基于细节捕获和形态校正的流体动画渲染方法技术

一种计算机图像处理技术领域的基于细节捕获和形态校正的流体动画渲染方法，通过在初始场景上根据Navier-Stokes方程进行流体模拟并对速度场进行优化；然后采用半拉格朗日方法根据优化高精度速度场对相应的密度场和温度场进行更新，以用于渲染和下一帧模拟；最后将更新后的密度场渲染为流体动画。本发明专利技术可以通过速度很快的离散正弦变换算子捕获很多绚丽的细节，又可以通过降采样或八叉树方法对原始模拟方法中的最耗费时间的部分降低计算规模，同时对结果进行校正，达到同时加快模拟速度又保持流体模拟细节的作用。与现有技术相比，本发明专利技术拥有更快的模拟速度，并且能够获得更加精确的流体动画细节。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种计算机图像处理
的方法，具体是一种。
技术介绍
在计算机图形学领域，流体动画，包括水，烟，爆炸以及类似的现象，因为其丰富和绚丽的细节，开始变得越来越流行，使得电影，动画，游戏等领域中都采用增加流体动画的 绚丽程度的手段来吸引眼球。而且由于流体细节的复杂，使得流体模拟变得非常困难，因而吸引了越来越多的科学家投入流体模拟领域。现在流体模拟中比较令人信服的方法是欧拉法，由Jos Stam在《SIGGRAPH》上发表的《Stable Fluids)) (1999年)中，对原始的模拟方法进行了改进，在当时来说，获得了更理想的流体动画细节和更稳定的流体模拟结果，该方法的完整过程是先将流体速度场进行对流，然后对其应用外力项，最后进行压强项操作，即根据当前速度场和不可压缩条件，构建泊松方程，求解压强场，并利用求解出来的压强场更新速度场；这三步其实是对Navier-Stokes方程的分解，其中压强项操作是这个方法的精髓所在，它使得流体模拟的结果更稳定并且更接近与现实中的不可压缩流体的性质，但是同样的压强项操作也是这种方法的缺陷所在，它变成了基于这种方法的流体动画的模拟速度最大的瓶颈。在这个方法被提出之后的近十年时间中，大部分流体动画研究领域中的科学家都将精力集中在对这个方法的改进上，而以该流体模拟方法为基础的改进研究主要集中在两个方面一是如何增加流体动画的细节；一是如何加快流体模拟的速度。到目前为止，流体模拟中并没有效果比较信服同时模拟速度更快的改进方法。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102339326A，公开日2012-02-01，记载了一种“分析模拟缝洞型油藏流体流动的方法”，该方法提出了基于Navier-Stokes方程与Darcy方程稱合的油藏数值模拟方法,主要包括(I)建立复杂介质Navier-Stokes与Darcy f禹合数学模型；(2) Navier-Stokes与Darcy f禹合模型的数值计算方法；(3)将岩体与裂缝分开造型，各自造型不存在困难，对于裂缝的描述也清晰容易，裂缝数量及空间产状不受限制，特别是不要求裂缝上的节点与基岩节点完全重合，使得三维工作容易很多。并编写了数值模拟程序来实现本方法，本方法发展了缝洞型油藏数值模拟理论和方法，科学地实现了对缝洞型油藏的模拟。但该技术因涉及现实生活的基础设施，对模拟结果的计算精度要求导致该方法的模拟速度比较慢，不适合流体动画的要求，而且该方法局限于缝洞型油藏流体流动现象，对于一般的流体动画模拟则适用性不足。谭捷在《基于物理的流体动画研究》(上海交通大学，硕士论文，2009)中提出了一套通用的基于层次化网格的多层流体动画框架，用以解决目前流体模拟中传统欧拉方法所面临的诸多问题，如边界条件的离散、多尺度细节的捕捉等等。但该技术在不同层次之间压强场的处理理论性不足，而且计算结果与正确解，即最高精度网格上面求解泊松方程的结果，相似性不足，另外层次化网格的构造非常繁琐。任威在《大规模三维云实时模拟方法》(计算机辅助设计与图形学学报，2010，22(4))中提出一种大规模三维云实时模拟方法。在云建模方面，利用Navier-Stokes流体力学公式模拟云的动态生成，提出一种基于八叉树的模型化简策略，减少了云模型粒子数；在渲染阶段，提出一种基于Cell的绘制更新策略,结合Impostor技术自动混合绘制三维云与Impostor,实现了大规模三维云的实时模拟·实验结果表明，该方法基于物理的方法模拟云，同时在绘制阶段根据视点的移动实时更新，效果逼真；与同类方法相比，基于Cell的绘制策略更新时计算量更小，有效地避免了绘制更新时常见的抖动和跳变问题。但该技术中八叉树的模型化简策略只是用于加速绘制更新步骤，并没有对流体模拟的步骤进行加速，而且该方法同样局限于云流动的现象，不适用于一般的流体动画模拟。