[发明专利]一种基于网格和粒子耦合的流体表面细节保护方法

说明书

本发明涉及一种基于网格和粒子耦合的流体表面细节保护方法：(1)求解纳维‑斯特克斯方程(Navier‑Stokes，N‑S)采用网格方法，构成主体流体的仿真模型；(2)改进LBM‑VOF方法，并利用改进的VOF‑LBM耦合算法追踪流体的表面；(3)在异常表面网格位置生成粒子，然后通过粒子方法对粒子进行演化；(4)设计网格和粒子的耦合算法，将网格流体和粒子流体集成到同一个场景中，以此保证整个流场的物理守恒以及网格和粒子之间进行合理的物理信息传递；(5)最后利用屏幕空间方法进行真实感渲染，依次通过绘制球体，并计算每个像素点的深度值，进行深度滤波，根据深度值和像素点的位置信息求法向量，以及光照渲染，在GPU上实现一个逼真和实时的流体渲染。

技术领域

本发明涉及一种基于网格和粒子耦合的流体表面细节保护方法，具体地说是一种基于物理的图形学动画模拟方法，其部分技术涉及到构建高精度的主体流体仿真模型、构建与LBM耦合的流体自由表面追踪模型、粒子的生成与演化、网格与粒子的耦合算法以及力学相关理论。主要应用于各种真实物体三维逼真模拟，特别是应用于娱乐游戏、电影特效等领域。

背景技术

近些年来，计算机图形学领域研究的热点与难点之一就是真实感的场景、动画和现象的模拟，它在制造工程、影视特效、三维动画、电脑游戏与虚拟现实等领域应用广泛。为了模拟出和现实世界相差无几的真实感图形效果，可以基于物理原理和实验数据构建能准确描述物理现象的物理模型。基于物理模型的自然现象的绘制可以模拟出更加逼真的效果，但计算过于复杂，实时性得不到保证。因此，在基于物理的流体仿真中既要减少计算代价，又需要尽可能的保持逼真的视觉效果。

当前计算流体力学中描述流体运动的基本方法有三种：基于粒子的拉格朗日方法、基于网格的欧拉方法以及LBM方法。拉格朗日方法以SPH为代表，是一种基于粒子的方法，着眼于流体质点的运动追踪上，考虑所有质点的运动，进而形成整个流体运动，其优点在于简单直观，容易理解，可模拟流体的运动细节，但是计算量大，难以选取合适的光滑核函数以及在特大变形的情况下容易发生畸变；欧拉方法基于网格，它不具体跟踪某一质点的具体运动过程，而是将流场作为对象。欧拉法有利于分析物理场属性，容易构造液体运动表面，能够处理变形与扭曲问题，但难以表现流体的表面细节；LBM方法是一种基于欧拉的“介观”的流体仿真方法，它忽略了大量分子运动的细节，只保留了分子运动速度的部分统计特征，该方法便于处理复杂边界，算法简单，具有很高的并行度，但依旧是基于网格的描述方法，同时在细节仿真上依然存在不足。

文献1-Koerner C,Thies M,Hofmann T,et al.Lattice Boltzmann Model forFree Surface Flow for Modeling Foaming[J].Journal of Statistical Physics,2005,121(1-2):179-196，针对在表面网格重构分布函数的问题，提出了一种基于动量交换法的表面网格重构方法，但是此方法数值精度低，平衡状态下表面网格在视觉效果上还会发生抖动现象，同时文献1还针对异常表面网格提出了一套特殊的处理方法，一定程度上缓解了该问题，但是难以保证物理量的守恒。文献2-郝爱民,李帅,高阳.一种基于欧拉-拉格朗日耦合方法的流体仿真方法，该方法虽然也将LBM与SPH耦合在一起，但是与本发明有着本质的不同，首先是目标不同，文献2着重于增加流体细节，从而达到丰富的视觉效果，而本发明着重于保护流体仿真的数值精度，从而达到保护流体细节的目的；然后是粒子的生成不同，文献2为了达到增加细节的目的，在表面外生成粒子，而本发明主要是保护仿真的精度，用粒子解决异常网格问题，因此只在异常网格处生成粒子；最后是耦合方式不同，文献2采用PLSM进行表面追踪，并以此为媒介耦合LBM和SPH，本发明采用改进的VOF方法进行表面追踪，数值精度更高。简而言之，文献2为了增加流体细节，可能会破坏原流体的演化规律，而本发明是为了保护原流体演化规律的正常演化。