[发明专利]一种基于热力学模型的固体燃烧过程模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于热力学模型的固体燃烧过程模拟方法。

背景技术

八十年代起至今，针对火焰等不定形物体以及流体仿真的研究已经发展了20多年。该领域的研究涉及牛顿动力学、连续介质力学、数值计算、微分集合以及计算机图形学等多个学术方向，在游戏娱乐、科学计算、仿真训练等方面具有很高的实用价值，也一直都是一个非常具有挑战性的研究热点。近几年来，随着多核CPU、GPU并行处理技术的普及，基于物理的火焰建模与仿真技术得到了迅猛发展，成为计算机图形学领域新的研究热点，而借助于GPU并行加速计算，在特定范围和精度下的流体模拟已经基本可以满足实时交互的需要。

基于物理的火焰模拟技术需要对三维空间中的流体力学方程进行求解，因而具有非常高的计算复杂度，目前仍然很难找到一种普适的方法来解决这一问。同时，对于大规模的流体模拟而言，也很难对其实现实时逼真绘制；因为即使是采用GPU加速的较低精度流体模拟，其物理模型的解算也会占据GPU绝大部分的计算资源。因此，该类方法在游戏、实时模拟仿真等领域的应用并不多见，更多是采用粒子系统、高度简化的物理模型等逼近方法来对火焰进行实时模拟。

此外，火焰和燃烧物体的交互效果模拟在游戏、战场仿真、影视特技、动画、广告等领域对提升场景的沉浸感有着重要的作用，具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。然而，目前对火焰与其他物体的交互以及物体燃烧过程的仿真研究还面临诸多挑战，因为这些现象背后蕴含着更为复杂的物理机制，要实现令人信服的仿真效果，需要多学科交叉理论和软硬件结合的高效算法设计作为支撑。

为了解决上述问题，本发明基于GPGPU（General-Purpose Computing on Graphics Processing Units）等技术提出了固体燃烧过程的模拟方法，该方法可有效模拟三维物体表面的火焰扩散、物体燃烧形变、着火物体视觉表现等效果。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服了现有的火焰和固体燃烧仿真技术的不足，提供了一种基于热力学模型的燃烧过程模拟方法。并通过使用基于GPU的数据结构和算法，满足了对三维物体燃烧过程进行实时模拟的需要。

本发明采用的技术方案为：一种基于热力学模型的固体燃烧过程模拟方法，包括以下四个步骤：

步骤（1）、燃烧模拟预计算：通过由Normal Map所描述的物体表面细节几何特征，对漫反射纹理进行预处理，计算出燃烧以后物体表面的漫反射纹理，并根据三维网格模型的几何结构，预计算后续仿真所需的三角面片面积；

步骤（2）、物体表面的火焰扩散计算：通过将热力学模型与三维网格模型表面的测地距离计算模型相结合，迭代计算火焰在三维网格模型表面的燃烧扩散状态，并将其以纹理形式储存到显存中，以便于GPU加速使用；

步骤（3）、燃烧物体的形变计算：根据步骤（2）中计算得到的火焰扩散状态，通过使用弹簧质点模型和描述燃烧形变的物理模型来计算三维网格模型的形变；弹簧质点模型用于计算形变时三维网格模型顶点间的相互作用力，基于可移动欧拉网格的烟雾模拟和燃烧形变模型则主要用于计算燃烧分解导致的形变作用力，计算结果以纹理形式存储到显存中；

步骤（4）、火焰和燃烧物体的真实感绘制：使用步骤（1）中预计算得到的漫反射纹理和步骤（2）、步骤（3）中得到的火焰扩散状态和形变状态对虚拟场景中的物体和火焰进行真实感绘制。

本发明的原理在于：

（1）通过计算多边形网格表面的测地距离，使用基于热量传播模型的方法来计算火焰在多边形模型表面的扩散状态。为了兼顾计算速度和燃烧过程可控性，本发明提出了基于燃烧状态纹理的数据组织方式。

（2）为了模拟燃烧过程中固体因为燃烧分解而发生变形的现象，本发明通过使用弹簧质点模型，提出了一种通过模型表面燃料消耗状态来计算形变的力学模型。该方法通过使用火焰扩散模拟方法计算得到的燃烧状态来计算模型的形变，将整个计算被放到模型纹理空间上并行进行来控制计算量，同时使用基于多重深度纹理过滤的方法来剔除因为物体自相交导致的绘制错误。

（3）为了对燃烧物体表面纹理颜色的变化进行视觉仿真，本发明通过使用γ粒子来轰击三维模型来迭代地计算粒子在模型表面的碰撞状态，并以此来模拟燃烧过程中漫反射纹理的颜色变化。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明提出的基于燃烧状态纹理的数据组织方式，一方面更加便于使用GPU来进行并行计算加速，另一方面也可以提供一种更直观的方式来对燃烧过程进行控制。