● 摘要
随着游戏、影视、数字娱乐等产业应用需求的推动，计算机动画技术的应用前景越来越广泛。计算机特效模拟是一种有别于真实模拟物理世界的数字技术，追求的是视觉的特殊效果和计算的快速性。火焰模拟作为一种计算机特效，一直是人们研究的热点之一。本文在认真分析和总结现有工作的基础上，以逼真性和实时性为目标，利用Navier-Stokes方程和Perlin噪声实时模拟火焰，同时解决了火焰与障碍物交互的问题。主要工作如下：（1）深入分析了基于物理过程的火焰模拟方法，在GPU上求解Navier-Stokes方程，实时更新火焰的属性，并用MacCormack方法计算温度和速度的平流值，增加了火焰的真实性；（2）把火焰纹理旋转形成柱状火焰体，在GPU上计算Simplex噪声，利用该噪声对火焰体与火焰纹理的映射关系进行扰动，形成具有真实感的火焰。用Ray-marching方法渲染，并根据火焰体与障碍物的深度关系确定是否停止跟进，实现了火焰与静态障碍物的交互；（3）在基于物理过程火焰模拟方法的基础上，对障碍物进行离散化处理，把离散化的结果保存到三维纹理中，并对边界处火焰速度和压力的计算方法进行修改，实现动态障碍物与火焰的交互；（4）设计并实现了基于物理过程和Perlin噪声的火焰模拟演示系统，对上述方法进行了实验验证。