[發明專利]基于細節捕獲和形態校正的流體動畫渲染方法

有效

• 申請號: 201210509971.X
• 申請日: 2012-12-03
• 公開（公告）號: CN102938160A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 吳簫鉞;楊旭波;楊陽
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06T13/00
• 分類號: G06T13/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

1.一種基于細節捕獲和形態校正的流體動畫渲染方法，其特征在于，通過在初始場景上根據Navier-Stokes方程進行流體模擬并對速度場進行優化；然后采用半拉格朗日方法根據優化高精度速度場對相應的密度場和溫度場進行更新，以用于渲染和下一幀模擬；最后將更新后的密度場渲染為流體動畫；所述的優化包括：

細節捕獲：對更新后的速度場構建泊松方程，并且利用離散正弦變換算子計算結果，然后用光滑迭代方法迭代，得到高精度速度場；

形態校正：根據迭代后的高精度速度場計算高精度散度場，然后利用降采樣或者八叉樹方法對高精度散度場進行降維操作，得到低精度的散度場，在這個低精度散度場上構建偏差泊松方程，求解偏差泊松方程，得到低精度的偏差速度場，將這個低精度的偏差速度場上采樣之后與細節捕獲得到的高精度速度場進行結合，以校正細節捕獲的結果，得到優化高精度速度場。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述流體動畫渲染方法具體包括以下步驟：

步驟一，根據需要得到的流體動畫的要求，對模擬空間進行網格化，并設置初始場景；

步驟二，在初始場景上根據Navier-Stokes方程進行流體模擬并通過細節捕獲和形態校正對速度場進行優化，得到優化高精度速度場；

步驟三，采用半拉格朗日方法根據優化高精度速度場對相應的密度場和溫度場進行更新，以用于渲染和下一幀模擬；最后將更新后的密度場渲染為流體動畫；

所述的初始場景包括：初始速度場、初始密度場和初始溫度場、流體模擬過程中的力場條件和邊界條件，以及時間步長。

3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的流體模擬是指：在初始場景的速度場上采用半拉格朗日的方法進行Navier-Stokes方程中的對流項的計算，得到對流模擬后的速度場，并在該對流后的速度場上根據初始場景的流體模擬過程中的力場條件對速度場進行更新。

1、根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的細節捕獲，具體包括以下步驟：

1）通過高精度速度場按照原有壓強項的方式構建泊松方程；

2）用離散正弦變換算子求解泊松方程，得到高精度壓強場；

3）用光滑迭代方法在高精度壓強場的基礎上迭代，得到離散正弦變換算子沒有捕獲完全的細節，得到完全高精度壓強場；

4）用完全高精度壓強場對速度場進行更新，得到包含流體細節的高精度速度場。

4.根據權利要求4所述的方法，其特征是，所述的迭代次數為3-4次。

5.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的形態校正，具體包括以下步驟：

i）利用高精度速度場計算每個網格的散度，得到高精度散度場；

ii）將高精度散度場降采樣得到規整低精度散度場，并：

a）根據規整低精度散度場構建低精度偏差泊松方程，或

b）根據流體模擬過程中的邊界條件構建八叉樹，由生成的八叉樹的結構分布高精度散度場，得到以八叉樹結構分布的散度場，并在這個散度場上生成偏差泊松方程，該偏差泊松方程將會比直接在高精度散度場上構建的泊松方程規模要小許多倍；

iii）對偏差泊松方程采用預處理共軛梯度法求解，得到對應的規整低精度壓強場或八叉樹結構分布壓強場；

iv）利用規整低精度壓強場或八叉樹結構分布壓強場計算偏差速度場，然后將偏差速度場進行上采樣得到偏差高精度速度場，并將其與高精度速度場結合，得到優化高精度速度場。

6.根據權利要求1或6所述的方法，其特征是，所述的形態校正，所述的八叉樹方法中八叉樹的構建是由初始場景中的流體模擬過程中的邊界條件確定，在邊界條件復雜的地方，分布八叉樹結構的小網格，在流體中則分布大網格。

7.根據權利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的渲染采用pbrt渲染引擎進行。