[发明专利]一种基于GPUs集群的流体交互仿真方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对自然界中常见的流体现象的高效建模和逼真模拟技术，特别是基于GPUs集群构建普适的物理交互方法，属于计算机虚拟现实和计算机图形学技术领域，主要应用于流体相关的三维动画场景的逼真模拟和快速构建。

背景技术

真实世界中的流体现象随处可见，如晶莹的露珠、绚烂的烟火、美丽的云彩和澎湃的海洋等。随着计算机性能和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的发展，研究人员开始将计算流体力学引入到流体仿真中，开展更为逼真的物理仿真研究。它遵循流体动力学原理，从流体动力学基本方程——纳维-斯托克斯(Navier-Stokes，N-S)方程组出发，通过设置边界条件，对方程进行一系列的近似和简化，以数值方法求解流场，最终实现流体效果。为了克服网格法的问题，新一代数值方法，特别是光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)作为一种基于物理的无网格方法，受到很多学者的关注。它在流体建模方面具有很大的优越性，包括可以很好的处理自由表面、变形边界、运动交界面以及大变形问题；SPH方法在流体仿真的准确性、适应性和稳定性方面都得到了很大的改进，方法日趋成熟；从微观世界到宏观再到天文学尺度，都获得广泛应用。文献1-Matthias M,David M.G.Particle-based Fluid Simulation for Interactive Applications[C].Published in:Proceedings ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation.AirelaVille:Eurographics Association,2003:154-159首先将SPH方法应用到计算机图形学流体仿真中，然而由于受当时计算机性能的影响，该方法无法实时满足大规模及复杂交互细节流体的模拟。文献2-Müller M.,Schirm S.,Teschner M.,et al,Interaction of Fluids with Deformable Solids[J].Journal of Computer Animation and Virtual Worlds(CAVW),2004,15(3-4):159-171采用SPH方法模拟流固交互，固体用多边形网格表示，使用有限元方法计算固体的变形，设置特殊的边界，在变形体的边界处放置镜像粒子，由高斯插值推导出粒子的位置和权值，用于计算穿透、滑移、反作用力三个边界条件，实现了医学仿真中的流体和固体实时交互，然而该方法不能实现统一的粒子表示。文献3-Solenthaler B,J,Pajarola R.A Unified Particle Model for Fluid-Solid Interactions[J].Computer Animation and Virtual Worlds.2007,18(1):69-82提出了一种统一的粒子架构下多种类型流体交互方法，该架构基于SPH方法对液体、变形体、刚体进行交互仿真，与以往方法相比，此方法满足多种流固交互仿真，融化和凝固现象也能够被处理。然而该方法在场景交互时容易发生穿越和折叠现象，且不易在并行集群上执行。除了流体表现形式之外，计算的复杂性也是流体仿真的一个挑战，这种局限导致很多流体仿真不能实时进行。SPH方法具有很好的并行性，标准的SPH公式数据依赖小，通过适当的修改即可实现并行。GPU(Graphics Process Unit，GPU)具有很强的并行计算能力，除了计算机图形学外，已经进入了通用计算领域。与欧拉法相比，粒子法具有数据依赖小，程序简单等优点，非常适合在GPU设备上并行执行。文献4-Y.Zhang,B.Solenthaler,R.Pajarola.Adaptive Sampling and Rendering of Fluids on the GPU[C]//Proceedings of IEEE/EG Symposium on Volume and Point-Based Graphics,Crete,137-146,2008.最早开始研究SPH并行化方法，设计了高效的邻域粒子搜索与数据结构算法，实现了自适应采样及表面粒子绘制的并行化，改工作为后续并行流体技术发展奠定了基础。文献5-E.Hermann E,B.Raffin,F.Faure.Interactive Physical Simulation on Multicore Architecture[C]//Proceedings of Eurographics Workhop on Parallel Graphics and Visualization,NY,1-10,2009.基于多核多处理器设备架构，提取了任务依赖关系图，将其划分到不同的处理器上执行，并结合OpenMP技术实现了有限元法在变形体上的并行计算，显著提高了计算性能。多核的CPU和众核的GPUs已经成为计算机中最重要的两种加速处理器。CUDA、OpenCL、Pthreads等并行设计语言，以及消息传递标准MPI的出现，使得基于多线程的并行计算在文献6-R.Thomas.Smoothed Particle Hydronamics in a Multithreaded Environment[R].Austria,2008中得到广泛的研究与应用。文献7-A.Mokos,D.Rogers.Multi-phase SPH Modelling of Violent Hydrodynamics on GPUs[J].Computer Physics Communications,196,304-316基于多GPUs系统研发了面向流体并行仿真的框架DualSPHysics，该框架实现了对SPH方法的并行化设计。然而该架构主要用于物理工程领域，场景结构单一，且没有复杂的交互，不合适图形学流体动画特效建模。