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翻译文献
1.
水是自然界的重要元素。在数字游戏和其他虚拟环境中也经常遇到这种情况，但不幸的是，与它的交互是通常非常有限。其主要原因可能是模拟水行为的巨大计算成本。通过模拟水和其他流体数值求解Navier-Stokes方程在离线工程中是司空见惯的。如桥梁建造、天气预报或航空应用。自从20世纪90年代，这些方法也被应用于计算机图形学，但重点在于已经在电影特效等离线应用程序中。最近的进展可编程图形硬件有助于实时流体模拟规模足够大，可以在游戏中使用。到目前为止，这些方法主要用于游戏中，仅用于视觉目的。本文的动机是希望看到更多的游戏，也受水模拟的影响。
本文第一部分研究了不同类型的交互水的作用。游戏。水模拟方法的要求是通过检查这些角色来制定的。然后，本文介绍了一些背景理论和水模拟方法。重点是基于高度场的方法，
通过假设水面可以表示为从中性点的垂直位移。这个假设允许非常大的用有限资源模拟的水量典型游戏的目的。这些方法中的大多数都适用于高场地形。通过添加粒子模拟系统。
一个重要的问题是将水模拟与现有的刚性体耦合。主要用于游戏对象动力学的模拟。联轴器包括浮动、随流移动的对象和筑坝等效果离开身体。本文介绍了一种新的基于高场的耦合方法。允许在高空环境中用刚性物体建造水坝，与以前的方法不同。建议的方法，包括水模拟方法和可视化，是并行实现的，使用图形处理单元。这些方法被发现足够快，适用于游戏。
最后，比较了最有前景的电流模拟方法。游戏的观点使用的标准设置在开始：性能，简单性，视觉质量，丰富的行为，和刚体耦合。自质量体验是一个主观问题，建议用户测试进行比较。这篇论文是第一篇这样的研究之一，发现离开浅水方程解算器的速度自平流步骤对所测得的任何心理影响均无统计学意义。基于在分析的基础上，对仿真方法的选择提出了建议适合不同类型的游戏。
2.
2011年，我联系了庞大的订单，讨论了我论文的潜在主题。这个与安蒂·莱托和达米恩·莫雷罗进行了富有启发性的讨论，他们使我认识到水模拟在游戏中尚未开发的潜力并选择这个有趣而复杂的话题。我最近也很荣幸加入巨人队为了和这些伟大的人一起工作
我要感谢Tommi Mikkonen教授对我的支持担任部门主管，现任主管，Timo Saari教授研究合作和对手稿的评论，以及考前人员，Perttu H–am–al–ainen教授和Nils Th–urey教授，为他们提供了宝贵的反馈。我也感谢卡尤特和乌拉的财政支持。托米宁基金会。
没有研究小组工作是一条我无法推荐的艰难道路。给任何人。幸运的是，我有两个人的好处，他们都有很强的能力用详细而有见地的评论将草稿的页边涂成红色。首先，我非常感谢我最初的导师安蒂教授的不懈努力。Valmari，为我提供必要的分析思维工具和哲学。在科学工作中。
其次，没有足够的语言来描述我深爱的妻子的意义，Tiiti。除了提供宝贵的情感支持和管理家庭之外当我专注于我的工作时，她也履行了同伴、顾问的职责，以及校对员。最后，我亲爱的孩子，蒂穆和克尔图，给我看了生活中一个更深层的目标，能让博士论文变得微不足道。
Chapter 1
背景：
1.1
水是自然界最有趣的元素之一。很舒服很漂亮看一看，玩乐，甚至制造出它的灾难份额。它会那么，它似乎也是电脑游戏和其他游戏中必不可少的元素。寻求模拟自然的虚拟世界。然而，看看当前游戏的大部分世界表明，在大多数情况下，水只有一个美丽的装饰作用。当然，也有船只游戏或游泳的可能性，但是水几乎总是占据一个静态区域，几乎没有任何有意义的游戏。与之相关。当然，需要某种模拟来实现交互性。
物理模拟对游戏来说绝对不是陌生的东西。物理引擎的出现提高了游戏世界中交互水平的标准。完全模拟的刚体现在对程序员来说非常容易添加到他们的游戏中，这就创造了新游戏类型的爆炸式增长。如果水模拟如此简单和常见，可以实现什么？
