專利名稱：互動式生成液滴效果的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生成液滴效果的圖像或動畫的方法，特別是一種互動式的生成液滴效果的圖像或動畫方法。
背景技術(shù)：
液體的滴落現(xiàn)象普遍存在于日常生活中。在圖形學(xué)領(lǐng)域，人們一直試圖利用計算機去模擬這種真實的現(xiàn)象，對于復(fù)雜的流體效果，只有借助較為精確的物理方程才能再現(xiàn)其自身的運動規(guī)律及外在的視覺特效，然而，流體方程的求解相當耗時，同時受到穩(wěn)定性及收斂性的限制。因此，研究真實、高效且精確的液滴效果模擬及渲染方法對于流體模擬在圖形學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。目前，對于不同液滴效果(水滴、油滴及水彩等)模擬的工作較少，主要圍繞在水 滴模擬，可以分為兩方面基于合成的方法和基于物理的方法。大部分基于合成的方法雖然能夠有效的對水滴效果進行建模，卻無法實現(xiàn)真實的水滴運動?；谖锢淼姆椒軌蚪柚^為精確的物理方程再現(xiàn)水滴自身的運動規(guī)律及外在的視覺特效。Wang H等人提出一種通用淺水波模型(參考Wang H. , Miller G. , and TurkG. Solving general shallow wave equations on surface，In !Proceedings of the 2007ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation，pp. 229-238，2007)，用于水滴在平面上的流動，這種方法的依賴于表面，不能用于各種液滴的自由散落現(xiàn)象。Thurey N等人提出一種混合的方法,用于模擬高細節(jié)的水滴效果(參考ThureyN.，Wojtan C，Gross M. and Ture G. A multiscale approach to mesh-based surfacetension flows,ACM Transactions on Graphics,Vol. 299,No. 4,pp. 1-10，2010)。YizhongZhang等人利用顯示曲面的方法來模擬類似的水滴效果(參考Yizhong Zhang, HuaminWang,Shuai Wang,Yiying Tong,Kun Zhou, A Deformable Surface Model for Real-TimeWater Drop Animation,IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,Vol. 18，No. 8，1281-1289，2011)，這兩種方法通過復(fù)雜的曲面操作來處理水滴的分離與合并過程，尤其是多個水滴的聚集，計算過程相當繁瑣，降低了水滴模擬的效率。Byungmoon Kim提出一種網(wǎng)格與粒子混合的區(qū)域水平集(Regional Level Sets)方法(參考Byungmoon Kim. Multi-phase fluid simulations using regional levelsets, ACM Transactions on Graphics, Vol. 29, No. 6, 2010.),用于完成水體及水滴的模擬，然而這種方法在模擬小液滴時，需要完成網(wǎng)格到粒子的轉(zhuǎn)換，很難實現(xiàn)自然的過渡。綜上所述，上述方法僅在水滴模擬方面都仍存在缺陷與不足，很難擴展到多種液滴效果的模擬。隨著計算機硬件的快速發(fā)展，在圖像上互動式地生成流體效果逐漸成為研究熱點，Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)算法作為一種典型的拉格朗日粒子方法，它的特點是簡單高效，可以應(yīng)用于各種實時液體模擬及互動軟件中。通用SPH算法的基本流程是利用粒子模擬流體的運動，并根據(jù)粒子間的位置構(gòu)建流體密度場，通過MarchingCubes等網(wǎng)格生成方法來重建流體網(wǎng)格，從而完成對液體的渲染。盡管通用SPH算法在液體效果模擬中廣泛使用，但是在液體表面的可視化方面仍存在不足之處這種傳統(tǒng)的液體渲染方法是獨立于攝像機的，因此，很多不可見部分的液體表面及細節(jié)同樣需要計算，降低了液體模擬的效率。