光滑粒子流体动力学流体仿真技术综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是实现流体仿真的主要技术之一.随着生产实践中流体仿真应用需求的增加,近些年涌现了许多相关研究成果,改善了流体不可压缩性、粘性、表面张力等物理特性模拟的视觉真实性、效率与稳定性.同时,一些工作探讨了复杂场景的高质量模拟,以及多场景、多材料的统一仿真框架,增强了SPH流体仿真技术的应用效能.从以上几个方面对SPH流体仿真技术进行归纳、总结和讨论,并对其未来发展进行了展望.

分段式多层卷积神经网络渲染图像降噪模型

全局光照渲染技术在虚拟现实应用中日益普及,但其图像高分辨率采样带来的高时间成本严重影响用户感受.为解决上述问题,提出分段式卷积神经网络模型,对低分辨率采样渲染结果进行实时降噪并获得更高质量的渲染图像结果.该模型分为2段,针对已有降噪模型处理时序渲染结果序列时出现的不稳定性瓶颈,前段使用多层跳跃连接的循环卷积神经网络将渲染结果以序列为单位进行处理,保障降噪结果的时序稳定性;针对降噪模型在时序降噪中的效果瑕疵,后段串联多层渲染图像降噪卷积神经网络对处理结果进行优化;为加快模型训练速度并进一步提升降噪效果,使用低分辨率采样的场景反射率图、法线向量图、场景深度图、阴影图等渲染辅助图像信息作为辅助输入.所提模型综合了已有图像和视频降噪模型的优点,在5种自定义场景上的降噪实验结果表明,该模型具有良好的时序稳定性和降噪效果,镜面处噪点数量明显少于当前主流的OptiX降噪器;在降噪结果与目标图像的结构相似性(SSIM)指标上,与OptiX降噪器相比,该模型在5个场景中分别有5.8%,12.2%,1.5%,4.7%和1.8%的提升.

影子辅助的三维人体重建

光线投射至地面的人体影子可以为人体重建任务提供约束信息,有助于缓解单目图像中的深度歧义问题和自遮挡问题.为了重建三维人体模型,提出一种基于影子输入和深度神经网络的重建方法.首先搭建2个独立的卷积神经网络模块用于提取图像特征和影子特征,并估计对应的人体模型参数;然后建立一个可导投影算子(differentiable projection operator,DPO)对齐2个网络的输出;最后将DPO构建的损失函数应用于微调神经网络和直接优化输出.在Human3.6M合成影子数据集上的实验结果表明,与基线方法相比,微调神经网络的关节误差指标下降了1.4~4.9 mm;在自采集的一个含真实影子的3人2视角小规模数据集上的定性实验结果表明,直接优化的人体姿态更加接近原始图像.

基于图形处理器(GPU)的通用计算

伴随着PC级微机的崛起和普及 ,多年来计算机图形的大部分应用发生了从工作站向微机的大转移 ,这种转移甚至发生在像虚拟现实、计算机仿真这样的实时 (中、小规模 )应用中 这一切的发生从很大程度上源自于图形处理硬件的发展和革新 近年来 ,随着图形处理器 (GPU)性能的大幅度提高以及可编程特性的发展 ,人们首先开始将图形流水线的某些处理阶段以及某些图形算法从CPU向GPU转移 除了计算机图形学本身的应用 ,涉及到其他领域的计算 ,以至于通用计算近 2～ 3年来成为GPU的应用之一 ,并成为研究热点 文中从若干图形硬件发展的历史开始 ,介绍和分析最新GPU在通用计算方面的应用及其技术原理和发展状况 。

图形处理器用于通用计算的技术、现状及其挑战

多年来计算机图形处理器(GPU)以大大超过摩尔定律的速度高速发展.图形处理器的发展极大地提高了计算机图形处理的速度和图形质量,并促进了与计算机图形相关应用领域的快速发展.与此同时,图形处理器绘制流水线的高速度和并行性以及近年来发展起来的可编程功能为图形处理以外的通用计算提供了良好的运行平台,这使得基于GPU的通用计算成为近两三年来人们关注的一个研究热点.从介绍GPU的发展历史及其现代GPU的基本结构开始,阐述GPU用于通用计算的技术原理,以及其用于通用计算的主要领域和最新发展情况,并详细地介绍了GPU在流体模拟和代数计算、数据库应用、频谱分析等领域的应用和技术,包括在流体模拟方面的研究工作.还对GPU应用的软件工具及其最新发展作了较详细的介绍.最后,展望了GPU应用于通用计算的发展前景,并从硬件和软件两方面分析了这一领域未来所面临的挑战.