与所有流体一样，水的运动也由纳维-斯托克斯方程描述，这是一个很难求解甚至数值模拟的方程。特别是湍流是非常混乱的，捕捉水的整体丰富性需要一个非常详细的模拟。事实上，水模拟以计算难度大而臭名昭著，而且游戏很少有额外的资源可用。这并不奇怪，因为每秒需要生成大约30-100张关于一个日益庞大和复杂的游戏世界的高保真图像。到目前为止，在计算机图形学领域，水模拟主要应用于离线应用，如电影特效。
幸运的是，在游戏中，我们通常对真实世界的复杂性不感兴趣。令人惊讶的是，物理定律可以简化到何种程度，甚至可以忽略不计，从而仍然产生一种假象，即只要结果被包裹在一个美丽的可视化中，玩家就不会注意到这是不可辩驳的。知道了这一点，我们更愿意通过大大简化物理模拟来解决性能问题。
在计算机图形学中最常用的技巧之一是替换。基于物理的模拟，有一些更静态的，看起来类似的东西。例如，我们经常使用照片图像作为纹理，而不是在原子级别上实际模拟材料。这种非物理方法已被证明对水的建模很有效，因为细节是短暂的，几乎是随机的，对相互作用不重要，并且不会系统地影响水体的大规模行为。因此，我们只需要粗略地模拟大尺度的水流，例如河流的流向，使用一米的模拟分辨率。较小细节的视觉丰富性可能只是一种不影响大尺度模拟的假象。
不幸的是，如果要模拟大型水体，即使是粗略的模拟也会成为计算资源的负担。如果我们想用100米的垂直范围来模拟1平方公里的水，即使粗略的分辨率是1米，1亿个单元每秒需要更新几十次。
基本优化是基于注意到，在游戏中，在表面下发生的事情往往可以被忽略。在大图中，只有水面的高度才是重要的。限制为高度场将删除垂直模拟尺寸。虽然模拟域因此变成二维（2D），但游戏世界本身仍然保持三维（3D）。重要的是要将其与实际二维世界的游戏区分开来。如果每次更新都很简单，并且可以并行实现，那么更新一百万个剩余单元就在我们当前的硬件范围内。真正的三维细节，比如飞溅物，已经丢失了，但在需要的地方可以添加回去。
在计算机图形学中，对这类大区域进行建模的传统解决方案是使用不同的细节层次（LOD），即使用更简单的模拟模型，或使用离观察者较远的更粗糙的分辨率。然而，这也存在一些问题，耦合不同的模拟分辨率是困难的，尤其是在试图保持所需的大规模并行性时。另一个复杂的问题是，如果游戏很大程度上依赖于模拟，玩家看不到的区域可能仍然会影响游戏，因此至少需要进行一些细节模拟。最坏的情况是，玩家甚至可以通过简单的观察改变水的行为来利用LOD系统！尽管存在这些问题，但有些游戏可能会从LOD技术中获益，但本文主要研究的是不使用这种方法的方法。
除表演外，另一个核心话题是玩家如何与水。因为刚体目前是物理相互作用的主要方式
在游戏世界中，模拟刚体之间的相互作用是至关重要的。还有水。这两个模拟需要在两个方向上耦合：物体漂浮并被水推动（水对物体的影响）。另一方面，水不能流经人体，这会导致各种身体对水的影响，不幸的是，实时实现这种耦合是非常困难的。
正如将在下一章中看到的，已经有几个在二维世界中进行的水模拟游戏。几乎所有这些游戏都使用基于粒子的方法，这确实非常适合于二维世界中的这个问题。基于颗粒的方法也非常适合于少量水足够的3D环境。然而，当需要对大型3D环境进行建模时，情况变得更加有趣，因为粒子方法的计算效率并不总是足够高。因此，本文主要研究大型三维环境，目前还没有一个单一的全方位解决方案。
1.2 研究问题和方法
本文致力于降低我们发现的最重要的障碍，防止水模拟在模拟大面积地形的3D计算机游戏和虚拟环境中变得司空见惯：性能问题和实现复杂性。另一个令人感兴趣的领域是寻找实现更丰富互动的方法，在这种方式中，水从通常的游戏角色中被提出来，作为一种装饰物，用于实际可以玩的东西。第2章介绍了这些目标背后的一些推理。本论文的主要研究问题如下：
哪种方法最适合大型3D水模拟，考虑到严格的性能限制和有限的游戏开发预算？
如何改进这些方法以减轻约束，特别是在游戏中允许与水进行更丰富的互动？
设计科学范式寻求通过构建和评估来创造效用。工件，如概念、方法或软件实现。创建的工件需要解决相关的问题，使用度量标准进行严格的评估，并为知识库做出贡献。这与试图通过假设和验证理论来理解不同现象的行为科学范式相反。然而，Hevner等人建议这两种方法可以并且应该在研究周期中相互补充.
