用Velocity Verlet积分器改进HMC抽样方法

Hamilton Monte Carlo (HMC)方法是一种常用的快速抽样方法.在对哈密顿方程进行抽样时,HMC方法使用Leapfrog积分器,这可能造成方程的位置及动量的迭代值在时间上不同步,其产生的误差会降低抽样效率及抽样结果的稳定性.为此,本文提出了IHMC(Improved HMC)方法,该方法用Velocity Verlet积分器替代Leapfrog积分器,每次迭代时都计算两变量在同一时刻的值.为验证方法的效果,本文进行了两个实验,一个是将该方法应用于非对称随机波动率模型(RASV模型)的参数估计,另一个是将方法应用于方差伽马分布的抽样,结果显示:IHMC方法比HMC方法的效率更高、结果更稳定.

耗散粒子动力学的优化修正Velocity Verlet算法

在Groot和Warren耗散粒子动力学的修正VelocityVerlet算法的基础上引入优化方法获得一个简单的计算λ的表达式,提出一种自洽获取该值的优化修正VelocityVerlet算法.模拟结果表明,这种通过优化来获得参数的修正VerlocityVerler算法具有运算量小、温度稳定的优点,可以在耗散粒子动力学模拟中使用.

基于GPU的分子动力学模拟Cell Verlet算法实现及其并行性能分析

分子动力学模拟存在空间和时间的复杂性,并行加速分子的模拟过程尤为重要。基于GPU硬件数据并行架构的特点,组合分子动力学模拟的原子划分和空间划分的并行策略,优化实现了短程作用力计算Cell Verlet算法,并对分子动力学核心基础算法的GPU实现做了优化和性能分析。Cell Verlet算法实现首先采用原子划分的方式,将每个粒子的模拟计算任务映射到每个GPU线程,并采用空间划分的方式将模拟区域进行元胞划分,建立元胞索引表,实现粒子在模拟空间的实时定位;而在计算粒子间的作用力时,引入希尔伯特空间填充曲线方法来保持数据的线性存储与数据的三维空间分布的局部相关性,以便通过缓存加速GPU的全局内存访问;也利用了访存地址对齐和块内共享等技术来优化设计GPU分子动力学模拟过程。实例测试与对比分析显示,当前的算法实现具有强可扩展性和加速比等优势。

基于Verlet积分的高速布料模拟方法

为提高游戏和互动应用的可信度和运行速度,以Verlet积分为核心,提出一种迭代算法。分别阐述基于惩罚和改进的方案,采用张弛方法解决一致性约束问题,给出布料模拟系统软件实现流程和效果图,并进行实验验证。结果表明:该方法可随时停止,是一个非常有用的精度换时间的折衷方案,在游戏布料模拟等对精度要求相对较低的应用环境中,其效率高于现有的其他方法。

基于变步长Velocity Verlet算法的卢瑟福散射模拟的优化

该文基于已有的卢瑟福散射模拟程序效率比较低的问题,对现有的模拟程序进行了优化。首先对比了多种轨迹算法计算误差及效率,并优选出了Velocity Verlet算法,继而根据入射粒子的具体受力情况对模拟过程中的步长Δt进行了动态处理。比较了优化前后的模拟效果,发现优化后的程序能够在保持模拟精度不变的情况下大幅提高模拟效率。

基于分子动力学模拟的改进混合蛙跳算法

针对基本的混合蛙跳算法(Shuffled frog leaping algorithm,SFLA)后期搜索速度变慢,容易陷入局部最优解的缺点,借鉴分子动力学(Molecular dynamics,MD)模拟的思想,提出一种基于分子动力学模拟的改进的混合蛙跳算法。该算法将种群中的粒子等效成分子,并提出一种新的分子间作用力计算方法来代替两体间经典的Lennard-Jones作用力计算方法,利用Velocity-Verlet算法和高斯变异算子代替基本混合蛙跳算法的更新策略,有效地平衡了种群的多样性和搜索的高效性。高维多峰函数测试的结果表明,基于分子动力学模拟的改进混合蛙跳算法能提高算法后期跳出局部极值的能力,全局寻优能力明显优于基本的混合蛙跳算法。

织物三维动态模拟

在质点-弹簧模型的基础上,对织物模型进行进一步的简化.将连接质点的弹簧换成了刚性杆,同时采用Verlet积分法计算质点的位置和速度.该算法简单、快速而又稳定,具有很好的实时效果.

