从SSE到OpenCL:多核CPU上骨骼动画并行算法对比研究

拥有高精度蒙皮和复杂骨骼绑定关系的骨骼动画,渲染时存在很大的性能瓶颈。以往研究采用GPU加速动画,但高端GPU成本过高,而中低端GPU的通用计算性能有时不如高端CPU。为充分挖掘算法在多核CPU上的执行性能,弥补中低端GPU通用计算性能的不足,提出了基于Open CL的针对指令和线程的新兴集成并行方案,并与基于SSE结合Open MP针对指令和线程的传统独立并行方案展开对比。实验结果表明,在多数CPU和多种复杂度的数据上,基于Open CL的新兴并行方案的性能明显高于基于SSE的传统并行方案,并且性能优势随着数据复杂度的增加而提升。     

基于SPH的中国水墨画风格烟气动画系统

提出一个基于平滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)模型的中国水墨画风格烟气动画制作系统.系统利用流体物理方程支配SPH运动规律,以少量粒子描述烟气运动的轨迹信息;通过在可编程GPU上采取投影纹理映射技术,进行快速、准确的绘制.系统包含5个模块:参数设定模块、烟团纹理库构建模块、运动骨架提取模块、浓度纹理生成模块和基于GPU的实时绘制模块.实验证明,系统能以简单、直观的方式体现水墨风格烟气动画的抽象性特征.     

面向多视角渲染任务的超实时可视仿真系统

针对多视角渲染任务超实时可视仿真这一难题,从理论上分析了面向多视角渲染任务的超实时仿真实现原理及可行性,提出了一种仿真计算与渲染计算分离的超实时可视仿真系统架构;提出了一种基于并行渲染的超实时可视仿真方法,解决了渲染任务分配、仿真世界同步、渲染时机选择等关键问题。实现了基于虚幻引擎（unreal engine4,UE4）主从模式的超实时可视仿真系统;设计系统应用案例,测试了超实时仿真性能,验证了该超实时可视仿真系统在多视角渲染场景下的渲染效率和超实时仿真能力。     

基于流体动力学的实时角色动画运动特效

在快速的角色动画中,运动模糊技术经常用于产生梦幻般的人物运动效果,从而渲染设计者想要表达的气氛。长期以来,人们常用硬件或软件方法,仅通过简单的图像融合手段实现运动模糊。为了提供高标准的运动特效,基于全局光照的几何方法变得日渐亟需。但是,这样的计算开销对于实时渲染来说往往难以承受。在此,笔者提出了一种新的用于实时运动特效的几何技术。该方法还能结合流体动力学技术,构建一些沿着运动轨迹体而生成的特殊效果。为了避免每帧重复计算,以及为了突破轨迹生成的数据量限制,首先分解运动轨迹,然后引入多步几何渲染技术,实现几何模型的实例化,从而达到重复利用几何资源的目的。在渲染流程中,为了使该方法可以灵活地运用于各种流体效果之中,轨迹追踪的步骤和流体解析的过程是设计成独立的。由于该算法是建立在GPU几何着色的并行环境下,当达到影片质量级别的渲染效果时,它依然能够保证极高的计算效率,最终实现包括运动模糊等特效在内的场景实时渲染。     

基于特征点的表情动画方法

在现有的表情动画技术基础上,提出了一种基于特征点和非特征点变换的表情动画方法.基于面部动画特征,通过对特征点进行变换来实现表情动作,同时采用速度曲线产生运动轨迹,并将非特征点的变换与特征点的变换联系起来产生动画.通过仿真对该方法进行实验,实验证明这是一种简单、有效且自然的表情动画方法.     

基于GIS的煤矿数字工作面仿真系统的研究

利用GIS技术、图形建模技术、可视化技术、动画技术及数据库技术,结合Visual C++6.0和OpenGL,建立了煤矿数字工作面仿真系统.系统设计数据采集、数据库、模型库、仿真控制中心、可视化输出和自动化控制六个功能模块,建立了基于GIS煤矿数字工作面仿真系统结构及数据库框架.系统以皮带巷道、采煤工艺、通风设施为例,分析了物理模型及交互控制下的可视化输出实现过程.系统以采煤机摇臂自动调高为例,分析了自动控制软件结构.系统的实现为以后整个矿井的仿真及数字化建设提供了可行的思路和方法.     

