基于计算机图形学的钢化表面模拟方法研究

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摘 要

计算机图形学的钢化模拟研究主要介绍了钢化模拟的主要方法与应用等，对钢化模拟的方法进行了细致的分类，讨论了各种模拟方法的优缺点，提出了今后需要进一步努力和完善的一些工作思路。

【关键词】钢化模拟 粒子系统 纹理方法 数学物理方法

1 钢化模拟方法及分类

在计算机上对其进行准确的模拟和再现，一直都是计算机图形技术中的热点和难点问题、备受人们的高度关注。研究和运用具有真实效果、速度和效率、比较理想、应用范围广、可扩展性强的模拟方法，已经成为计算机科学工作者所面临的重要问题。

几十年来人们已经逐步构造出了很多钢化模拟的方法，主要有三大类：以粒子系统思想为主的钢化模拟、进行数学建模和分析、运用流体力学等物理规律的钢化模拟、基于视觉效果的纹理技术的钢化模拟等。近年来，新的方法和思路不断涌现，出现了很多“新奇”、“另类”的解决途径有基于视觉效果的、有基于数理原理的、有基于硬件加速的，有基于交互互动的、有基于多方法混合使用的等等。

2 方法分析

粒子系统的模拟方法，优点是计算简单、运算速度相对较快，运动变化及其控制模式单一；模拟的人工痕迹比较明显，在表现细节方面比较欠缺；但是该方法姣容易编程，很受广大CG工作者的好评和喜爱。

数理方法要建立一定的精确模型并进行数值方面的求解，必要的时候，应该说在大部分情况下，由于不能直接求解而必须进行必要的简化处理。在近些年的模拟成果中，精确度也不断得到提升，应用的范围有所扩展，程序和算法的设计难度有所降低，得到了越来越多的研究人员的广泛认可和接收。

纹理方法通过一定体积的实体来代替比较小的粒子，因而需要处理的数据结构比较少，计算量在某种程度上有所下降，系统资源的消耗有很大的降低。在表现细节方面，纹理方法也存在很大的缺陷，毕竟实体占据一定的空间体积，多少会影响细节的精细程度。

3 钢化模拟方法中存在的问题

仔细分析和对比会发现，的各种方法中也普遍存在很多不尽如人意的地方；具体表现在：钢化模拟的数理方法过于依赖N-S方程的计算机；当前钢化模拟算法大多数是在“封闭”区域内进行计算；钢化受到外力作用和与物体交互方面，基本上也是基于流体力学规律而加以考虑的；忽视了真实的动力学因素。在光照和阴影方面，钢化模拟的诸多模型还有很多不尽如人意的地方需要探索和改进。

4 钢化模拟方法的发展动向

以上诸多方法皆有各自的优缺点和使用效果；但是在多方法的相互配合上和各自优点的发挥上还存在很大的问题，也有很大的潜力可以进行挖掘。

4.1 进一步挖掘粒子系统的潜能，不断增加其实用性、改善其通用性

提高模拟的精确度、优化模拟的效果。在硬件条件不断改善的情况下，进一步发掘优势，开发面向量子计算的新领域和面向大数据的新方法；不断拓展其在计算机图形学研究中的领域。

4.2 进一步研究数学物理方法在无规则物体建模上的应用

该方法目前最大的障碍就是运算的复杂性的问题。随着计算机硬件水平和软件思想的不断进步，特别是近年来GPU的广泛应用，相信该方法也将会有较大的突破。

4.3 纹理应用技术的进一步深化

应用纹理球的方法模拟钢化，在视觉效果上基本达到了真实感的要求。算法的空间复杂度和时间复杂度比传统的粒子系统和数学物理方法相比具有一定的优势。纹理球所具有的空间结构和分布节省了平面纹理方法中的场景变换所必须的视觉角度转换，因而执行的效率更高。

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作者单位

河南职业技术学院 河南省郑州市 450046