利用动画观察物理数据场

对于揭示大量数据所反映的本质与特征,数据的可视图形化是一种有效的方法。数据的视见化过程可看作是将数据变成图形的转换过程。基于石油工业的需要,我们设计并实现了一个可视软件包,用以动态地观察物理数据场。其视见化过程最本质的部分是数据转换与可视成像。对于数据转换,本文给出了用函数拟合规则与不规则分布两种数据的算法;对于可视成像,本文给出了颜色匹配交互选择与动态实现的技术。该系统对于其它领域的多维物理场数据的可视化,也是行之有效的。该文对于大量的多维数据的拟合与图形生成提出了行之有效的方法。

中国图形工程：1995

对计算机图形学及至图形工程作了简要的介绍，并论述了图形与图象工程的关系。基于目前我国图形工程的研究以及有关文献的分布情况，在１９９５年出版的一些重要期刊上选取了近百篇有关图形工程的论文并根据其内容进行了分类统计。旨在使读者对图形工程的发展状况有一个总体了解，并对从事这一领域工作的读者查阅文献提供方便。

计算机图形并行处理的研究与发展

本文概述了计算机图形并行处理研究的产生与发展,着重阐述了并行处理功能部件的研究和发展及多边形绘制、全局光照模型(光线跟踪与辐射度方法)、物理场数据与体介质数据绘制、动画、并行化图形标准等研究领域在并行处理方面的研究和发展.文中叙述了在这一领域的研究工作,并在最后展望了计算机图形并行处理的进一步发展方向.

辐射度技术用于随机分维几何面的全局光照计算

分维几何为模拟自然形体和景物提供了十分卓越的工具．然而，分维几何的造型是一个无限细分的随机造型过程，这就为分维几何的绘制带来了极大的困难．到目前为止．只有某些特殊的光线跟踪技术能够用于绘制分维几何曲面，主要产生高光效果．本文首次提出了用于绘制分维曲面的辐射度技术．该技术将漫反射的计算与随机分维造型紧密结合起来，使逐步求精的辐射度技术自然地融合于分维曲面生成的求精过程中．该技术的关键是解决分维曲面细分的辐射度能量再分布问题．本文给出了其能量再分布算法，并成功地实现了分维几何面的辐射度技术．其示例的测试结果说明，该方法具有良好的效率．该技术的实现增强了辐射度图形表达真实感的能力并且提高了辐射度技术的实用性．

超大规模地形场景的高性能漫游

超大规模地形场景包含大量的几何和纹理数据,无法一次性载入内存,并具有极高的复杂度,因而无法进行实时绘制.提出一种高性能的外存地形场景实时漫游技术.该方法使用离散层次细节技术并结合视点相关的动态连续层次细节选择和过渡.算法为地表的简化提出一种新的基于受限法向锥的误差计算方法,使得模型简化具有轮廓保持和光照保持特性.当生成网格包含三角形数目相当时,该方法比传统的基于几何误差的简化更加符合漫游时视觉的感知规律.场景简化过程中提取出的潜在轮廓特征可以通过巧妙地构建漫游时视线方向上的增量地平线来随时更新场景不同部分的可见性信息,并以此控制无用数据页面的载入和无效场景部分的绘制,提高绘制速度.漫游系统采用多线程技术,使CPU,GPU,I/O三者的效率得到充分发挥,并可实时生成具有光照和阴影效果的漫游图像.

基于GPU带有复杂边界的三维实时流体模拟

在GPU(graphicsprocessingunit)上求解了复杂场景中的三维流动问题,充分利用了GPU并行能力以加速计算.与前人的方法不同,该方法对于边界条件的处理更为通用.首先,通过在图像空间生成实心的剖切截面构成整个障碍物信息图,算法使得流体计算与整个几何场景的复杂度无关,通过对各体素进行分类并结合边界条件,根据障碍物形成修正因子来修改对应的值;另外,采用更为紧凑的数据格式,以充分利用硬件的并行性.通过将所有标量的运算压缩到纹元的4个颜色通道并结合平铺三维纹理,减少了三维流场计算所需要的绘制次数.实验结果显示出算法的有效性和高效率.该算法可以实时计算并显示一个采用中等规模离散的复杂场景.

树在风中的摇曳──基于动力学的计算机动画

树木森林在自然场景的构成中占有很重要的地位，尤其是树在风中的摇曳更是组成了一幕幕动人的景象．但是由于树结构的高度复杂性，给这一问题的研究工作带来了极大的困难。本文首次基于动力学对树在风中的摇曳进行了计算机模拟，对这一问题进行了探索并给出了解决方案．根据树木结构的物理性质可把其分为固定枝条、可动枝条以及波动枝条．固定枝条无需处理．可动枝条的行为采用现代非线性力学理论来解决，而波动枝条的解决则是基于波动理论．同时基于OpenGL，图形库函数制作出了计算机动画实例．

基于物理的流体模拟动画综述

基于物理的流体模拟近年来成为计算机动画领域的一个研究热点.回顾了该领域中基于物理的流体模拟的发展情况,总结了该研究方向所采用的各类方法,并结合各种现象的特点分门别类地详细展开.其方法总体上可以分为欧拉法和拉格朗日法,涉及的现象包括烟雾、火焰、爆炸、波浪、气泡以及自由运动界面等.最后展望了未来发展的3个重点:细节策略、加速策略和控制策略,以使整个模拟能够更好地满足人们对真实感、实时性以及灵活性的需求.

