[发明专利]三维流体物理动画引擎的实现方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及基于物理学的计算机动画领域，尤其涉及一种三维流体物理动画引擎的实现方法及装置。 

背景技术

SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics，光滑粒子动力学）方法是一种典型的拉格朗日方法，在模拟流体时它是将连续的流体用相互作用的质点组描述，各个质点上承载各种物理量，包括质量、速度、密度等，通过求解质点组的动力学偏微分方程组和跟踪每个质点的运动，求得整个系统的力学行为。SPH方法使用核函数对密度、压力、粘力项进行离散化，得到Navier-Stokes（纳维叶－斯托克斯）方程组的离散化计算形式，从而在每步迭代过程近似解出各个物理量，模拟流体运动。SPH方法是由Lucy、Monaghan及Gingold等人于1977年提出用来解决天体物理学中的行星运动问题，后来被引入到计算流体力学领域。 

SPH方法模拟流体具有自适应性特性。SPH方法的这种自适应性是通过在每个时间步长计算其周围的其他粒子分布近似地获得的。由于SPH方法的这种特性，SPH方法不受粒子分布的影响。因此，SPH方法能够很好的处理具有剧烈形变问题。这是SPH方法最引起人们感兴趣的特性。另外SPH方法还克服了高维拉氏方法中网格缠绕的问题和随着维数、网格数增加其复杂度急剧上升的问题。 

发明人在进行发明创造的过程中发现，现有技术中，SPH方法模拟流体的计算量较大，运行速度较慢，工作效率较低，因此，如何提高三维流体物理动画的运行速度及工作效率成为现今的研究重点。 

发明内容

本发明的目的是提供一种三维流体物理动画引擎的实现方法及装置，提高了运行速度及工作效率。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

三维流体物理动画引擎的实现方法，该方法包括： 

利用并行空间粒子搜索算法搜索流体中每一粒子的邻居粒子，并计算所述每一粒子的状态； 

利用复杂边界查找算法计算流体所处容器的边界，根据所述每一粒子的状态并基于碰撞机制计算与调节所述每一粒子与边界的碰撞强度； 

根据碰撞后的粒子分布情况并基于流体表面重构算法对流体表面重构，或者基于屏幕空间的表面重构算法对流体表面重构，获得流体表面。 

设计多种流体光学效应的计算方法，力求在增强流体的可视化效果同时消耗较小的系统资源。 

三维流体物理动画引擎的实现装置，该装置包括： 

并行处理单元，用于计算流体中每一粒子的状态，并利用并行空间粒子搜索算法搜索所述每一粒子的邻居粒子； 

碰撞强度控制单元，用于利用复杂边界查找算法计算流体所处容器的边界，根据所述每一粒子的状态并基于碰撞机制计算与调节所述每一粒子与边界的碰撞强度； 

流体表面获取单元，用于根据碰撞后的粒子分布情况并基于流体表面重构算法对流体表面重构，或者基于屏幕空间的表面重构算法对流体表面重构，获得流体表面。 

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过并行化处理粒子状态更新，并对粒子的邻居粒子进行搜索，使得系统能快速、高效的进行大规模粒子的查找；通过利用复杂边界查找算法，使得系统能在大规模复杂边界的条件下流体的仿真模拟仍然能够保持较高的帧率；另外，通过针对应用场景的不同，选择不同的表面重构算法，能够准确计算流体密度场和重构流体表面，并能够快速实时重构表面。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。 

图1为本发明实施例一提供的一种三维流体物理动画引擎的实现方法的流程图； 

图2为本发明实施例一提供的流体厚度与观察者关系的示意图； 

图3为本发明实施例一提供的焦散效应形成原理的示意图； 

图4为本发明实施例一提供的一种焦散效应的示意图； 

图5为本发明实施例二提供的一种三维流体物理动画引擎的实现装置的示意图。 

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。 

实施例一