基于計算機(jī)圖形學(xué)的鋼化表面模擬方法研究

徐海燕

摘 要

計算機(jī)圖形學(xué)的鋼化模擬研究主要介紹了鋼化模擬的主要方法與應(yīng)用等，對鋼化模擬的方法進(jìn)行了細(xì)致的分類，討論了各種模擬方法的優(yōu)缺點，提出了今后需要進(jìn)一步努力和完善的一些工作思路。

【關(guān)鍵詞】鋼化模擬 粒子系統(tǒng) 紋理方法 數(shù)學(xué)物理方法

1 鋼化模擬方法及分類

在計算機(jī)上對其進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬和再現(xiàn)，一直都是計算機(jī)圖形技術(shù)中的熱點和難點問題、備受人們的高度關(guān)注。研究和運用具有真實效果、速度和效率、比較理想、應(yīng)用范圍廣、可擴(kuò)展性強(qiáng)的模擬方法，已經(jīng)成為計算機(jī)科學(xué)工作者所面臨的重要問題。

幾十年來人們已經(jīng)逐步構(gòu)造出了很多鋼化模擬的方法，主要有三大類：以粒子系統(tǒng)思想為主的鋼化模擬、進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和分析、運用流體力學(xué)等物理規(guī)律的鋼化模擬、基于視覺效果的紋理技術(shù)的鋼化模擬等。近年來，新的方法和思路不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了很多“新奇”、“另類”的解決途徑有基于視覺效果的、有基于數(shù)理原理的、有基于硬件加速的，有基于交互互動的、有基于多方法混合使用的等等。

2 方法分析

粒子系統(tǒng)的模擬方法，優(yōu)點是計算簡單、運算速度相對較快，運動變化及其控制模式單一；模擬的人工痕跡比較明顯，在表現(xiàn)細(xì)節(jié)方面比較欠缺；但是該方法姣容易編程，很受廣大CG工作者的好評和喜愛。

數(shù)理方法要建立一定的精確模型并進(jìn)行數(shù)值方面的求解，必要的時候，應(yīng)該說在大部分情況下，由于不能直接求解而必須進(jìn)行必要的簡化處理。在近些年的模擬成果中，精確度也不斷得到提升，應(yīng)用的范圍有所擴(kuò)展，程序和算法的設(shè)計難度有所降低，得到了越來越多的研究人員的廣泛認(rèn)可和接收。

紋理方法通過一定體積的實體來代替比較小的粒子，因而需要處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較少，計算量在某種程度上有所下降，系統(tǒng)資源的消耗有很大的降低。在表現(xiàn)細(xì)節(jié)方面，紋理方法也存在很大的缺陷，畢竟實體占據(jù)一定的空間體積，多少會影響細(xì)節(jié)的精細(xì)程度。

3 鋼化模擬方法中存在的問題

仔細(xì)分析和對比會發(fā)現(xiàn)，的各種方法中也普遍存在很多不盡如人意的地方；具體表現(xiàn)在：鋼化模擬的數(shù)理方法過于依賴N-S方程的計算機(jī)；當(dāng)前鋼化模擬算法大多數(shù)是在“封閉”區(qū)域內(nèi)進(jìn)行計算；鋼化受到外力作用和與物體交互方面，基本上也是基于流體力學(xué)規(guī)律而加以考慮的；忽視了真實的動力學(xué)因素。在光照和陰影方面，鋼化模擬的諸多模型還有很多不盡如人意的地方需要探索和改進(jìn)。

4 鋼化模擬方法的發(fā)展動向

以上諸多方法皆有各自的優(yōu)缺點和使用效果；但是在多方法的相互配合上和各自優(yōu)點的發(fā)揮上還存在很大的問題，也有很大的潛力可以進(jìn)行挖掘。

4.1 進(jìn)一步挖掘粒子系統(tǒng)的潛能，不斷增加其實用性、改善其通用性

提高模擬的精確度、優(yōu)化模擬的效果。在硬件條件不斷改善的情況下，進(jìn)一步發(fā)掘優(yōu)勢，開發(fā)面向量子計算的新領(lǐng)域和面向大數(shù)據(jù)的新方法；不斷拓展其在計算機(jī)圖形學(xué)研究中的領(lǐng)域。

4.2 進(jìn)一步研究數(shù)學(xué)物理方法在無規(guī)則物體建模上的應(yīng)用

該方法目前最大的障礙就是運算的復(fù)雜性的問題。隨著計算機(jī)硬件水平和軟件思想的不斷進(jìn)步，特別是近年來GPU的廣泛應(yīng)用，相信該方法也將會有較大的突破。

4.3 紋理應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步深化

應(yīng)用紋理球的方法模擬鋼化，在視覺效果上基本達(dá)到了真實感的要求。算法的空間復(fù)雜度和時間復(fù)雜度比傳統(tǒng)的粒子系統(tǒng)和數(shù)學(xué)物理方法相比具有一定的優(yōu)勢。紋理球所具有的空間結(jié)構(gòu)和分布節(jié)省了平面紋理方法中的場景變換所必須的視覺角度轉(zhuǎn)換，因而執(zhí)行的效率更高。

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作者單位

河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南省鄭州市 450046endprint