[發(fā)明專利]一種干燥顆粒流實時仿真與交互方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201810866039.X | 申請日： | 2018-08-01 |
| 公開（公告）號： | CN109359312B | 公開（公告）日： | 2022-11-15 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 何小偉;朱奎鑫;汪國平;王宏安;李勝 | 申請（專利權(quán)）人： | 中國科學(xué)院軟件研究所;北京大學(xué) |
| 主分類號： | G06F30/20 | 分類號： | G06F30/20 |
| 代理公司： | 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200 | 代理人： | 司立彬 |
| 地址： | 100190 *** | 國省代碼： | 北京;11 |
| 權(quán)利要求書： | 查看更多 | 說明書： | 查看更多 |
| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 干燥 顆粒 實時 仿真 交互 方法 | ||
本發(fā)明公開了一種干燥顆粒流實時仿真與交互方法，其步驟包括：1)利用淺沙方程對干燥顆粒流動力學(xué)進行建模；2)利用二維高度場對模型離散化，得到高度場每個網(wǎng)格單元存儲干顆粒流的深度及水平運動速度；3)采用三維均勻網(wǎng)格對距離高度場表面設(shè)定深度以內(nèi)的區(qū)域離散化；4)利用水平運動速度對3)離散化所得各網(wǎng)格單元中的干燥顆粒沿顆粒流的水平速度方向進行平流操作；然后對干燥顆粒的垂直坐標進行變換，使得干燥顆粒沿著干燥顆粒場的表面運動；5)對高度場施加壓強力和摩擦力進行速度更新，并用更新后的速度對顆粒流沿其水平速度方向進行平流操作；6)重復(fù)3)～5)之間的操作并更新時間，直到達到設(shè)定的仿真終止條件。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于計算機圖形學(xué)與人機交互領(lǐng)域，具體涉及一種基于淺沙方程的干燥顆粒流實時仿真與交互方法。
背景技術(shù)
顆粒介質(zhì)是地球上繼水之后人類第二大最常接觸的物質(zhì)。嚴格地說，顆粒狀物質(zhì)是指包含大量不連續(xù)的固體顆粒的集合，其間隙填充有流體或氣體。一方面它表現(xiàn)出類似流體的行為，另一方面其也具備一定固體的特性。沙子一方面可以像流體一樣流動形成任意形狀，另一方面則可以在靜止的時候像固體形成不同高度的沙堆。盡管研究人員已經(jīng)對顆粒流的物理學(xué)開展了大量研究，其運動機理依然沒有被完全摸清。實驗表明，顆粒流的動力行為不僅取決于顆粒質(zhì)量，還取決于其他因素，如顆粒大小，顆粒形狀，含水飽和度等。如何高效模擬可能包含數(shù)百萬乃至數(shù)億顆粒的顆粒流，長期以來一直被認為是數(shù)值模擬的難題。
本發(fā)明主要針對一種特殊的粒狀介質(zhì)——干燥顆粒流進行實時仿真。如果顆粒大小足夠大(如尺寸大于100μm)且顆粒間的粘度足夠小，則本發(fā)明可以忽略所有微觀的力(如靜電，空氣動力學(xué)和毛細管力)對干燥顆粒流的動力學(xué)進行簡化。此時，本發(fā)明可以忽略凝聚力，從而僅考慮動量轉(zhuǎn)換和能量耗散來建模干燥顆粒流的動力學(xué)。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中，干粒狀流近似的采用單側(cè)不可壓縮流體模型[Rahul Narain,Abhinav Golas,and Ming CLin.2010.Free-flowing granular materials with two-way solid coupling.ACMTransactions on Graphics(TOG)29,6,2010]或基于Drucker-Prager的彈塑性材料模型[Gergely Kl′ar,Theodore Gast,Andre Pradhana,Chuyuan Fu,Craig Schroeder,Chenfanfu Jiang,and Joseph Teran.2016.Drucker-prager Elastoplasticity forSand Animation.ACM Trans.Graph.35,4,2016]進行模擬。然而這些方法只適用于三維場景。一旦顆粒流場景較大，其仿真的效率將會受到嚴重影響，無法滿足實時應(yīng)用對于仿真效率的要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對傳統(tǒng)方法仿真干燥顆粒流效率低的問題，提供一種干燥顆粒流實時仿真與交互方法。本發(fā)明利用淺沙方程對干燥顆粒流動力學(xué)進行建模，以及通過降維技術(shù)將三維運動控制方程轉(zhuǎn)化為二維運動控制方程，從而極大的降低了仿真計算量，同時通過采用GPU對算法進行并行求解，使得大規(guī)模干燥顆粒流的實時仿真成為可能。
具體來說，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種基于淺沙方程的干顆粒流實時仿真與交互方法，其具體步驟包括：
(1)針對干燥顆粒流的特性，提出淺沙方程對干燥顆粒流動力學(xué)進行建模，得到干燥顆粒流動力學(xué)模型；
(2)利用二維高度場對得到的干燥顆粒流動力學(xué)模型進行離散化，得到高度場每個網(wǎng)格單元存儲干顆粒流的深度及水平運動速度；
(3)針對步驟(2)得到的高度場，對距離高度場表面設(shè)定深度h以內(nèi)的區(qū)域進一步采用三維均勻網(wǎng)格進行離散化，其中每個網(wǎng)格單元包含0個或者1個粒子用于存儲干燥顆粒的位置；
(4)針對步驟(2)得到的高度場施加壓強力，并更新得到新的速度；
該專利技術(shù)資料僅供研究查看技術(shù)是否侵權(quán)等信息，商用須獲得專利權(quán)人授權(quán)。該專利全部權(quán)利屬于中國科學(xué)院軟件研究所;北京大學(xué)，未經(jīng)中國科學(xué)院軟件研究所;北京大學(xué)許可，擅自商用是侵權(quán)行為。如果您想購買此專利、獲得商業(yè)授權(quán)和技術(shù)合作，請聯(lián)系【客服】
本文鏈接：http://www.szxzyx.cn/pat/books/201810866039.X/2.html，轉(zhuǎn)載請聲明來源鉆瓜專利網(wǎng)。