这项工作的大部分属于设计科学范式。我们分析了水模拟在游戏中的潜在应用，并以此为基础找到相关的评价指标。然后实现仿真方法，并根据这些指标进行评估。
然而，我们也认为行为科学方面目前在水模拟研究的计算机图形学分支中的代表性不足。计算机图形学中的水模拟源于计算流体动力学（CFD），其中最终产品通常可以解决技术问题，例如建造一座不破裂的水坝。相反，计算机图形的最终产品，无论是电影、游戏还是其他虚拟世界，都是为人类用户而构建的。因此，除了使用典型的设计科学指标（如性能），我们还需要了解这些技术如何以及为什么会影响用户。行为科学的工具非常适合这一目的，本文中的用户研究[p2]部分属于这一范畴。
1.3 主要贡献汇总
为了回答RQ1，首先在[p1]中对当前的方法进行了比较，最快可用的方法pipe方法似乎名声不佳，因为它所代表的一系列模拟方法往往被认为是不可信的。为了能够将其包含在比较中，我们在图形处理单元（GPU）上实现了PIPE方法。评估结果是非常有希望的：在现实中失去的大部分是在简单和速度上获得的，并且该方法能够令人信服地模拟任何高度场地形的流量，这已经使许多有趣的游戏功能。
然而，由于不同方法的可信度难以客观评价，因此需要进行用户研究。我们在[p2]中实施了一个小游戏来进行这样的研究。与管道法非常相似的方法与基于浅水方程的更复杂的方法在测量的任何心理影响中都没有发现差异。
在分析RQ2时，我们注意到游戏通常基于玩家如何影响游戏世界。因为当前游戏中的大部分交互都是通过操纵被表示为刚体的物体来完成的，所以在海夫菲尔德方法中研究刚体如何影响水是很自然的。结果表明，在高空领域，所有可用的耦合方法都集中于在大而稳定的水中模拟小的漂浮体。它们是基于让水直接流过身体，这在它们的上下文中不是问题，但严重限制了这些方法的更广泛使用。在这些以前的方法中，对水的影响唯一的目标是为了视觉上可信的目的而产生的一些表面波。
想要更丰富的相互作用，我们就要研究海菲尔德的可能性。真正阻断对象流的方法，如离线完整3D中的典型方法模拟。一些简化的假设允许使用基于此方法的新方法。该方法最初在[P3]中实施和评估，并在[P4]中进一步改进。该方法通过在大型高场模拟中使刚体动态阻断水流，丰富了博弈中的相互作用可能性。
综上所述，本文研究了大型水模拟在游戏中的应用需求，并在此基础上对现有的水模拟方法进行了评价、比较和改进。具体而言，包含本论文的出版物的主要贡献是：
在游戏的水模拟方法[p1]中，比较了适合游戏的水模拟和水对象交互方法，其中包括快速、GPU并行实现的Pipe方法，该方法明显快于竞争方法。通过纹理平流创建的小尺度细节，也可以交互地可视化水。这项研究最初发表于2012年的学术头脑风暴会议上，但一个扩展的期刊版本已被接受在娱乐业的计算机上出版。
用户研究：浅水方程中的平流步骤是真的吗？必要吗？[P2]使用心理测量和统计分析研究两种水模拟方法的用户体验差异：浅水方程和更简单的波动方程。没有统计数据发现了显著的差异，表明更简单的方法可能对某些应用来说已经足够了。这项工作作为一篇短文发表于2014年欧洲图形会议。
在高效的实时水模拟中与动态大体的相互作用[P3]引入了一种新的高度场下的刚体耦合方法。该方法提供了一种新的对象-水耦合，使刚性体能够阻断流动。这使得与水的相互作用更为丰富，例如用刚性物体建造水坝。这项工作于2013年发表在《华尔街日报》上。
大型实时水模拟中与刚体的相互作用[P4]进一步改进和推广了[P3]的方法，如在同一框架内实现水与物体的耦合，解决了一些渲染问题，使该方法更具物理基础，与多层模型兼容。这项工作于2014年发表在《国际计算机游戏技术杂志》上。
除了出版物外，本文第2章还分析了潜在的在游戏中使用水模拟。第六章重大更新和扩展了[p1]中的比较。
1.4论文结构
论文的其余部分结构如下。
第二章对水与水模拟在游戏中的作用进行了较为详细的论述，分析了水在游戏中的作用，给出了一些心理背景，并建立了不同方法的评价标准。
第三章从Navier-Stokes方程出发，介绍了一些简化假设，使其形式更适合于实时仿真。然后介绍了实现实际模拟的数值方法。最后，简要回顾了一些最常用的水模拟方法。
第4章更详细地描述了一些本论文核心的基于高度场的模拟方法：浅水方程、管道法和波动方程。本文还介绍了PIPE方法的具体实现及其可视化。
第5章讨论了将刚性体解算器与水模拟耦合的问题，例如，如何使物体漂浮在水上或形成阻止水流的动态障碍物。
第6章根据第2章设定的标准，比较了一些最适合游戏的模拟方法。
最后，第7章总结并总结了这些工作，回顾了所完成的工作，并为未来制定了路线图。
Chapter 2 游戏中的水
2.1背景
大多数游戏都发生在某些游戏空间中，无论是纯文本游戏、视觉上极其逼真的3D环境，还是介于[81]之间的游戏。这些世界中的大多数代表了某种虚拟世界，并参考了我们作为玩家所生活的环境和文化[57]。因为水在我们的环境中是如此常见和有趣的元素，它自然也存在于这些游戏世界中。本章运用流动和存在的概念，并通过考察水在现有游戏中的作用，分析了水在游戏中的作用。然后，这些角色被用作建立模拟方法标准的基础，这些模拟方法可用于在游戏中实现水资源。
至少有两个不同的角色很容易被识别：使环境看起来真实可信，并提供一个互动元素来丰富游戏。这些角色不是正交的，因为将
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资料编号：[816]
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