基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103679802103679802A(43)申请公布日2014.03.26(21)申请号201310636586.6(22)申请日2013.12.01(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人郝爱民夏清李帅王莉莉(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人杨学明孟卜娟(51)Int.Cl.G06T17/00(2006.01)G06T15/50(2011.01)权权利要求书1页利要求书1页说明书8页说明书8页附图4页附图4页(54)发明名称基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法(57)摘要本发明提供一种基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法，在利用SPH方法仿真流体的动力学行为的基础上，以流体表面实时跟踪与逼真绘制为目标，围绕基于屏幕空间的加速计算方法展开研究，首先从视点位置生成三维空间中流体的深度图，并对其进行平滑滤波来视点相关地动态提取流体表面，然后结合环境映射、流体反射、折射等光学效果，并通过模拟流体与虚拟场景中其他三维实体的交互作用，基于GPU实现了柔体和流体交互场景的实时逼真绘制。本发明完全基于GPU来进行各项计算和渲染，所有的操作均以并行的方式进行，具有实时性好，物理真实感强的特点。CN103679802ACN10367982ACN103679802A权利要求书1/1页1.一种基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法，其特征在于包括以下三个步骤：步骤（1）、流体的物理仿真：通过由SPH方法来对流体进行物理仿真，利用GPU动态地并行计算所有光滑流体粒子的位置、密度信息，作为整个表面绘制方法的输入数据；步骤（2）、流体的表面提取：从视点位置出发，将步骤（1）计算得到的每一个粒子按照位置和大小绘制成粒子球，截取当前视点下的深度信息和厚度，得到表面深度图和厚度图，然后采用双边滤波器对表面深度进行平滑处理，以此作为近似的流体表面；步骤（3）、流体的实时逼真绘制：步骤（2）中计算得到的平滑深度图作为近似流体表面，基于在步骤（2）中动态生成的厚度图，根据比尔-朗伯定律来计算流体的透明度；同时，在基于深度图进行流体表面法线计算的基础上，通过结合冯氏光照模型和延迟着色技术，来实时模拟流体表面的反射、折射效果；以上所有操作和计算都在GPU上进行，具有高度并行性，而且避免了由显存和内存的数据交换带来的时间消耗，具有很高的实时性。2.根据权利要求1所述的基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法，其特征在于：步骤（1）中所述的流体的物理仿真方法，该方法使用一组离散粒子表示流体，利用平滑核函数近似粒子的物理参数，将纳维－斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程转化为只与时间相关的离散形式的微分方程，再利用积分方法求解。3.根据权利要求1所述的基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法，其特征在于：步骤（2）中所述的流体表面提取方法，该方法将流体粒子以小球的方式进行绘制，通过截取到的深度图来近似的代替流体表面。4.根据权利要求1所述的基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法，其特征在于：步骤（3）中所述的通过结合冯氏光照模型、比尔-朗伯定律和延迟着色技术，来实时模拟流体表面的光学效果。5.根据权利要求1所述的基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法，其特征在于：步骤（1）、（2）、（3）中所述所有操作和计算都在GPU上进行，除了预处理阶段，没有显存和内存的数据交换，所有操作和计算都是利用CUDA和OpenGL技术并行处理。2CN103679802A说明书1/8页基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法技术领域[0001]本发明涉及一种基于屏幕空间的SPH流体表面实时绘制方法。背景技术[0002]近几十年来，针对流水、烟雾等流动物体的仿真研究发展迅速。该领域的研究涉及流体动力学、数值计算、微积分以及计算机图形学等多个学术方向，在游戏娱乐、科学计算、仿真训练等方面具有很高的实用价值，也一直都是一个非常具有挑战性的研究热点。近几年来，随着多核CPU、GPU并行处理技术的普及，基于流体的建模与仿真技术得到了迅猛发展，成为计算机图形学领域新的研究热点，而借助于GPU并行加速计算，在特定范围和精度下的流体模拟已经基本可以满足实时交互的需要。[0003]基于物理流体模拟技术需要对三维空间中的流体力学方程进行求解，因而具有非常高的计算复杂度，目前主要有基于粒子的拉格朗日方法和基于网格的欧拉方法。近年来，无网格方法逐渐成为解决工程科学问题的一个有效工具。与传统的基于网格的数值方法，如有限元、有限差分和有限容积等不同，无网格粒子方法使用离散的粒子对积分形式或微分形式的控制方程进行离散和近似。