[發明專利]基于屏幕空間的SPH流體表面實時繪制方法

無效

• 申請號: 201310636586.6
• 申請日: 2013-12-01
• 公開（公告）號: CN103679802A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 郝愛民;夏清;李帥;王莉莉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T15/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種基于屏幕空間的SPH流體表面實時繪制方法。

背景技術

近幾十年來，針對流水、煙霧等流動物體的仿真研究發展迅速。該領域的研究涉及流體動力學、數值計算、微積分以及計算機圖形學等多個學術方向，在游戲娛樂、科學計算、仿真訓練等方面具有很高的實用價值，也一直都是一個非常具有挑戰性的研究熱點。近幾年來，隨著多核CPU、GPU并行處理技術的普及，基于流體的建模與仿真技術得到了迅猛發展，成為計算機圖形學領域新的研究熱點，而借助于GPU并行加速計算，在特定范圍和精度下的流體模擬已經基本可以滿足實時交互的需要。

基于物理流體模擬技術需要對三維空間中的流體力學方程進行求解，因而具有非常高的計算復雜度，目前主要有基于粒子的拉格朗日方法和基于網格的歐拉方法。近年來，無網格方法逐漸成為解決工程科學問題的一個有效工具。與傳統的基于網格的數值方法，如有限元、有限差分和有限容積等不同，無網格粒子方法使用離散的粒子對積分形式或微分形式的控制方程進行離散和近似。這些粒子可以任意分布，而并非由某種網格聯系在一起。這樣就避免了病態網格引起的不穩定問題，而且可以方便的處理斷裂等拓撲改變問題。

SPH方法使用一組粒子來離散所模擬的連續介質（流體或固體），每個粒子代表宏觀連續領域的介質團，伴隨介質的運動以當地速度移動，是一種典型的拉格朗日方法。SPH方法中粒子不僅用于估算場變量與近似控制方程，也代表介質系統，具有諸如密度、壓力、速度、內能等宏觀物理量。

SPH流體仿真方法使用大量的離散粒子來仿真流體的物理行為，但缺少顯式的可用于視覺表現的流體表面幾何信息，因此高效的動態流體表面提取算法已成為制約流體仿真效果實時逼真呈現的主要瓶頸之一。

為了解決上述問題，本發明提出了一種基于屏幕空間的SPH流體表面實時繪制方法，以流體表面實時跟蹤與逼真繪制為目標，圍繞基于屏幕空間的加速計算方法展開研究，首先從視點位置生成三維空間中流體的深度圖，并對其進行平滑濾波來視點相關地動態提取流體表面，然后結合環境映射、流體反射、折射等光學效果，并通過模擬流體與虛擬場景中其他三維實體的交互作用，基于GPU實現了柔體和流體交互場景的實時逼真繪制。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服了現有的流體表面提取和繪制方法的效率問題，提供了一種基于屏幕空間的SPH流體表面實時繪制方法。并通過使用基于GPU的數據結構和算法，滿足了對流體運動過程進行實時模擬渲染的需要。

本發明采用的技術方案為：一種基于屏幕空間的SPH流體表面實時繪制方法，包括以下三個步驟：

步驟（1）、流體的物理仿真：通過由SPH方法來對流體進行物理仿真，利用GPU動態地并行計算所有光滑流體粒子的位置、密度信息，作為整個表面繪制方法的輸入數據；

步驟（2）、流體的表面提取：從視點位置出發，將步驟（1）計算得到的每一個粒子按照位置和大小繪制成粒子球，截取當前視點下的深度信息和厚度，得到表面深度圖和厚度圖，然后采用雙邊濾波器對表面深度進行平滑處理，以此作為近似的流體表面；

步驟（3）、流體的實時逼真繪制：步驟（2）中計算得到的平滑深度圖作為近似流體表面，基于在步驟（2）中動態生成的厚度圖，根據比爾-朗伯定律來計算流體的透明度；同時，在基于深度圖進行流體表面法線計算的基礎上，通過結合馮氏光照模型和延遲著色技術，來實時模擬流體表面的反射、折射效果；

以上所有操作和計算都在GPU上進行，具有高度并行性，而且避免了由顯存和內存的數據交換帶來的時間消耗，具有很高的實時性。

進一步的，步驟（1）中所述的流體的物理仿真方法，該方法使用一組離散粒子表示流體，利用平滑核函數近似粒子的物理參數，將納維－斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程轉化為只與時間相關的離散形式的微分方程，再利用積分方法求解。

進一步的，步驟（2）中所述的流體表面提取方法，該方法將流體粒子以小球的方式進行繪制，通過截取到的深度圖來近似的代替流體表面。

進一步的，步驟（3）中所述的通過結合馮氏光照模型、比爾-朗伯定律和延遲著色技術，來實時模擬流體表面的光學效果。

進一步的，步驟（1）、（2）、（3）中所述所有操作和計算都在GPU上進行，除了預處理階段，沒有顯存和內存的數據交換，所有操作和計算都是利用CUDA和OpenGL技術并行處理。

本發明的原理在于：