[发明专利]容器内流体粒子沸腾时的视觉仿真方法及电子设备

说明书

本发明提供一种容器内流体粒子沸腾时的视觉仿真方法及电子设备，所述容器内流体粒子沸腾时的视觉仿真方法包括：构建一虚拟的容器和置于容器内的流体粒子，向容器施加外力，预测容器内的流体粒子的位置，求解流体粒子不可压约束，并基于流体粒子之间的内力对流体粒子速度进行更新；获取流体粒子的动能参数，对流体粒子的沸腾进行仿真；对所述容器空间进行划分，生成穿透修正约束，并求解所述穿透修正约束将产生穿透的流体粒子投影回所述容器中。本发明能够较为轻松地实现高效的沸腾仿真，有效解决现有技术中难以模拟剧烈的沸腾现象的技术问题。

技术领域

本发明涉及视觉动画处理技术领域，特别是涉及动画模拟的优化领域。

背景技术

我们每时每刻呼吸的空气，再到占据地面超过70％的海洋，流体在人类生活中无处不在。无论是汹涌的海浪，飞舞的火焰，还是潺潺的小溪，流体的运动涉及复杂多变的视觉效果，使其成为视觉动画中一个经久不衰的研究领域。

经过多年的不断研究，通过算法优化、GPU并行计算等方式已经可以实现流体的实时仿真。基于位置的流体方法(Position Based Fluids,PBF)使用基于位置的思想，减少了多次积分带来的高性能开销、可控性低等问题，并通过施加不可压缩性约束，能够在较低地性能开销下维持流体粒子的恒定密度。通过CUDA、Compute Shader等GPU并行计算编程语言，可以在GPU上实现基于位置的流体方法，在实时性能的情况下也能展现出不俗的视觉效果。

然而，目前流体仿真面临缺乏多样性、可交互性差等问题，极大地限制了其在实时交互软件中的应用。目前的流体实时仿真研究大多聚焦于模拟流体自身的物理运动，而较少涉及流体相关的其他复杂现象，例如蒸发、沸腾、结冰等。现有的流体沸腾仿真方法主要是对气泡的生成、变型、消失过程进行建模，通过气体粒子对液体粒子进行推动，进而模拟出沸腾的现象。然而这样基于气泡的方法会带来很大的性能开销，并且使得沸腾现象的视觉效果难以控制。另一方面，因为流体粒子的半径相对较小，而用户交互过程及沸腾过程会引发相对较高的移动速度，流体粒子会因离散碰撞失效而从固体容器侧壁穿透溢出，进而造成不真实的视觉效果。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种容器内流体粒子沸腾时的视觉仿真方法及电子设备，用于解决现有技术中视觉动画中难以模拟流体粒子剧烈的沸腾现的技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种容器内流体粒子沸腾时的视觉仿真方法，包括：构建一虚拟的容器和置于容器内的流体粒子，向容器施加外力，预测容器内的流体粒子的位置，求解流体粒子不可压约束，并基于流体粒子之间的内力对流体粒子速度进行更新；获取流体粒子的动能参数，对流体粒子的沸腾进行仿真；对所述容器空间进行划分，生成穿透修正约束，并求解所述穿透修正约束将产生穿透的流体粒子投影回所述容器中。

于本发明的一实施例中，所述向容器施加外力，预测容器内的流体粒子的位置包括：根据粒子空间位置分布进行重排序；根据施加的外力更新流体粒子位置及流体粒子速度；记录每个流体粒子的邻居粒子；基于流体粒子位置、液体粒子速度、流体粒子的邻居粒子以及施加的外力预测液体粒子位置。

于本发明的一实施例中，所述基于流体粒子位置、液体粒子速度、流体粒子的邻居粒子以及施加的外力预测液体粒子位置的一种实现方式为：

其中为粒子i的预测位置，x_i为粒子i的初始位置，Δt_s为迭代时间步长，v_i为粒子i的速度，m为粒子质量，f_ext(xi)为位置x_i处受到的外力向量。

于本发明的一实施例中，所述求解流体粒子不可压约束的一种实现方式为：