[發(fā)明專利]流體模擬渲染方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110319174.0
• 申請日: 2011-10-19
• 公開（公告）號: CN102509332A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡事民;李晨鋒;高岳;任博
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學
• 主分類號: G06T13/60
• 分類號: G06T13/60;G06T13/80
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機圖像渲染技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種流體模擬渲染方法及裝置。

背景技術(shù)

在計算機圖像渲染領(lǐng)域，通過求解Navier-Stokes方程進行流體模擬渲染的方法已經(jīng)取得了巨大的成功。

然而，在產(chǎn)生足夠的流體細節(jié)方面，流體模擬受到了當前有限的計算能力的制約，因而成為了研究人員一直以來關(guān)心的重要問題。與計算物理不同，流體模擬渲染結(jié)果并不需要與現(xiàn)實情況完全一致，只需在視覺上獲得令人滿意的效果。

這意味著可以利用視點的信息對流體的不同部分進行不同精度的模擬。這一技術(shù)通常被稱為“細節(jié)分層”技術(shù)。如Oliva?et?al.在2006年發(fā)表的“Hybrid?Images”中，利用了距視點較近的區(qū)域高頻分量較為重要，距視點較遠的區(qū)域低頻分量較為重要的特點，獲得了一定的模擬加速。

在3D流體模擬方面，針對如何控制在獲取更多細節(jié)中所需的計算量的問題，存在一些算法。如Losasso?et?al.在2004年發(fā)表的“Simulating?water?and?smoke?with?an?octree?data?structure”一文中，通過減少空間劃分網(wǎng)格中那些不含精細運動的部分的計算加速模擬。這一方法的缺點在于必須維護較為復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Kim等于2008年發(fā)表“Wavelet?turbulence?for?fluid?simulation”，提出利用低精度下的模擬結(jié)果指導高精度的模擬過程，使得藝術(shù)家調(diào)節(jié)過程中預覽的結(jié)果與最終結(jié)果較為一致。Yoon?et?al在2009年發(fā)表的“Procedural?synthesis?using?vortex?particle?method?for?fluid?simulation”一文，提出可以用“旋度子”來加入高頻率的渦旋效果。這些方法需要在Navier-Stokes方程之外引入其他變量，因此其模擬結(jié)果將與真實物理情形有所偏離。

在基于視點的模擬渲染方面，Barran等在2006年發(fā)表“ViewDependent?Fluid?Dynamics”一文中，將整個模擬區(qū)域劃分成為薄層結(jié)構(gòu)，但其視點被視作始終固定在場景一個定點，并且整個模擬區(qū)域內(nèi)的模擬精度相同，從而使流體模擬渲染速度較慢，并且浪費了系統(tǒng)資源。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種流體模擬渲染方法及裝置，其能夠提高流體模擬渲染的速度和精細度，同時可以有效地節(jié)約系統(tǒng)資源。

(二)技術(shù)方案

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種流體模擬渲染方法，包括以下步驟：

A：利用空間填充曲線將二維或三維空間的流體流場一維化；

B：根據(jù)用戶視點確定的流場內(nèi)不同區(qū)域的重要性，并利用經(jīng)驗模態(tài)分解算法將一維化后的流體流場分解為不同頻率的分量；

C：根據(jù)分解結(jié)果對所述不同頻率的分量進行不同精度的模擬；

D：將各分量的模擬結(jié)果加和得到總體的模擬結(jié)果作為輸出。

優(yōu)選地，所述步驟A進一步包括：以二維或三維的流體流場網(wǎng)格作為輸入，通過空間填充曲線逐個遍歷每個格點的速度矢量，輸出一維的流體流場。

優(yōu)選地，所述步驟B進一步包括：提取距離視點較近的區(qū)域中的高頻分量作為第一層，剩余部分加入距離視點次近區(qū)域進一步提取其中的高頻分量作為第二層，重復上述方法，直至流場被全部劃分為不同頻率與重要性的分層。

優(yōu)選地，所述步驟C進一步包括：對離視點較近、頻率較高的分量采用較高的精度進行模擬，而對離視點較遠，頻率較低的分量采用較低的精度進行模擬。

一種利用前述方法進行流體模擬渲染的裝置，包括：

一維化模塊，用于利用空間填充曲線將二維或三維空間的流體流場一維化；

流場分解模塊，用于根據(jù)用戶視點確定的流場內(nèi)不同區(qū)域的重要性，并利用經(jīng)驗模態(tài)分解算法將一維化后的流體流場分解為不同頻率的分量；

模擬渲染模塊，用于根據(jù)分解結(jié)果對所述不同頻率的分量進行不同精度的模擬；

加和模塊，用于將各分量的模擬結(jié)果加和得到總體的模擬結(jié)果。

優(yōu)選地，所述裝置還包括高維流場處理模塊，用于以二維或三維的流體流場網(wǎng)格作為輸入，通過空間填充曲線逐個遍歷每個格點的速度矢量，輸出一維的流體流場。

優(yōu)選地，所述裝置還包括分層模塊，用于提取距離視點較近的區(qū)域中的高頻分量作為第一層，剩余部分加入距離視點次近區(qū)域進一步提取其中的高頻分量作為第二層，重復上述方法，直至流場被全部劃分為不同頻率與重要性的分層。