[发明专利]基于各向异性的屏幕空间平滑粒子流体动力学流体表面提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及平滑粒子流体动力学流体绘制领域，尤其涉及一种基于各向异性的屏幕空间平滑粒子流体动力学流体表面提取方法。

背景技术

经典的平滑粒子流体动力学流体绘制是使用Marching Cube结合光线跟踪方法，可以获得平滑且具有真实感的流体表面，然而其过低的运行效率只适合离线绘制，而不适合实时绘制领域，如虚拟现实、游戏制作、实时动画等。屏幕空间流体绘制技术是近几年兴起的绘制技术，它通过直接绘制代表粒子的球体，或者球体的深度信息，然后加以平滑的方式获取流体表面，避免了以往方法中开销过大的表面提取步骤，具有很高的运行效率，因此可以应用于实时流体绘制。然而该方法提取的表面凹凸不平，前人提出的平滑方法都难以得到平滑的绘制结果，其原因在于各向同性的球体表面或球体的深度本身就是凹凸不平的。

下面先介绍已有的屏幕空间平滑粒子流体动力学流体绘制方法：

1)在屏幕空间构建流体表面网格模型的方法

该方法首先用球体代替流体粒子，并将球体表面的像素深度记录到深度图D中，再对深度图D进行二项式滤波，获得平滑后的深度图D’，再从D’中构建网格模型。该方法在构建网格模型时丢弃了过多的信息如液体厚度，难以达到较好的绘制结果，并且二项式滤波容易造成流体边界扩散。

2)基于曲率最小化的屏幕空间绘制方法

该方法首先用球体代替流体粒子，并将球体表面的像素深度记录到深度图D中，并使用迭代的步骤，在每一次迭代中使深度图D的曲率最小化，最终得到平滑后的深度图D’，然后从D’中提取像素坐标和法线，用于流体绘制。该方法只能使相邻的球体间过渡变为平滑，而不能完全解决绘制球体带来的表面凹凸问题。

以上的方法都不能得到较好的平滑流体表面，其原因在于各向同性的球体表面或球体的深度本身就是凹凸不平的，也就是原始数据问题导致难以拟合出正确的结果。

发明內容

本发明的目的在于解决现有屏幕空间平滑粒子流体动力学流体绘制方法难以获取平滑流体表面的问题，提供一一种基于各向异性的屏幕空间平滑粒子流体动力学流体表面提取方法。

基于各向异性的屏幕空间平滑粒子流体动力学流体表面提取方法包括以下步骤：

1)使用改进的拉普拉斯平滑方法对流体粒子世界空间坐标做平滑处理；

2)对平滑后的每个粒子i，使用加权主成分分析方法分析邻域粒子对当前粒子i的贡献，获得粒子i的各向异性变换矩阵G_i；

3)对每个粒子i，绘制代表该粒子的椭球，并在绘制过程中应用各向异性变换矩阵G_i，记录每个像素的视点空间z轴坐标值，得到深度图D；

4)对深度图D使用双边高斯滤波方法，得到平滑后的深度图D’；

5)对平滑后的深度图D’计算每个像素对应的视点空间坐标；

6)根据视点空间坐标求每个像素在x、y方向的切向量，并通过叉乘切向量来求该像素法向。

所述的步骤1)为：

(1)对每个粒子i，获取其半径r_i范围内的所有领域粒子坐标；

(2)根据领域粒子，对当前粒子i使用拉普拉斯方法平滑方法，获得粒子新坐标

xi‾=(1-λ)xi+λΣjwijxj/Σjwij]]>

式中w_ij是一个关于粒子i和粒子j的各向同性权重函数，它定义为：