基于图像的脸部模型调整及表情动画技术研究

采用一种基于图像的三维人脸模型主动调整方法,实现了三维特定人脸模型的真实感重建和表情动画生成。通过特定人脸的正面和正侧面图像上的93个人脸表情特征点,采用整体调整及基于径向基函数插值的局部调整方法对通用三维人脸模型进行几何调整,并利用变形拼接及多分辨率图像融合技术生成无缝的人脸纹理镶嵌图,实现具有真实感的三维特定人脸模型重建。改进了人脸肌肉物理模型并结合弹性约束模型,避免了在表情动画处理中由于肌肉收缩力过大导致网格三角片毁坏而破坏人脸的拓扑结构问题,其局部网格动态细分策略,使生成的表情动画更加细腻。     

实时力觉交互中的虚拟力计算及渲染方法

虚拟力计算和渲染是虚拟现实力觉显示系统的核心技术。针对人与虚拟环境通过工具进行接触交互的任务,讨论了提高力觉显示逼真度的方法。静态物体采用三角片模型,运动的虚拟工具采用质点模型。用均匀划分包围盒方法和基于三角片元素拓扑关系及最短距离迭代的方法,分别解决虚拟力计算的碰撞检测和碰撞响应问题。针对物体几何特征逼真度显示给出了渲染判据,实现了逼真度和稳定性的矛盾折衷。基于力觉交互设备Phantom,开发了力觉仿真系统平台,通过感知具有典型几何特征的物体形状,验证了虚拟力计算和渲染方法的有效性。     

面向对象的露天矿卡车调度系统可视化仿真

采用面向对象方法，针对露天矿卡车调度系统总体需求进行可视化仿真设计。以首钢水厂铁矿卡车调度系统为例，具体描述了基于面向对象的仿真建模包括图形用户界面和仿真动画的实现，突出了面向对象方法进行可视化仿真的优势。     

流体真实性仿真的国内外研究进展

介绍近二十年来流体真实性仿真的研究进展,分别从底层开发和基于平台开发两个方面阐述了目前流体真实性仿真主要研究方法。从Navier-Strokes和Lattice Boltzmann method(LBM)两个方面介绍了基于底层开发的流体模拟算法及其实现方式;总结了基于平台开发的流体真实性模拟主流工具及其实现效果。在对各种方法进行分析对比的基础上,对流体真实性仿真的研究方式与思路进行了探讨,指出了流-体真实性仿真的研究热点与发展趋势。     

柱形杆高速碰撞薄靶板的数值仿真

探讨了SPH数值仿真算法的基本原理及该算法的优缺点；采用该算法对柱形杆高速碰撞钢制薄靶板过程中的击穿、粒子飞溅及碎片云的形成进行了数值仿真；解决了四棱柱形钢杆SPH粒子单元模型的建立问题，分析了作用过程的物理机理；表明SPH算法适用于解决高速冲击动力学问题，模拟和预测材料在高速碰撞下的瞬态响应。     

基于Cg的Shader技术在视景系统开发中的应用研究

基于Cg的Shader技术是当今计算机图形领域中的前沿,结合显卡的硬件渲染技术,对视景系统中的水面流体特效如光照、HDR、凹凸纹理贴图等进行顶点与象素的编程,用极少的系统消耗实现了高性能的视觉仿真效果。和传统的mipmaping算法相比,采用基于Cg的Shader多重分辨纹理的技术可以大大减少多重细节变化所需的纹理数量,实现平滑的纹理细节级别变化。虚拟驾驶模拟器作为相关技术的解决方案和应用实例进行了介绍。     

基于Modelica的捣固车操作培训仿真系统研究

捣固车操作内容多、规范性强,要求相应的培训仿真系统具备很强的过程管理能力.针对该需求研究了一种基于Modelica的捣固车操作培训仿真系统.该系统利用Modelica建立系统多领域物理模型,根据捣固车操作规范建立状态模型.物理模型完成系统的仿真计算,状态模型实现操作过程的管理.状态模型根据操作内容实时驱动物理模型,实现捣固车操作的交互式仿真.给出了交互式仿真算法和系统实现.系统应用结果验证了模型和方法的有效性.     

