[发明专利]一种基于位置动力学的雪崩模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于位置动力学的雪崩场景模拟方法。其步骤为：1)对所有顶点粒子进行了属性初始化，根据外力预测更新当前速度，根据时间步长及当前速度更新预测位置；2)使用符号距离场进行碰撞检测，更新位置及速度；3)迭代求解约束直到约束条件收敛，根据校正位置更新速度；本发明解决了在计算机图形学中雪崩灾害场景模拟缺失的问题，能够快速模拟雪崩发生过程；通过凝聚力、摩擦力约束方程，模拟雪流及雪块等不同形态的颗粒流运动过程；通过符号距离场实现了与石块和地面等刚体的耦合现象；使用并行计算框架提升了模拟效率。

技术领域

本发明属于流体仿真领域，尤其涉及一种基于位置动力学的雪崩模拟方法。

背景技术

基于物理的自然场景仿真一直是计算机图形学领域研究的一大热点。其内容主要可分为用于游戏娱乐的实时仿真以及用于影视特效的离线仿真两大分支。对于仿真效率以及仿真效果的评判角度而言，前者更注重计算的效率，即实时性；而后者更为注重视觉效果，即准确感。但是即便如此，在影视界的准确感特效制作中，若能够提高计算绘制效率、减少艺术创作者的等待时间也是十分关键的，这有助于缩短制作周期、大大降低人工制作成本，从而提高市场竞争力。

雪崩是一种常见的自然灾害，是指斜坡上的雪块在摩擦力和凝聚力不足的情况下，发生整体移动而产生的灾难性地质现象。雪崩包含广泛的地面运动，包括干雪崩、湿雪崩等。重力是雪崩发生的主要驱动力，但影响边坡稳定性的其他因素也会导致雪层破坏从而发生雪崩。在许多现象情况下，雪崩是由某一特定事件引起的，如声音，爆破，融化等，但是确定雪崩的原因往往是十分困难的。

在计算机图形学中基于物理的动画领域的研究与寻找模拟物理现象(如刚体，可变形物体或流体流动)的新方法有关。与侧重于准确性的计算科学相反，此处的主要问题是稳定性，鲁棒性和速度，而结果应在视觉上保持合理。因此，计算科学中的现有方法不能一对一地采用。实际上，在计算机图形学中进行基于物理的仿真研究的主要理由是提出专门针对特定领域需求的方法。该方法属于这一类。

模拟动态对象的传统方法是使用力。在每个时间步开始时，都会累积内部和外部力。内部力的示例包括可变形物体中的弹力或流体中的粘度和压力。重力和碰撞力是外部力的例子。牛顿的第二运动定律与通过质量的加速度有关。根据顶点的密度或集中质量，将力转换为加速度。然后，可以使用任何时间积分方案首先根据加速度计算速度，然后根据速度计算位置。一些方法使用冲力而不是力量来控制动画。由于冲力直接改变速度，因此可以跳过一级积分。

在计算机图形学中，尤其是在计算机游戏中，经常需要直接控制对象或网格顶点的位置。用户可能希望附加平均运动学对象，或确保顶点始终保持在碰撞对象之外。本发明提出的方法在此处直接作用于使此类操作容易的位置。此外，基于位置的方法可以直接控制集成，从而避免与显式集成相关的过冲和能量获取问题。因此，基于位置的动力学的主要特征和优点是(1)基于位置的仿真可控制显式集成，并消除了典型的不稳定问题。(2)在仿真过程中，可以直接操纵顶点的位置和对象的一部分。(3)提出的公式允许处理基于位置的设置中的一般约束。(4)基于显式位置的求解器易于理解和实现。

发明内容

本发明的目的在于克服图形学基于物理的自然场景仿真与绘制领域对雪崩现象的高效仿真的方法缺失，提供一种基于位置动力学的雪崩模拟方法，其针对雪崩场景特点实现了雪流不同参数化模型，并且使用多种技术，实现雪崩模拟结果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于位置动力学的雪崩场景模拟方法，包括以下步骤：

1)将雪山山体雪层离散化为粒子，对所有粒子进行属性初始化；

2)根据粒子在当前t时刻的准确位置和受力情况，引入速度阻尼，得到t+Δt时刻所有粒子的预测速度和预测位置；