，因为SPH方法的稳定性，精确性和速度在很大程度上取决于平滑内核的选择。它通常需要一个以上被提供到不同的流体中的内核。第二，不可压缩性不能严格由仅仅关联的压力和密度的理想气体方程保证。尽管贝克尔和特施纳14提供了另一种