分子动力学模拟中不同短程作用力计算方法的效率研究

利用分子动力学模拟的基准问题 ,对截断半径 (cut offdistance)法、Verlet链 (Verletlist)法和链格 (linked cell)法等分子间短程作用力的计算方法与模拟系统的粒子数、对比密度之间的关系进行了研究 .研究结果表明 ,各计算方法的效率与模拟系统的对比密度、粒子数量有密切关系 .在粒子数为 16 384时 ,若对比密度为 0 9,linked cell法的计算效率是截断半径法的 18倍 ,若对比密度为 0 1,两者的效率则相差 10 0倍 ;在粒子数超过 86 4以后 ,linked cell法具有明显的优势 .

基于改进弹簧-质点模型的纬编织物三维模拟

为解决弹簧-质点模型在模拟组织结构复杂的纬编织物时模拟效果不真实、立体感不足等问题,对传统弹簧-质点模型进行改进,提出了立体化的弹簧-质点模型。改进的弹簧-质点模型能够很好地模拟组织结构较复杂的纬编织物,通过非线性的弹簧力模拟织物动态仿真中出现的超弹性现象。同时,采用Velocity-Verlet数值积分方法对质点的空间位移进行计算,实现了对纬编织物受到三维状态多外力作用时的动态模拟。所提方法计算速度快,实时性好。

基于物理模型的可交互的布料变形方法

布料变形的主要目标为视觉上真实感和操作上可交互。基于经典的Mass-Spring布料模型,主要研究有:改进模型中的弹簧常数,约束弹簧拉伸范围,解决布料变形仿真中在强大外力作用下"超弹性"的非真实拉伸问题;使用Verlet数值积分法,求解质点微分运动方程,由于该积分法不显式计算速度,因此布料变形系统的总体性能稳定且快速;在系统仿真中,允许用户添加风力和用户虚拟外力,模拟窗帘推拽和悬挂布料随风飘动等布料变形效果;提供基于GPU加速的布料碰撞处理算法,通过布料变形系统的实验,验证了交互式布料变形算法具有良好的性能,满足布料变形系统的可交互性和逼真感。

基于MD-CM-SFLA神经网络的耳语音情感识别

提出了一种基于分子动力学模拟与云模型理论的改进混合蛙跳算法(MD-CM-SFLA).该算法将青蛙个体等效成分子,仅考虑最差个体和全局最优个体之间的吸引力,采用一种新的分子间作用力来代替两体间经典的Lennard-Jones作用力,并利用Velocity-Verlet算法和正态云发生器代替混合蛙跳算法的更新策略,有效平衡了种群的多样性和搜索的高效性.然后,将MD-CM-SFLA算法与BP神经网络相结合,设计出一种MD-CM-SFLA神经网络,并将其应用于耳语音情感识别中.耳语音情感识别结果表明,MD-CM-SFLA神经网络相对于BP神经网络具有明显的优势,在相同的测试条件下,其平均识别率较BP神经网络提高5.2%.由此表明,利用MD-CM-SFLA算法优化BP神经网络的参数,可以实现BP神经网络的快速收敛,获得较好的学习能力,从而为耳语音情感识别提供一种新思路.

实时布料运动仿真技术

针对同时要求布料运动实时性、真实性和稳定性的应用,该文从简化布料运动仿真模型和改进积分方法着手,提供了实时布料运动仿真方法。使用该方法实现的布料仿真系统速度快、稳定性好,且易于实现。

耗散粒子动力学中Lees-Edwards边界条件的实施

结合元胞分割法以及改进的velocity-Verlet算法讨论了Lees-Edwards边界条件在耗散粒子动力学中的实施,并将模拟结果与前人的工作进行了对比分析.所得到的速度、密度、温度、压力以及应力分布等与预期一致,尤其当耗散力系数γ提高到100时,系统中的各参数分布仍然是均匀的.表明高耗散率条件下,在耗散粒子动力学中应用Lees-Edwards边界条件仍然有效,笔者提出了与文献[21]不一致的观点.

