[發明專利]一種基于物理的三維云運動演化方法

有效

• 申請號: 201910298027.6
• 申請日: 2019-04-15
• 公開（公告）號: CN110096766B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 梁曉輝;張自立
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;鄧治平

本發明公開了一種基于物理的三維云運動演化方法，屬于計算機圖形學領域，該方法以兩張自然積云圖像為輸入，可以實現自動從初始三維積云形狀運動演化到目標形狀。首先，根據從給定的兩張積云自然圖像中分別重建三維積云模型，并對第一個三維積云模型進行粒子采樣獲得云粒子數據；其次求解積云在大氣運動過程中的熱力學方程、狀態變化方程和運動方程，實現積云的物理運動過程；再次，采用PBF方法在運動過程中維持云粒子的密度不變，保證積云在運動過程中的不可壓縮性；然后，通過對目標形狀進行表面粒子采樣，結合流固交互策略，實現云粒子與目標形狀的耦合；最后，根據積云的前后時間幀的運動狀態調節積云在運動過程中受到的外力，驅動積云的物理運動過程直至最終形狀與目標形狀一致。

技術領域

本發明屬于計算機圖形學領域，特別積云仿真領域，具體涉及一種基于物理的三維云運動演化方法。

背景技術

隨著生活水平的提高與科技的不斷進步，人們對數字化產品中的真實感與可互動性的要求也不斷提高。作為真實世界的重要組成部分，流體在人們的生活和生產活動中隨時隨地都可遇到，其基本特征是沒有固定的形狀，具有高動態性。云作為一種流體類型，它的模擬已成為計算機圖形學和虛擬現實技術中的熱門課題。在戶外場景仿真中，如果天空中加入云的模擬，將增強整個場景的逼真度，獲得較好的視覺效果；在三維游戲中，虛擬的云將極大提高玩家的游戲體驗；在飛行視景中，對云的模擬可以增強飛行訓練人員在天空場景中的視覺感受；在氣象研究中，云的模擬則能夠對大氣物理變化過程的解讀具有重要作用。

雖然云作為流體中的一類，包含流體運動過程中的許多通性，但在計算機仿真中大部分流體仿真方法一般只能應用于水、油等液體上。在基于物理的流體仿真過程中，每幀運動參數的產生是由計算機對控制流體運動的高階連續偏微分物理方程進行數值離散求解，自動生成下一時刻的運動狀態。而在計算機模擬云運動時，因為云在運動過程中的特有性質，例如溫度、大氣壓強對云的運動的影響等，基于物理的流體仿真方法并不能直接應用于云的運動演化研究方面。

作為一種常見的自然現象，云的形狀千變萬化，形成、發展和消散的過程及其復雜，且具有水汽粒子的半透明特征，期望利用基于物理的流體運動方法進行三維云的運動演化是非常困難的。在圖形學領域，云的動態仿真分為基于過程和基于物理的方法。基于過程的方法利用粒子系統、噪聲紋理或者交互式的手段對云進行建模，通常需要經歷繁瑣的參數調節；后者則通過求解簡化的Novier-Stokes方程，模擬云生成的物理過程，這種方法耗時大。

發明內容

本發明要解決的技術問題為：克服現有技術的不足，提供一種基于物理的三維云運動演化方法，能夠快速、自動地實現積云從初始形狀運動演化到目標形狀。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案為：以兩張自然積云圖像為輸入，可以實現自動從初始三維積云形狀運動演化到目標形狀。首先，根據從自然圖像中重建三維積云形狀；其次求解積云在大氣運動過程中的熱力學方程、狀態變化方程和運動方程，實現積云的物理運動過程；再次，采用PBF方法在運動過程中維持云粒子的密度不變，保證積云在運動過程中的不可壓縮性；然后，通過對目標形狀進行表面粒子采樣，結合流固交互策略，實現云粒子與目標形狀的耦合；最后，根據積云的前后時間幀的運動狀態調節積云在運動過程中受到的外力，驅動積云的物理運動過程直至最終形狀與目標形狀一致。本發明引入大氣動力學和流體動力學指導積云的運動演化過程，能夠有效的提高積云場景演化的真實性和逼真度；仿真過程完全自動，效率較高。

本發明的一種基于物理的三維云運動演化方法，具體實現步驟如下：

步驟(1)：通過對從給定的第一張圖像中重建三維模型作為初始形狀，并對初始三維積云模型進行采樣得到云粒子數據，從給定的第二張積云圖像中重建積云對應三維積云模型將該模型作為目標形狀，再通過求解積云在大氣運動過程中的熱力學方程、狀態變化方程和運動方程，實現積云的物理運動，從而獲得演化的中間結果；