[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于粒子的粘液類(lèi)效果模擬方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011203522.3
• 申請(qǐng)日: 2020-11-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112307668A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張繁;黎美玲;劉鑫鋮;王章野
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/25
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/25;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于粒子的粘液類(lèi)效果模擬方法，將粘性流體離散成DFSPH粒子、APIC粒子、AGPs粒子，將ISPH方法應(yīng)用到粘性流體的模擬過(guò)程中,得到一個(gè)真實(shí)的且自由表面壓力分布均勻的粘性流體的粘性運(yùn)動(dòng)效果；引入隱式半拉格朗日框架到粘性流體的模擬過(guò)程中，在該框架下的半拉格朗日算法保證模擬過(guò)程的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，增大時(shí)間步長(zhǎng)，并迭代執(zhí)行模擬過(guò)程。本發(fā)明結(jié)合DFSPH和ISPH兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，并在模擬的粘性流體的鄰近表面處增加AGPs以消除粘液表面出現(xiàn)的偽影現(xiàn)象，采用隱式半拉格朗日法確保在粘性流體的模擬過(guò)程中提高模擬效率，節(jié)約計(jì)算資源的同時(shí)并保持模擬的穩(wěn)定性。本發(fā)明可以提高實(shí)現(xiàn)粘液類(lèi)流體特效的仿真效率和真實(shí)感。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于粒子的流體模擬，尤其涉及一種基于粒子的粘液類(lèi)效果模擬方法。

背景技術(shù)

流體模擬問(wèn)題涵蓋了計(jì)算流體力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多門(mén)學(xué)科，往往包含大量的物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)運(yùn)算，需要進(jìn)行合理準(zhǔn)確的抽象和建模，并通過(guò)計(jì)算機(jī)高效準(zhǔn)確地模擬仿真。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的研究得到了飛速的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、自然景象及災(zāi)害仿真模擬、游戲引擎研發(fā)和影視特效制作等領(lǐng)域，其中，對(duì)流體的模擬研究十分常見(jiàn)，但對(duì)粘性流體的模擬研究并不及流體模擬研究，比較缺乏。

粘性液體在影視制作中頻頻出現(xiàn)，但一些高難度的粘液類(lèi)物質(zhì)往往需要通過(guò)特效來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且需要耗費(fèi)大量的資金和人力成本。

例如，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最有效的SPH方法是單獨(dú)地對(duì)密度誤差進(jìn)行糾正來(lái)防止體積壓縮。然而，大多數(shù)方法都忽略了對(duì)于不可壓縮流體的連續(xù)性方程來(lái)說(shuō)是要求散度為零的速度場(chǎng)的，盡管有些方法考慮了速度散度，但效果要么是效率低下要么是產(chǎn)生一個(gè)明顯的密度波動(dòng)。

例如，在實(shí)際中，進(jìn)行粘性流體的模擬時(shí)，會(huì)存在計(jì)算資源的限制，當(dāng)使用SPH方法模擬大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景的粘性流體時(shí)，往往需要在計(jì)算時(shí)間成本和模擬效果這兩者之間做出抉擇，即當(dāng)使用的SPH粒子數(shù)量越多，模擬效果會(huì)更精確真實(shí)，但往往花費(fèi)的計(jì)算成本會(huì)更高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的步驟，提供一種基于粒子的粘液類(lèi)效果模擬方法，該方法結(jié)合DFSPH(Divergence-free smoothed particle hydrodynamics，散度為零光滑粒子流體動(dòng)力學(xué))和ISPH(Incompressible smoothed particle hydrodynamics,不可壓光滑粒子流體動(dòng)力學(xué))兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，并在模擬的粘性流體的鄰近表面處增加AGPs以消除粘液表面出現(xiàn)的偽影現(xiàn)象，將半拉格朗日法與隱式求解法相結(jié)合的方法，即隱式半拉格朗日法，該法能夠確保在粘性流體的模擬過(guò)程中提高模擬效率，節(jié)約計(jì)算資源的同時(shí)并保持模擬的穩(wěn)定性。本發(fā)明方法可以提高實(shí)現(xiàn)粘液類(lèi)流體特效的仿真效率和真實(shí)感及降低其實(shí)現(xiàn)所需的資金和人力的成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于粒子的粘液類(lèi)效果模擬方法，其包括以下步驟：

1)將粘性流體離散成三種粒子：DFSPH粒子、APIC粒子、AGPs粒子，其中AGPs粒子是具有虛假質(zhì)量的空氣鬼力粒子；

開(kāi)始時(shí)，通過(guò)累積求和APIC粒子的質(zhì)量和APIC粒子與DFSPH粒子相互關(guān)聯(lián)的weights得到DFSPH粒子的質(zhì)量；然后根據(jù)動(dòng)量守恒定律，由APIC粒子的動(dòng)量及上一步求出的DFSPH粒子的質(zhì)量得出DFSPH粒子的速度；APIC粒子下一時(shí)間步長(zhǎng)的速度由其當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)速度和時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算求得；DFSPH粒子的下一時(shí)間步長(zhǎng)的速度由APIC粒子下一時(shí)間步長(zhǎng)的速度及APIC粒子與DFSPH粒子相互關(guān)聯(lián)的weights計(jì)算求出；DFSPH粒子的下一時(shí)間步長(zhǎng)的位置由當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)所在位置和DFSPH粒子的下一時(shí)間步長(zhǎng)的速度及時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算得出；APIC粒子下一時(shí)間步長(zhǎng)的位置由DFSPH粒子的下一時(shí)間步長(zhǎng)的位置及APIC粒子與DFSPH粒子相互關(guān)聯(lián)的weights累積求和求得；