[发明专利]基于细节捕获和形态校正的流体动画渲染方法

权利要求书

1.一种基于细节捕获和形态校正的流体动画渲染方法，其特征在于，通过在初始场景上根据Navier-Stokes方程进行流体模拟并对速度场进行优化；然后采用半拉格朗日方法根据优化高精度速度场对相应的密度场和温度场进行更新，以用于渲染和下一帧模拟；最后将更新后的密度场渲染为流体动画；所述的优化包括：

细节捕获：对更新后的速度场构建泊松方程，并且利用离散正弦变换算子计算结果，然后用光滑迭代方法迭代，得到高精度速度场；

形态校正：根据迭代后的高精度速度场计算高精度散度场，然后利用降采样或者八叉树方法对高精度散度场进行降维操作，得到低精度的散度场，在这个低精度散度场上构建偏差泊松方程，求解偏差泊松方程，得到低精度的偏差速度场，将这个低精度的偏差速度场上采样之后与细节捕获得到的高精度速度场进行结合，以校正细节捕获的结果，得到优化高精度速度场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述流体动画渲染方法具体包括以下步骤：

步骤一，根据需要得到的流体动画的要求，对模拟空间进行网格化，并设置初始场景；

步骤二，在初始场景上根据Navier-Stokes方程进行流体模拟并通过细节捕获和形态校正对速度场进行优化，得到优化高精度速度场；

步骤三，采用半拉格朗日方法根据优化高精度速度场对相应的密度场和温度场进行更新，以用于渲染和下一帧模拟；最后将更新后的密度场渲染为流体动画；

所述的初始场景包括：初始速度场、初始密度场和初始温度场、流体模拟过程中的力场条件和边界条件，以及时间步长。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的流体模拟是指：在初始场景的速度场上采用半拉格朗日的方法进行Navier-Stokes方程中的对流项的计算，得到对流模拟后的速度场，并在该对流后的速度场上根据初始场景的流体模拟过程中的力场条件对速度场进行更新。

1、根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的细节捕获，具体包括以下步骤：

1）通过高精度速度场按照原有压强项的方式构建泊松方程；

2）用离散正弦变换算子求解泊松方程，得到高精度压强场；

3）用光滑迭代方法在高精度压强场的基础上迭代，得到离散正弦变换算子没有捕获完全的细节，得到完全高精度压强场；

4）用完全高精度压强场对速度场进行更新，得到包含流体细节的高精度速度场。

4.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的迭代次数为3-4次。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的形态校正，具体包括以下步骤：

i）利用高精度速度场计算每个网格的散度，得到高精度散度场；

ii）将高精度散度场降采样得到规整低精度散度场，并：

a）根据规整低精度散度场构建低精度偏差泊松方程，或

b）根据流体模拟过程中的边界条件构建八叉树，由生成的八叉树的结构分布高精度散度场，得到以八叉树结构分布的散度场，并在这个散度场上生成偏差泊松方程，该偏差泊松方程将会比直接在高精度散度场上构建的泊松方程规模要小许多倍；

iii）对偏差泊松方程采用预处理共轭梯度法求解，得到对应的规整低精度压强场或八叉树结构分布压强场；

iv）利用规整低精度压强场或八叉树结构分布压强场计算偏差速度场，然后将偏差速度场进行上采样得到偏差高精度速度场，并将其与高精度速度场结合，得到优化高精度速度场。

6.根据权利要求1或6所述的方法，其特征是，所述的形态校正，所述的八叉树方法中八叉树的构建是由初始场景中的流体模拟过程中的边界条件确定，在边界条件复杂的地方，分布八叉树结构的小网格，在流体中则分布大网格。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的渲染采用pbrt渲染引擎进行。