基于物理的图形模拟和渲染.pptx

数智创新数智创新数智创新数智创新 变革未来变革未来变革未来变革未来基于物理的图形模拟和渲染1.基于物理的渲染技术1.布料模拟的算法和模型1.流体模拟的流体动力学方程1.刚体碰撞检测和解决方法1.变形体的有限元分析方法1.物理引擎在图形模拟中的应用1.光线追踪和全局照明算法1.实时物理模拟和渲染的挑战Contents Page目录页 基于物理的渲染技术基于物理的基于物理的图图形模形模拟拟和渲染和渲染基于物理的渲染技术全局照明1.模拟光线从表面反射和散射到场景中的所有点的过程，营造逼真的光照效果2.包括直接照明（直接从光源发出的光线）和间接照明（通过反射或散射照亮物体的光线）3.全局照明技术包括辐射度、光线追踪和蒙特卡罗方法等基于流体的仿真1.模拟流体的运动，例如水、空气或烟雾，通过求解纳维-斯托克斯方程2.涉及到流体动力学、热传导和湍流等复杂物理现象3.用途包括电影中的特殊效果、游戏中的粒子系统和工业设计中的空气动力学模拟基于物理的渲染技术粒子系统1.模拟大量颗粒的运动，例如沙砾、液体飞溅或烟雾云2.颗粒相互碰撞和相互作用，创造逼真的动力学3.用于模拟自然现象、人群模拟和游戏中的特殊效果。

变形动画1.模拟物体受重力、碰撞和风等物理力作用而发生的变形2.使用弹性动力学、刚体动力学和有限元分析等技术3.应用于角色动画、汽车碰撞模拟和医疗建模基于物理的渲染技术1.模拟物体在受到应力时破裂或破碎的过程2.涉及到材料断裂力学、碎片生成和刚体动力学3.用于电影中的破坏效果、游戏中的可摧毁环境和工程中的结构分析物理约束1.限制物理模拟中物体的运动，以确保逼真和物理准确性2.包括关节、挂钩、铰链和接触约束等类型破碎和破坏 布料模拟的算法和模型基于物理的基于物理的图图形模形模拟拟和渲染和渲染布料模拟的算法和模型主题名称：基于质点的布料模拟1.将布料视作相互连接的刚体质点集合，通过计算质点之间的力来模拟布料运动2.采用verlet积分器来更新质点位置和速度，并使用弹簧阻尼力模型来模拟布料的弹性和粘性3.考虑外力（重力、风力等）和碰撞检测，增强模拟的真实性主题名称：基于网格的布料模拟1.将布料表示为网格，通过求解网格上的偏微分方程来模拟布料行为2.使用有限元法或边界元法等数值方法，将偏微分方程离散化为离散代数方程组3.通过迭代求解方程组，获得网格节点的位置和速度，从而模拟布料变形布料模拟的算法和模型主题名称：碰撞处理1.利用空间分割技术（如四叉树或八叉树）来快速检测布料与外部物体间的碰撞。

2.采用反弹系数和摩擦系数等物理参数来模拟不同材料之间的碰撞行为3.考虑碰撞力对布料运动的非线性影响，提高模拟的精度主题名称：自碰撞处理1.采用自我碰撞检测技术（如网格相交检测或包围盒相交检测）来识别布料内部的自碰撞2.使用反应力模型来模拟自碰撞引起的布料反弹、撕裂等物理现象3.考虑自碰撞对布料运动稳定性的影响，防止模拟崩溃布料模拟的算法和模型主题名称：参数化布料模型1.利用参数化函数或样条曲线来表示布料的形状和纹理，提高布料模拟的可控性和可重用性2.通过调整参数值，可以创建不同类型的布料，如弹性、粘性或刚性布料3.考虑布料的物理特性，如密度、杨氏模量等，以提高参数化模型的准确性主题名称：刚体-布料交互1.利用物理引擎或自定义碰撞处理算法来模拟刚体与布料之间的交互2.考虑刚体的形状、质量和运动状态对布料的影响，模拟布料被推、拉、压等物理现象流体模拟的流体动力学方程基于物理的基于物理的图图形模形模拟拟和渲染和渲染流体模拟的流体动力学方程连续性方程1.描述流体质点的守恒性，即流经任意流体的质量等于进入量减去流出量2.微分形式：u/t+(u)=0，其中为密度，u为速度，t为时间3.表达了质量守恒定律，在模拟中用于确保流体的总质量保持不变。

