[發(fā)明專利]一種基于GPU的三維流體模擬方法

有效

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• 申請日: 2011-10-24
• 公開（公告）號: CN102402791A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發(fā)明（設計）人: 郭華
• 申請（專利權）人: 克拉瑪依紅有軟件有限責任公司
• 主分類號: G06T13/20
• 分類號: G06T13/20
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所 11337
• 代理人: 趙建剛

技術領域

本發(fā)明涉及計算機圖形學領域，特別是涉及一種基于GPU的三維流體模擬方法。

背景技術

流體模擬是計算機圖形學和動畫的一個非常重要的技術，逼真的流體將為用戶帶來更真實的體驗。但流體的模擬很困難，因為正確的模擬流體行為，所述模擬流體行為包括對流，擴散，湍流及表面張力的模擬是很復雜的。

流體模擬通常有兩種方法：基于網格的流體模擬方法和基于粒子的流體模擬方法。

下面詳細介紹基于網格的流體模擬方法和基于粒子的流體模擬方法。

1)基于網絡的流體模擬方法是把流體堪稱是連續(xù)的，而把空間區(qū)域離散成網格，再使用有限差分法即歐拉模型來實現基于網格的流體模擬的全過程。

基于網格的流體模擬的方法的優(yōu)點是：可行性，是一個可以操作的方法；

基于網格的流體模擬的方法的缺點是：采用基于網格的流體模擬的方法對流，擴散，湍流及表面張力的模擬過程中需要計算的強度大，而且整個模擬過程不能逼真的模擬例如模擬空間有界的一些模擬效果。

2)基于粒子的流體模擬方法所采用的模型為拉格朗日模型，是把流體表示成一組離散的例子，通過求解粒子動力學來模擬整個流體運動的全過程。

基于粒子的流體模擬方法的優(yōu)點是：采用基于粒子的流體模擬方法對流，擴散，湍流及表面張力的模擬過程中涉及到的計算更加簡單，而且整個模擬過程中的表面重建更容易，流體可以在空間自由擴散。

目前被廣泛采用的基于粒子的流體模擬方法是光滑粒子流體動力學(SPH)方法，SPH是一種求解偏微分方程的數值方法，屬于無網格法的一種。由于SPH方法徹底擺脫了計算網格的約束，采用任意分布的粒子來表示求解域，不會遇到網格變形過大或網格畸變的問題，所以特別適合求解沖擊動力學中的大變形問題。同時由于SPH法是具有拉格朗日性質的動力學方法，所以可以方便的跟蹤物質的運動軌跡，適合描述流體界面的大變形運動過程以及流體與固體之間的相互作用。SPH方法作為一種具有無網格、自適應、穩(wěn)定以及拉格朗日性質的動力學求解算法，已經成為沖擊動力學研究的一個熱點問題，并在工程實踐中有著廣泛的應用前景。

SPH方法是把流體分為一組離散的粒子，粒子之間有空間距離，粒子的屬性在這個空間距離上使用內核函數來平滑。所有粒子的物理量可以通過累加在一定范圍內的所有粒子的相關屬性來獲得。粒子的物理量及其空間導數通過搜索光滑半徑內與其相互作用的粒子的物理量進行插值得到。這樣就簡化了流體力學偏微分方程組的求解過程，與傳統(tǒng)的流體模擬方法相比，采用SPH算法得到的模擬結果不僅可以真實的模擬流體流動的效果，還能實現流體表面的劇烈變形，甚至表面破碎，如浪花飛濺效果都可以逼真的模擬出來。

傳統(tǒng)的SPH算法本身還存在著邊界粒子計算精度低和張力不穩(wěn)定的固有缺陷。

SPH方法的更新過程是通過粒子模擬流體的運動規(guī)律來完成的，但這僅僅是完成了一個粒子系統(tǒng)的模擬，模擬后的結果還僅僅是一堆水粒子，還需要對模擬得到的模擬結果進行渲染。目前常見的渲染方法采用了基于點精靈的直接粒子渲染方法及基于等值面抽取(marching?cube)的表面渲染方法。下面分別介紹兩種常見的渲染方法，具體如下所述：

1)基于點精靈的直接渲染方法

首先在模擬中實現粒子的運動，然后渲染所有的粒子。這種方法的缺點是不易實現。

2)基于等值面抽取(marching?cube)的表面渲染方法

基于等值面抽取(marching?cube)的表面渲染方法所涉及的算法完全在CPU上執(zhí)行，從離散體密度場直接構建等值面的三角形網格。這種方法的優(yōu)點是簡單且容易實現；缺點是效率很低。

因而，目前需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是：如何找到一種新型的三維流體模擬方法，該方法是實現對三維流體模擬過程的簡單及實時操作。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的一個技術問題是提供一種基于GPU的三維流體模擬方法，該方法可以實現對三維流體模擬過程的簡單及實時操作。

為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于GPU的三維流體模擬方法，包括：

采集三維流體的數據信息并進行存儲，獲得三維流體的數據信息；

CPU對獲得的三維流體的數據信息進行預處理操作，獲得預處理的預處理結果；

GPU對獲得的三維流體的數據信息進行流體模擬，獲得三維流體的數據信息的流體模擬結果；

將所獲得的三維流體的數據信息的流體模擬結果進行渲染，獲得渲染后的三維流體的數據信息的流體模擬結果。