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种，可以通过速度很快的离散正弦变换算子捕获很多绚丽的细节，又可以通过降采样或八叉树方法对原始模拟方法中的最耗费时间的部分降低计算规模，同时对结果进行校正，达到同时加快模拟速度又保持流体模拟细节的作用。与现有技术相比，本专利技术拥有 更快的模拟速度，并且能够获得更加精确的流体动画细节。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术通过在初始场景上根据Navier-Stokes方程进行流体模拟并对速度场进行优化；然后采用半拉格朗日方法根据优化高精度速度场对相应的密度场和温度场进行更新，以用于渲染和下一帧模拟；最后将更新后的密度场渲染为流体动画。本专利技术具体包括以下步骤步骤一，根据需要得到的流体动画的要求，对模拟空间进行网格化，并设置初始场旦牙、；所述的初始场景包括设置初始速度场、初始密度场和初始温度场、流体模拟过程中的力场条件和边界条件，以及时间步长。本步骤确定了流体模拟的过程，流体模拟根据初始速度场不断的得到下一帧符合力场和边界条件的速度场，然后根据这个速度场去更新密度场，用于渲染，最后得到流体动画。步骤二,在初始场景上根据Navier-Stokes方程进行流体模拟并通过细节捕获和形态校正对速度场进行优化，得到优化高精度速度场。所述的流体模拟是指在初始场景的速度场上采用半拉格朗日的方法进行Navier-Stokes方程中的对流项的计算,得到对流模拟后的速度场,并在该对流后的速度场上根据初始场景的流体模拟过程中的力场条件对速度场进行更新。所述的优化包括细节捕获对更新后的速度场构建泊松方程，并且利用离散正弦变换算子计算结果，然后用光滑迭代方法迭代，得到高精度速度场；形态校正根据迭代后的高精度速度场计算高精度散度场，然后利用降采样或者八叉树方法对高精度散度场进行降维操作，得到低精度的散度场，在这个低精度散度场上构建偏差泊松方程，求解偏差泊松方程，得到低精度的偏差速度场，将这个低精度的偏差速度场上采样之后与细节捕获得到的高精度速度场进行结合，以校正细节捕获的结果，得到优化高精度速度场。所述的细节捕获，具体包括以下步骤I)通过高精度速度场按照原有压强项的方式构建泊松方程；2)用离散正弦变换算子求解泊松方程，得到高精度压强场；3)用光滑迭代方法在高精度压强场的基础上迭代，得到离散正弦变换算子没有捕获完全的细节，得到完全高精度压强场；4)用完全高精度压强场对速度场进行更新，得到包含流体细节的高精度速度场。所述的迭代次数为3-4次； 所述的形态校正，具体包括以下步骤i)利用高精度速度场计算每个网格的散度，得到高精度散度场；ii)将高精度散度场降采样得到规整低精度散度场，并a)根据规整低精度散度场构建低精度偏差泊松方程，或b)根据流体模拟过程中的边界条件构建八叉树，由生成的八叉树的结构分布高精度散度场，得到以八叉树结构分布的散度场，并在这个散度场上生成偏差泊松方程，该偏差泊松方程将会比直接在高精度散度场上构建的泊松方程规模要小许多倍；iii)对偏差泊松方程采用预处理共轭梯度法求解，得到对应的规整低精度压强场或八叉树结构分布压强场；iv)利用规整低精度压强场或八叉树结构分布压强场计算偏差速度场，然后将偏差速度场进行上采样得到偏差高精度速度场，并将其与高精度速度场结合，得到优化高精度速度场。因为步骤iii)降低了计算规本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于细节捕获和形态校正的流体动画渲染方法，其特征在于，通过在初始场景上根据Navier？Stokes方程进行流体模拟并对速度场进行优化；然后采用半拉格朗日方法根据优化高精度速度场对相应的密度场和温度场进行更新，以用于渲染和下一帧模拟；最后将更新后的密度场渲染为流体动画；所述的优化包括：细节捕获：对更新后的速度场构建泊松方程，并且利用离散正弦变换算子计算结果，然后用光滑迭代方法迭代，得到高精度速度场；形态校正：根据迭代后的高精度速度场计算高精度散度场，然后利用降采样或者八叉树方法对高精度散度场进行降维操作，得到低精度的散度场，在这个低精度散度场上构建偏差泊松方程，求解偏差泊松方程，得到低精度的偏差速度场，将这个低精度的偏差速度场上采样之后与细节捕获得到的高精度速度场进行结合，以校正细节捕获的结果，得到优化高精度速度场。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴箫钺，杨旭波，杨阳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：