基于质点刚性杆模型的织物三维模拟

分析质点弹簧模型的基本原理、方法及其特性,将织物离散化成呈正方形分布的质点网格,把质点的弹簧连接变成刚性杆相连,并将作用在质点上的外力通过刚性杆直接传递到相邻质点上,构建了质点刚性杆模型。根据牛顿基本物理学定律,建立织物的力学方程,采用Verlet积分法对质点空间位移进行计算,利用Jacobi松弛算法保证质点间刚性杆的约束特性,实现对织物三维状态的模拟。同时,设置了空间物体,实现了织物对外界物体碰撞的简单处理,验证了模型对多约束叠加的适应性。该模型简单实用,其算法收敛稳定,并获得良好的实时效果。

Klein-Gordon-Schrdinger方程的辛Fourier拟谱格式(英文)

主要讨论Klein-Gordon-Schrdinger方程的Fourier拟谱辛格式,包括中点公式和Strmer/Verlet格式.首先构造一个哈密尔顿方程,针对此哈密尔顿方程,在空间方向用Fourier拟谱离散得到一个有限维的哈密尔顿系统,对此有限维系统在时间方向用Strmer/Verlet方法离散得到KGS方程的完全显式的辛格式.中点格式虽然是隐式的但效率也很高,且具有质量守恒律.数值实验表明,辛格式能够在长时间内很好地模拟各类孤立波.

通用三维服装模型的强约束动态仿真方法

随着三维游戏和虚拟试衣要求的不断提高,服装仿真已经从布料模拟向服装动态模拟的方向发展,具有真实性、实时性、通用性与交互性的服装仿真技术有很强的研究和实用价值。针对目前算法研究中普遍存在的实时性与通用性不足,提出了一种针对任意三维服装模型的实时仿真方法,将模型顶点和三角面映射为质点的弹簧模型,以克服传统的布料解算器对三维模型的网格限制。利用简便易行的Verlet积分器提高运算效率,并对质点间的形变进行强约束补偿,防止过拉伸(超弹)现象的发生,提高了系统的稳定性。通过实验验证了算法的高效性和可靠性,并可方便地以插件或模块形式与其它软件整合。

求解NURBS曲面间最小距离的人工势场算法

针对Newton-Raphson(NR)法对初值要求苛刻的缺点,结合人工势场法和Verlet算法,提出一种求解NURBS曲面间最小距离的人工势场算法.该算法构建了小球势力场模型,通过分析小球受力情况,采用Verlet算法模拟小球在势力场中的运动过程,两球平衡位置即为曲面间最小距离处.将曲面边界问题用统一的算法描述,通过拓展算法来求解点、NURBS曲线和曲面3种不同对象之间的最小距离.仿真实验结果表明,文中算法通用性强、鲁棒性好、实时性高.

玉米群体冠层实时物理模拟

植物器官具有柔性体性质,如何快速高效地处理植物群体内部、植株之间,以及植物器官之间的碰撞检测及变形问题是进行植物群体实时物理模拟的关键。以玉米群体冠层为例,提出了四面体网格结合皮肤网格的双层架构的植物群体物理模拟方法。该方法创建与植株精细的三角形皮肤网格模型相对应的较粗糙的四面体网格包络模型,在四面体网格模型上进行物理模拟、碰撞检测等计算,然后通过四面体网格与皮肤网格间的关联将模拟结果变换到三角形精细网格模型,从而实现了较为逼真、稳定的植物群体实时物理模拟效果。

基于弱弹性拉伸的任意服装模型仿真

为了提高三维服装模拟的通用性并保证运行过程的实时性,提出了一种针对任意三维服装模型的仿真方法.首先将不规则的顶点按照三角面关系映射成质点弹簧模型,将弹簧视为类刚性杆,但保持迭代过程中的弱弹性.利用Verlet方法快速预测质点的位置,并通过弱弹性约束防止布料过拉伸现象的发生.实验表明该方法克服了传统解算器对模型的规则网格限制,保证了计算的高效性和可靠性,仿真结果更符合织物的物理特性.

浅析柔性织物仿真技术

计算机仿真技术一直是计算机图形学研究者感兴趣的研究课题。现有的仿真技术可以分为刚性物体的仿真和柔性物体的仿真两大类:织物是典型的柔性物体。本文的主要研究内容及工作包括以下几个方面:比较分析用于布料造型的几何法﹑物理法以及混合法各自的优缺点。在弹簧-质点模型的基础上,根据牛顿经典力学理论建立布料仿真的动力学方程,并对几种常用数值积分方法进行对比。