纳维-斯托克斯方程1.描述流体的运动，包括惯性、粘性、压力差和外力等因素2.微分形式：(u/t+uu)=-p+u+g，其中p为压力，为粘度，g为重力加速度3.是流体模拟的核心方程，描述了流体运动的非线性动力学行为流体模拟的流体动力学方程欧拉方程1.纳维-斯托克斯方程的不可压缩形式，适用于不可压缩流体2.微分形式：(u/t+uu)=-p，3.在不可压缩流体模拟中，简化了计算，提高了效率湍流模型1.描述流体中不可预测、非线性和三维涡旋运动2.常用的大涡模拟（LES）和雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型3.在流体模拟中，对于复杂湍流流动提供逼真的逼近流体模拟的流体动力学方程弹性波方程1.描述弹性介质中波动传播的方程2.微分形式：u/t=(+2)u，其中和分别为拉梅常数3.用于模拟弹性体、声波和地震波的传播辐射传输方程1.描述光或其他电磁辐射在介质中传输的方程2.微分形式：I/s=-()I+_s()f(,)I()d，其中I为辐射强度，s为光程，为吸收系数，_s为散射系数，f为散射相位函数3.用于模拟光照和阴影，在渲染中实现逼真的照明效果刚体碰撞检测和解决方法基于物理的基于物理的图图形模形模拟拟和渲染和渲染刚体碰撞检测和解决方法刚体碰撞检测1.碰撞检测算法：-广相位检测：将场景分割成小块，仅检查相交块中的物体重叠情况。

狭相位检测：精确计算两个物体的相交区域2.碰撞检测优化：-空间分割：使用网格或包围盒将场景组织起来，以减少需要检查的潜在碰撞对时间卷积：预测物体的运动并仅在可能发生碰撞的时刻进行检测刚体碰撞解决1.刚体动力学方程：-物体的运动由牛顿运动定律和碰撞时的能量守恒定律描述求解这些方程可以确定碰撞后的物体位置、速度和旋转2.碰撞响应计算：-确定碰撞时的碰撞力计算碰撞力对物体运动的影响3.摩擦和阻尼：-考虑摩擦力，它会阻碍物体在碰撞后的滑动变形体的有限元分析方法基于物理的基于物理的图图形模形模拟拟和渲染和渲染变形体的有限元分析方法有限元分析的网格生成1.网格生成是将复杂几何模型细分为更小、更简单的元素的过程，以进行有限元分析2.自动网格生成算法对于大规模或复杂模型至关重要，因为它可以节省大量的人工时间3.最新趋势包括使用自适应网格refinement技术，在需要时提高局部网格的分辨率，从而提高计算效率有限元分析的方程求解1.方程求解是有限元分析中的关键步骤，它涉及求解一系列线性或非线性方程组2.直接法和迭代法是两种主要的求解方法，前者通常适用于较小模型，后者适用于较大模型或非线性问题3.并行计算技术已被广泛应用于加速方程求解过程，尤其是在大型模型的情况下。

变形体的有限元分析方法1.材料本构模型描述了材料在施加载荷下的行为2.线弹性、塑性和粘弹性是常见的本构模型类型，用于模拟不同材料的力学特性3.高级本构模型正在不断开发，以捕获复杂材料的非线性行为和时间依赖性接触算法1.接触算法处理实体之间的相互作用，例如碰撞、摩擦和粘附2.刚体接触和流体-结构相互作用算法对于模拟复杂动态场景至关重要3.最新研究关注于开发更鲁棒和高效的接触算法，以处理大变形和复杂几何材料本构模型变形体的有限元分析方法性能优化1.性能优化对于实时或近实时应用至关重要，其中有限元模拟必须快速而有效2.使用并行计算、多核处理器和GPU加速器等技术可以提高计算速度3.模型简化和自适应计算策略也可用以减少计算成本虚拟现实和增强现实1.虚拟现实和增强现实(VR/AR)技术为体验物理模拟结果提供了新的方式2.有限元分析可用于生成高保真虚拟环境，用于交互式设计审查和培训3.未来趋势包括开发更逼真的Haptics和触觉反馈系统，以增强沉浸感物理引擎在图形模拟中的应用基于物理的基于物理的图图形模形模拟拟和渲染和渲染物理引擎在图形模拟中的应用物理引擎在图形模拟中的应用主题名称：刚体动力学1.物理引擎使用牛顿力学来模拟刚体的运动，包括线性速度、角速度、力和扭矩。

