[发明专利]一种基于物理的三维云运动演化方法

说明书

本发明公开了一种基于物理的三维云运动演化方法，属于计算机图形学领域，该方法以两张自然积云图像为输入，可以实现自动从初始三维积云形状运动演化到目标形状。首先，根据从给定的两张积云自然图像中分别重建三维积云模型，并对第一个三维积云模型进行粒子采样获得云粒子数据；其次求解积云在大气运动过程中的热力学方程、状态变化方程和运动方程，实现积云的物理运动过程；再次，采用PBF方法在运动过程中维持云粒子的密度不变，保证积云在运动过程中的不可压缩性；然后，通过对目标形状进行表面粒子采样，结合流固交互策略，实现云粒子与目标形状的耦合；最后，根据积云的前后时间帧的运动状态调节积云在运动过程中受到的外力，驱动积云的物理运动过程直至最终形状与目标形状一致。

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，特别积云仿真领域，具体涉及一种基于物理的三维云运动演化方法。

背景技术

随着生活水平的提高与科技的不断进步，人们对数字化产品中的真实感与可互动性的要求也不断提高。作为真实世界的重要组成部分，流体在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到，其基本特征是没有固定的形状，具有高动态性。云作为一种流体类型，它的模拟已成为计算机图形学和虚拟现实技术中的热门课题。在户外场景仿真中，如果天空中加入云的模拟，将增强整个场景的逼真度，获得较好的视觉效果；在三维游戏中，虚拟的云将极大提高玩家的游戏体验；在飞行视景中，对云的模拟可以增强飞行训练人员在天空场景中的视觉感受；在气象研究中，云的模拟则能够对大气物理变化过程的解读具有重要作用。

虽然云作为流体中的一类，包含流体运动过程中的许多通性，但在计算机仿真中大部分流体仿真方法一般只能应用于水、油等液体上。在基于物理的流体仿真过程中，每帧运动参数的产生是由计算机对控制流体运动的高阶连续偏微分物理方程进行数值离散求解，自动生成下一时刻的运动状态。而在计算机模拟云运动时，因为云在运动过程中的特有性质，例如温度、大气压强对云的运动的影响等，基于物理的流体仿真方法并不能直接应用于云的运动演化研究方面。

作为一种常见的自然现象，云的形状千变万化，形成、发展和消散的过程及其复杂，且具有水汽粒子的半透明特征，期望利用基于物理的流体运动方法进行三维云的运动演化是非常困难的。在图形学领域，云的动态仿真分为基于过程和基于物理的方法。基于过程的方法利用粒子系统、噪声纹理或者交互式的手段对云进行建模，通常需要经历繁琐的参数调节；后者则通过求解简化的Novier-Stokes方程，模拟云生成的物理过程，这种方法耗时大。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于物理的三维云运动演化方法，能够快速、自动地实现积云从初始形状运动演化到目标形状。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：以两张自然积云图像为输入，可以实现自动从初始三维积云形状运动演化到目标形状。首先，根据从自然图像中重建三维积云形状；其次求解积云在大气运动过程中的热力学方程、状态变化方程和运动方程，实现积云的物理运动过程；再次，采用PBF方法在运动过程中维持云粒子的密度不变，保证积云在运动过程中的不可压缩性；然后，通过对目标形状进行表面粒子采样，结合流固交互策略，实现云粒子与目标形状的耦合；最后，根据积云的前后时间帧的运动状态调节积云在运动过程中受到的外力，驱动积云的物理运动过程直至最终形状与目标形状一致。本发明引入大气动力学和流体动力学指导积云的运动演化过程，能够有效的提高积云场景演化的真实性和逼真度；仿真过程完全自动，效率较高。

本发明的一种基于物理的三维云运动演化方法，具体实现步骤如下：

步骤(1)：通过对从给定的第一张图像中重建三维模型作为初始形状，并对初始三维积云模型进行采样得到云粒子数据，从给定的第二张积云图像中重建积云对应三维积云模型将该模型作为目标形状，再通过求解积云在大气运动过程中的热力学方程、状态变化方程和运动方程，实现积云的物理运动，从而获得演化的中间结果；