[發(fā)明專利]一種基于二層規(guī)則網(wǎng)格的SPH流體表面重建方法

有效

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• 申請日: 2016-02-04
• 公開（公告）號: CN105760588B
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發(fā)明（設計）人: 蘇天赟;吳蔚;劉海行;賈貞;李新放;宋轉玲;周林
• 申請（專利權）人: 自然資源部第一海洋研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 山東濟南齊魯科技專利事務所有限公司 37108
• 代理人: 趙明媚

本發(fā)明提供一種基于二層規(guī)則網(wǎng)格的SPH流體表面重建方法，該方法基于CUDA平臺并行實現(xiàn)，將整個模擬區(qū)域進行網(wǎng)格邊長為2r的L1層粗粒度網(wǎng)格劃分，待確定該層中流體表面附近區(qū)域的網(wǎng)格后，進一步細分成L2層精細網(wǎng)格；具體包括以下步驟：S1：確定模擬區(qū)域表面網(wǎng)格頂點；S2：計算標量值；S3：網(wǎng)格三角化。本發(fā)明的一種二層規(guī)則網(wǎng)格空間數(shù)據(jù)結構，提高了網(wǎng)格頂點在顯存中存儲的空間局部性，通過減少數(shù)據(jù)在顯存和計算單元間的傳輸次數(shù)，大大提高了表面重建算法的整體運算效率,達到實時、高效渲染的目的。

技術領域

本發(fā)明屬于流體現(xiàn)象模擬技術領域，具體涉及一種基于二層規(guī)則網(wǎng)格的SPH流體表面重建方法。

背景技術

光滑粒子流體動力學SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)模型被廣泛應用到不同的流體現(xiàn)象模擬中，例如煙霧、泡沫、沙粒及基于大規(guī)模數(shù)據(jù)的復雜流體現(xiàn)象模擬等。它將連續(xù)的流體介質用離散的粒子表示，每個粒子承載各種物理量，包括質量，密度，速度等，通過跟蹤每個粒子的運動軌跡，獲取流體整體的運動行為。

在計算機圖形學中，為了達到逼真的渲染效果，通常需要對基于粒子的流體模擬結果進行表面重建，即將離散的粒子進行表面提取，并用連續(xù)的網(wǎng)格進行表示。Lorensenand Cline提出的Marching Cubes(MC)方法是一種經(jīng)典的等值面提取算法，它以整個模擬空間的三維標量域作為輸入進行流體表面的提取，而三維標量域的計算及存儲方式又對最終構網(wǎng)質量及效率產(chǎn)生很大影響。根據(jù)不同的網(wǎng)格劃分方式通常分為規(guī)則網(wǎng)格和自適應網(wǎng)格兩種構網(wǎng)方法。規(guī)則網(wǎng)格方法將整個模擬區(qū)域劃分成規(guī)則網(wǎng)格，計算并存儲每一個網(wǎng)格頂點的標量值，如Müller、Zhu and Bridson、Solenthaler等人的方法。該類方法優(yōu)點是實現(xiàn)簡單快捷，并可通過并行計算的方法提高效率，但由于最終提取表面相對于整個空間只是很薄的一層，該方法不可避免造成存儲和計算上的冗余。自適應網(wǎng)格方法在流體表面附近區(qū)域用精細網(wǎng)格表示，而遠離表面的區(qū)域用粗糙網(wǎng)格表示，常用方法有八叉樹等，如Strain、Frisken等人的方法。該類方法可降低存儲空間的占用，減少不必要網(wǎng)格頂點標量值的計算，但算法的并行實現(xiàn)較困難，同時八叉樹等數(shù)據(jù)結構的構造、更新及查詢算法復雜，對整體效率產(chǎn)生影響。

目前一種較為先進的方法是Solenthaler等人提出的基于規(guī)則網(wǎng)格劃分的并行narrow-band方法。該方法將模擬區(qū)域劃分成規(guī)則網(wǎng)格，相比于傳統(tǒng)的計算并存儲所有網(wǎng)格點的標量值，該方法只提取出流體表面附近區(qū)域的網(wǎng)格點進行計算，整個算法的框架基于并行方法實現(xiàn)。

普通規(guī)則網(wǎng)格法雖然實現(xiàn)簡單，但在存儲和運算效率上都存在缺陷，本發(fā)明正是基于這些缺陷進行改進，達到了提高存儲和運算效率的目的；

另一種基于規(guī)則網(wǎng)格進行劃分的是自適應多層網(wǎng)格法(例如Akinci等人的三層網(wǎng)格法)，該方法根據(jù)流體表面的曲率決定采用的網(wǎng)格級別，曲率大的采用更精細的網(wǎng)格，曲率小的采用較粗糙的網(wǎng)格，這在保證構網(wǎng)質量的基礎上，提高了存儲效率。但是，該方法由于存在不同網(wǎng)格層次間三角形的銜接問題，很難用并行方式實現(xiàn)，因此難以獲取較高的運算效率。

相比于規(guī)則網(wǎng)格法，八叉樹法也能達到自適應構建網(wǎng)格以降低存儲占用的目的，但是八叉樹數(shù)據(jù)結構本身的構造及結點查詢復雜度高，并且也難以用并行方式實現(xiàn)，與流體表面重建的整體并行框架不能很好的結合，因此目前較少采用此方法。

發(fā)明內(nèi)容

為降低流體表面構網(wǎng)的存儲消耗、提高運算效率，本發(fā)明提供了一種基于二層規(guī)則網(wǎng)格的SPH流體表面重建方法，在保證構建高質量的流體表面網(wǎng)格基礎上，進一步優(yōu)化算法的存儲和計算效率，實現(xiàn)針對大數(shù)據(jù)量流體粒子的表面高效準確渲染。

本發(fā)明的具體技術方案如下：