2.刚体动力学用于模拟现实世界中的物体，如车辆、角色和环境中的物体3.它可以产生逼真的运动，如碰撞、滚动和弹跳主题名称：流体动力学1.物理引擎模拟流体，如水、空气和烟雾，使用流体动力学原理2.纳维-斯托克斯方程被用来描述流体的运动和相互作用3.流体动力学在模拟自然现象、粒子效果和水下场景中至关重要物理引擎在图形模拟中的应用主题名称：软体动力学1.物理引擎使用有限元法（FEM）来模拟可变形物体，如布料、肌肉和胶体2.FEM将物体细分为小的网格，并计算施加在每个网格上的力3.软体动力学用于创造逼真的角色动画、服装模拟和破坏效果主题名称：碰撞检测1.物理引擎使用不同的算法来检测物体之间的碰撞，包括广义相交测试（GJK）和连续碰撞检测（CCD）2.碰撞检测对于防止物体穿透彼此至关重要，从而确保逼真的交互3.先进的碰撞检测技术，如流形生成，可以提高效率和准确性物理引擎在图形模拟中的应用主题名称：约束1.物理引擎使用约束来限制物体的运动，模拟现实世界中的关节、铰链和固定物体2.约束可以是线性的（限制位置）或角的（限制旋转）3.它们用于创建逼真的角色动画，防止物体漂移或穿过其他对象主题名称：优化和并行化1.物理模拟可以计算密集，尤其是在处理大量物体时。

2.物理引擎使用优化技术，如空间分割和多线程，以提高性能光线追踪和全局照明算法基于物理的基于物理的图图形模形模拟拟和渲染和渲染光线追踪和全局照明算法光线追踪1.光线发射和碰撞检测：光线追踪从摄像机发射光线，穿过头等几何体并与表面碰撞，计算每个像素对应的物体颜色2.递归光线追踪：光线与表面碰撞后，继续以反射、折射和漫反射等方式发射新光线，模拟真实世界的漫反射和透明物体效果3.路径积分：通过采样光线路径，并对采样结果进行积分，估计场景中的光照强度，获得真实的光线传输效果全局照明算法1.辐射度传输方程（RTE）：描述光线在场景中传播的数学方程，用于计算场景中每个点的辐射度，形成全局照明效果2.蒙特卡罗方法：利用随机采样重复计算RTE，模拟光线传播，通过统计平均值逼近全局照明效果3.双向路径追踪（BDPT）：一种高效的蒙特卡罗方法，结合了光线追踪和路径积分，改善了光线采样和碰撞检测的效率实时物理模拟和渲染的挑战基于物理的基于物理的图图形模形模拟拟和渲染和渲染实时物理模拟和渲染的挑战实时性要求*实时物理模拟和渲染需要以足够快的速度进行，以在显示器上以每秒60帧或更高的速度生成逼真的图像计算任务的复杂性和规模不断增加，对高效算法和硬件优化的需求也在不断增长。

优化技术包括并行处理、空间和时间离散化，以及预计算和缓存技术准确性与效率的权衡*物理模拟的准确性对渲染逼真图像至关重要，但也会增加计算成本使用逼近和简化技术在保证视觉可接受性的同时提高效率可变精度技术根据场景区域的重要性调整模拟精度以优化性能实时物理模拟和渲染的挑战刚体和变形体模拟*刚体模拟涉及具有固定形状的物体的碰撞和运动变形体模拟涉及随着时间变化形状的物体的行为，例如布料、流体和软体物理驱动的动画和破坏效果等高级应用程序依赖于变形体模拟的准确性和效率流体模拟*流体模拟是物理模拟和渲染中一个复杂且具有挑战性的领域粒子方法、网格方法和基于网格的方法等不同技术用于模拟流体的行为实时流体模拟需要高效的算法、高级渲染技术和与物理模拟的紧密集成实时物理模拟和渲染的挑战光照和阴影的实时渲染*实时光照和阴影渲染对于产生沉浸感和逼真的图像至关重要实时全局照明技术模拟光线在场景中的多次反射和散射光线追踪和光栅化技术用于光照和阴影渲染，需要优化和并行化以提升性能虚拟现实和增强现实*实时物理模拟和渲染对于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)体验至关重要VR和AR要求高帧率、低延迟和身临其境的交互性实时物理模拟和渲染算法和技术正在不断发展以满足这些要求，例如多视图渲染和眼动追踪。