[發(fā)明專利]一種基于物理的融化現(xiàn)象逼真模擬方法

有效

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• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107798198B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張鳳全;蔡興泉;王輝柏;李晉宏
• 申請（專利權(quán)）人: 北方工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F30/28;G06T13/60;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

本發(fā)明涉及一種基于物理的融化現(xiàn)象逼真模擬方法，適用于自然世界中融化現(xiàn)象的建模，步驟為：(1)根據(jù)粒子模型，建立物體從固態(tài)到液態(tài)的粒子關(guān)系、熱量傳遞模型、熱源輻射溫度模型計(jì)算方式；(2)使用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)模型與界面力學(xué)理論計(jì)算液滴表面張力模型；(3)液滴生成后，還需建立液滴與固體之間流動(dòng)時(shí)粘附力模型，以完成液滴的真實(shí)感流動(dòng)，再進(jìn)一步繪制得到真實(shí)感效果。本發(fā)明能夠快速獲得保護(hù)細(xì)節(jié)的融化現(xiàn)象，并設(shè)計(jì)了物體融化所需的熱量傳遞模型、約束液滴行為的表面張力模型、以及體現(xiàn)融化流動(dòng)的粘附力模型。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)常見的物體融化場景的逼真模擬，方法簡潔、穩(wěn)定性好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于物理的融化現(xiàn)象逼真模擬方法，具體地說是一種基于物理的圖形學(xué)動(dòng)畫模擬方法，其部分技術(shù)涉及到粒子建模、能量模型、表面張力模型、交互算法以及力學(xué)相關(guān)理論。主要應(yīng)用于各種真實(shí)物體三維逼真模擬，特別是應(yīng)用于娛樂游戲、電影特效等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

物質(zhì)的狀態(tài)變化在生活中較為普遍，如巧克力的融化，水的凝固、蒸發(fā)等。狀態(tài)變化現(xiàn)象特效在電影與游戲中存在廣泛的應(yīng)用。基于物理的自然現(xiàn)象真實(shí)感模擬是解決此類問題非常有效的途徑。雖然基于物理的方法能模擬較多的液體交互行為，但是精確模擬具有豐富細(xì)節(jié)的融化現(xiàn)象存在較大難度。基于網(wǎng)格的物理方法需要設(shè)置高分辨率的網(wǎng)格，增加了計(jì)算復(fù)雜度，并且在數(shù)值擴(kuò)散中容易造成液體的損失，影響到仿真的真實(shí)度。因此，在基于物理的融化模擬中既要減少計(jì)算代價(jià)，又需要盡可能的保持逼真的視覺效果。

為了克服網(wǎng)格法的不足，一種無網(wǎng)格的純拉格朗日方法---光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)在處理自由表面、變形邊界、運(yùn)動(dòng)交界面以及大變形問題中具有很好的優(yōu)勢，受到很多學(xué)者的關(guān)注。該方法在計(jì)算空間導(dǎo)數(shù)時(shí)不需要使用任何網(wǎng)格，而是通過一個(gè)稱為“核函數(shù)”的積分核進(jìn)行核函數(shù)估值，將流體力學(xué)基本方程組轉(zhuǎn)換為數(shù)值計(jì)算的SPH方程。在SPH方法中，整個(gè)流場被離散成一系列粒子，所有物理量由這些粒子負(fù)載。這些粒子可以按流體力學(xué)流動(dòng)的規(guī)律任意流動(dòng)，每個(gè)粒子都攜帶了一些物理信息，如質(zhì)量、速度、密度、受力等。由于計(jì)算中網(wǎng)格被插值公式中的解析微分式子所代替，該方法避免了高維拉式差分網(wǎng)格法中的網(wǎng)格纏結(jié)和扭曲等難以解決的問題。文獻(xiàn)1-CarlsonM.,Mucha P.,III B.V.H.,Turk G.MeltingandFlowing.In Proc.ACM SOGGRAPHSymposium on Computer Animation,2002,pp.167-174,提出了基于N-S方程的物體融化方案，然而文中并沒有實(shí)現(xiàn)液滴行為的融化效果。文獻(xiàn)2-Paiva A.,Petronetto F.,LewinerT.,Tavares G.:Particle-based non-newtonian fluid animation for meltingobjects.In Sibgrapi,2006,pp.78–85.提出了基于粒子的非牛頓物體融化仿真方法，設(shè)計(jì)了具有高粘性的物體融化模型，然而該文沒有考慮固體和液體間的耦合關(guān)系，無法獲得更真實(shí)的融化動(dòng)畫。文獻(xiàn)3-Solenthaler B.,Schlafli J.,Pajarola R.,A unifiedparticle model for fluid-solid interactions.Computer Animation and VirtualWorlds 18,1 2007,pp.69–82.本文開發(fā)一種統(tǒng)一的粒子模型，可用于融化、凝固、融合、分離等現(xiàn)象的仿真，然而無法滿足具有液滴現(xiàn)象的融化場景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于物理的融化現(xiàn)象逼真模擬方法，該方法采用基于粒子的建模形式，既可以擺脫傳統(tǒng)網(wǎng)格法存在的諸多缺陷，又可以很好地保護(hù)融化現(xiàn)象的細(xì)節(jié)。該方法使用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法，構(gòu)建了熱量傳遞模型，實(shí)現(xiàn)了不同屬性粒子的耦合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了融化過程中的行為，以及保護(hù)了液滴在冰表面的流動(dòng)，水滴的形成等細(xì)節(jié)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種基于物理的融化現(xiàn)象逼真模擬方法，步驟包括：