高度复杂植物场景的构造和真实感绘制

绘制高度真实感的自然场景是计算机图形学研究领域的一个富有挑战性的难题 ,植物对象比如草地和树木是虚拟自然场景的重要组成部分 .植物种类繁多 ,形态各异 ,复杂的结构使其无论在造形、存储还是在绘制上都存在相当的困难 .为了解决这个难题 ,根据植物的自身特点 ,分别采用多边形、纹元 (texel)和体纹理 (volum etrictexture)作为工具来构造不同的植物 ,并且分别给出了不同植物场景的简单构造方法 .绘制的结果证明了这些构造和绘制方法是有效可行的 .

基于物理的流体动画加速技术的研究进展

基于物理的流体动画技术一直是计算机图形学领域里最为活跃的研究方向之一,且其最近几年的发展非常迅猛.然而由于该技术需要求解复杂的非线性运动方程,而实时性又是计算机图形应用的一个重要需求,因此如何提升其计算效率始终是个挑战性问题.文中对目前基于物理的流体动画技术在加速技术方面的研究进展进行了详细地分析和总结,针对计算过程的每一个步骤分别进行了剖析,从流场元素的高效表达、紧凑的计算网格、高效计算方法、硬件并行处理等方面做了详细展开,并由此给出一些启示性思路,如混合表达的方法等,以实现实时的流体动画效果.

一种基于Bézier插值曲面的图像放大方法

文章提出了一种利用Ｂéｚｉｅｒ插值曲面进行图像放大的方法，该方法是为数字图像的每一个色彩分量构造一个分块双三次Ｂéｚｉｅｒ插值Ｃ１曲面，图像放大等价于以不同的采样速率对该曲面进行采样的过程．实验结果表明，该方法可以大大改善放大图像的效果．

快速真实地生成树的自然摇曳

快速真实地模拟树在风中的摇曳一直是图形学中的一个挑战性问题.已有的方法,或者计算速度太慢,或者所处理的模型局限在几千个面片之内,难以用较强的真实感进行动画模拟.针对复杂树在风中的自然摇曳,该文提出一种新的方法.一方面,它基于统计数据采用高斯分布来近似逼近实际风力,既可以基于物理性态很好地反映风力的影响,又可以方便树的变形计算;另一方面,根据树的层次结构特点,新方法对树的各个部分分别进行独立的变形计算,然后再根据它们的连接关系进行组合,完整地获得树的变形.新方法对于小振幅的非末梢枝条,是利用静力分析来计算它们的变形,而对于振幅大的末梢枝条则采用Newmark逐步积分法求解其振动方程,这样就可以以较少的计算开销获得变形真实感很强的结果.在对树的各种姿态进行成像时,新方法运用了基于硬件的shadowmapping技术和LOD(LevelOfDetails)技术,以快速生成高度真实感的树.实验表明,对于有近4万个控制节点、近90万个拟合外观模型的三角形的柳树模型,新方法可以对其自然摇曳进行每秒0.6帧的高度真实感的模拟.

基于Lattice Boltzmann模型的液-液混合流模拟

引入了一种二元Lattice Boltzmann Model(LBM),实现了两种液体组成的混合流的模拟.不同于其它的类似模型,它区分考虑了流体的粘性和扩散特性,可以很容易地模拟各种互溶或者不互溶的混合流现象.此外,由于LBM的运算大都是线性的局部运算,这使得它很容易在可编程图形处理器(Graphics Process Unit,GPU)上进行加速,从而进行实时模拟.给出了若干二元混合流的模拟结果.

基于图象绘制的虚拟现实系统环境

虚拟现实的一个重要目标是使用计算机生成逼真的视觉世界，使用户可以对虚拟世界的客体进行交互式考察．虚拟现实的实现有两种方法．传统上，用三维图形学的方法实行建模和绘制．此方法需要繁琐的建模和昂贵的专用绘制硬件，而且图形绘制的质量和场景的复杂性受到很大的限制．基于图象的绘制是实现虚拟现实系统的一种新方法．它克服了三维图形方法的缺点．本文在总结已有技术的基础上，提出一个实现基于图象绘制的虚拟现实系统模型，并据此模型实现一个实验系统及相应的图象工具．

交互式水滴效果模拟

为了有效地模拟小水团受重力和人为外力的影响而散开为动态水滴的现象,提出一种水滴效果的交互式模拟方法.首先采用精确SPH模型模拟小比例的水滴现象,通过精确地计算压强力及人工速度场校正来保证流体方程求解的精确性、稳定性及收敛性;然后根据流体密度场提出一种基于平均曲率的表面张力模型,能够有效地模拟水滴的表面张力现象;最后基于新一代着色器模型提出一种适用于水滴渲染的光线追踪方法,包括简化的流体密度分布、基于二分法的流体等值表面判断和基于菲涅尔定律的光学特性计算,克服了传统流体渲染独立于摄像机、计算量大等缺点.实验结果表明,文中方法是有效及高效的,可以同时适用于水体现象及小比例水滴现象的模拟.