基于計算機圖形學的鋼化表面模擬方法研究

徐海燕

摘 要

計算機圖形學的鋼化模擬研究主要介紹了鋼化模擬的主要方法與應用等，對鋼化模擬的方法進行了細致的分類，討論了各種模擬方法的優缺點，提出了今后需要進一步努力和完善的一些工作思路。

【關鍵詞】鋼化模擬 粒子系統 紋理方法 數學物理方法

1 鋼化模擬方法及分類

在計算機上對其進行準確的模擬和再現，一直都是計算機圖形技術中的熱點和難點問題、備受人們的高度關注。研究和運用具有真實效果、速度和效率、比較理想、應用范圍廣、可擴展性強的模擬方法，已經成為計算機科學工作者所面臨的重要問題。

幾十年來人們已經逐步構造出了很多鋼化模擬的方法，主要有三大類：以粒子系統思想為主的鋼化模擬、進行數學建模和分析、運用流體力學等物理規律的鋼化模擬、基于視覺效果的紋理技術的鋼化模擬等。近年來，新的方法和思路不斷涌現，出現了很多“新奇”、“另類”的解決途徑有基于視覺效果的、有基于數理原理的、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

粒子系統的模擬方法，優點是計算簡單、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，在表現細節方面比較欠缺；但是該方法姣容易編程，很受廣大CG工作者的好評和喜愛。

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

紋理方法通過一定體積的實體來代替比較小的粒子，因而需要處理的數據結構比較少，計算量在某種程度上有所下降，系統資源的消耗有很大的降低。在表現細節方面，紋理方法也存在很大的缺陷，畢竟實體占據一定的空間體積，多少會影響細節的精細程度。

3 鋼化模擬方法中存在的問題

仔細分析和對比會發現，的各種方法中也普遍存在很多不盡如人意的地方；具體表現在：鋼化模擬的數理方法過于依賴N-S方程的計算機；當前鋼化模擬算法大多數是在“封閉”區域內進行計算；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規律而加以考慮的；忽視了真實的動力學因素。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。

4 鋼化模擬方法的發展動向

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

4.1 進一步挖掘粒子系統的潛能，不斷增加其實用性、改善其通用性

提高模擬的精確度、優化模擬的效果。在硬件條件不斷改善的情況下，進一步發掘優勢，開發面向量子計算的新領域和面向大數據的新方法；不斷拓展其在計算機圖形學研究中的領域。

4.2 進一步研究數學物理方法在無規則物體建模上的應用

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

4.3 紋理應用技術的進一步深化

應用紋理球的方法模擬鋼化，在視覺效果上基本達到了真實感的要求。算法的空間復雜度和時間復雜度比傳統的粒子系統和數學物理方法相比具有一定的優勢。紋理球所具有的空間結構和分布節省了平面紋理方法中的場景變換所必須的視覺角度轉換，因而執行的效率更高。

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作者單位

河南職業技術學院 河南省鄭州市 450046endprint