学习流体仿真中的高效长时序运动预测（英文）

快速准确的进行流体仿真是一个具有挑战性的任务，基于传统方法的流体仿真需要消耗大量的计算资源以获得准确的结果。深度学习方法快速发展，为基于数据的流体仿真和生成提供了可能。提出一种基于单帧的浓度场和一个序列的先验速度场的长时序流体仿真运动预测算法。这一模型专注于将通过神经网络预测的速度和密度场基于纳维-斯托克斯方程获得的仿真数据在宏观尺度上进行匹配。通过使用基于全卷积U型网络的自动编码器和基于LSTM网络的时序预测子网络，本文模型在时间演化过程中更好地保持了视觉宏观相似性，并实现了显著的计算速度提升。本文方法实现了对流体场演化的宏观分布的准确和快速的长时序运动预测。在一系列二维和三维的仿真数据的基准测试上证明了本文算法的有效性和高效性。     

基于流体模型和GPU加速的火焰实时仿真

针对目前基于物理模型模拟火焰的计算量大、复杂度高,很难进行实时模拟的问题,提出了一种基于流体模型和GPU加速的火焰实时模拟方法,该方法根据火焰的不可压缩、低密度、无粘性等特点,通过流体方程计算火焰的物理属性,并将其求解过程在GPU中并行加速,从而大幅度提高了算法的运算速度,实现了火焰的实时模拟,并取得了较真实的模拟效果。     

实时流体模拟中边界检测方法的改进

基于物理的流体模拟近年来成为了计算机图形学和动画领域的研究热点,其方法在总体上可以分为欧拉法和拉格朗日法,其中基于拉格朗日法的流体模拟在处理边界时一般采取单元格标志的方法,这种方法精度较低且细节表现力不强。引入刚体碰撞检测的方法,对流体边界模型和算法进行了改进,通过对流体边界的预处理加速了碰撞检测的过程,使流体的边界不限于标志为边界的单元格,而是自由的面或线段。用例证明改进的算法提高了碰撞的精确度,增强了算法的实用性、灵活性和模拟的真实感。     

化工过程流体网络的建模与仿真

建立了化工过程仿真培训系统建模中的流体网络模型，这是有温度和组分变化的流体网络模型。利用流体网络和设备模型的不同响应速度，采用变步长仿真方法，提出了一种适用于仿真培训系统的化工过程流体网络的仿真方法。     

基于SPH的运动物体与水交互仿真建模方法

提出一种基于SPH的运动物体与水交互的仿真建模方法。该方法以坠落物体为例,对物体和水进行粒子化,建立物体粒子与水粒子的受力分析模型和状态更新方法,以及粒子与障碍物的碰撞检测方法,并基于MarchingCubes算法从水粒子的数据中抽取出水的自由运动表面,完成水面绘制。实验结果表明,该方法能获得比较真实的仿真效果,且当粒子数量低于6000个时,可达到实时仿真的速率。     

群体行为动画中认知角色的建模方法

针对群体动画中角色的行为选择（策略、目标、计划）过程,基于认知建模方法,提出了一种建立自主角色认知模型的新方法。通过在行为动画中引入“动物行为逻辑”的概念,给出了高层非确定性目标导向行为与低层确定性预定义行为相结合的协调控制方案,并以鱼群动画为例进行了仿真实验。仿真实验主要围绕捕食和逃避敌人展开的,其结果表明,此方法不仅使行为动画中的角色具备行为选择智能,且能较好的反映群体行为的真实性。     

GPU上的实时三维云仿真

云的建模和绘制-直是计算机图形领域研究的挑战之一.提出了一种全在GPU上的三维云模拟和渲染的框架,从面片生成、排序和渲染全在GPU内完成.云建模采用编制的云模型编辑器对云的形状和颜色等属性进行编辑,通过面片组合生成三维云几何模型.云的渲染方面,采用GPU上实现的bitonic排序方法对组成三维云的面片进行排序以实现正确的alpha混合;并将图形引擎特性-几何着色器引入到GPU上的三维云渲染中,实现三维云几何形体在GPU中的生成.开发了三维云生成和渲染模块,实现了可视化仿真应用中大规模和实时渲染的三维云仿真模块.