相對于大比例液體的模擬，如何有效地模擬微小液滴的效果仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，通用SPH的液體模擬方法不能直接應(yīng)用于液滴的模擬，這主要是由于小比例現(xiàn)象下的強粘性及表面張力效果要求小的時間步長，以確保精確及穩(wěn)定的流體方程求解，同時需要較大的計算消耗來獲得所有的表面細節(jié)，因此，通過真實、高效且精確的模擬及渲染方法來實時的動態(tài)顯示液滴的散落效果具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種互動式生成液滴效果的方法，以克服傳統(tǒng)流體渲染獨立于攝像機、計算量大，難以兼具真實和高效的缺點。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種生成液滴效果的方法，包括如下步驟SI、根據(jù)給定的液滴的初始狀態(tài)參數(shù)求解該液滴的運動方程；S2、計算所述液滴表面的表面張力；S3、根據(jù)計算所述液滴的運動方程和表面張力得到的液滴位置信息構(gòu)建液滴的表面；S4、保存液滴表面的信息，并對液滴表面信息進行插值；S5、渲染所述液滴表面。(三)有益效果本發(fā)明能夠以實時的、逼真的動畫顯示液滴散落效果，同時可以保證液滴控制方程求解的精確性、穩(wěn)定性及收斂性，提高了液滴效果模擬的效率及真實感。此外，本發(fā)明能夠同時適用于大比例液體現(xiàn)象及小比例液滴現(xiàn)象的模擬，其中液滴現(xiàn)象包括水滴、油滴及水彩等。


圖I是本發(fā)明的生成液滴效果的方法的流程圖；圖2是本發(fā)明的液滴運動方程求解流程圖；圖3a和圖3b是真實液滴表面張力示意圖；圖4是本發(fā)明的液滴表面張力求解流程圖；圖5是本發(fā)明的液滴表面的構(gòu)建的流程圖；圖6是本發(fā)明用于計算液滴密度分布樣式的示意圖；圖7是本發(fā)明用于判斷液滴表面位置的原理示意圖；圖8是本發(fā)明的液滴表面信息保存的流程圖；圖9是本發(fā)明用于計算液滴光學(xué)特性的原理示意圖；圖10是本發(fā)明的液滴表面的渲染的流程圖；圖11是本發(fā)明用于計算反射光線的原理示意圖；圖12是本發(fā)明用于計算折射光線的原理示意圖；圖13是本發(fā)明的體感互動求解的流程圖14a、圖14b和圖14c是本發(fā)明應(yīng)用于Kinect互動的效果圖；圖15a和圖15b是本發(fā)明應(yīng)用于液體團流變現(xiàn)象的效果圖；圖16a、圖16b和圖16c是本發(fā)明應(yīng)用于液滴表面張力現(xiàn)象的效果圖；圖17a、圖17b、圖17c、圖17d、圖17e和圖17f是本發(fā)明應(yīng)用于液滴散落現(xiàn)象的效果圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖I是本發(fā)明的生成液滴效果的方法的流程圖。如圖I所示，本發(fā)明的方法主要分為五個基本步驟SI、根據(jù)給定的液滴的初始狀態(tài)參數(shù)求解該液滴的運動方程。為了模擬液滴的流體現(xiàn)象，圖形學(xué)領(lǐng)域主要針對無粘、不可壓的奈維斯托克斯流體控制方程進行求解，在拉格朗日粒子法中，該方程包括質(zhì)量守恒和動量守恒兩部分
權(quán)利要求
1.一種生成液滴效果的方法，其特征在于，包括如下步驟 51、根據(jù)給定的液滴的初始狀態(tài)參數(shù)求解該液滴的運動方程； 52、計算所述液滴表面的表面張力； 53、根據(jù)計算所述液滴的運動方程和表面張力得到的液滴位置信息構(gòu)建液滴的表面； 54、保存液滴表面的信息，并對液滴表面信息進行插值； 55、渲染所述液滴表面。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟SI包括利用方程
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟SI還包括利用方程
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S2包括 利用方程
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S3包括 利用方程巧來完成三維流體空間密度的構(gòu)建，其中，m為液滴粒子的質(zhì)量，Wpoly6為光滑核函數(shù)，h為光滑核半徑； 利用一遍繪制的光線投射技術(shù)計算體積邊界紋理，根據(jù)體積邊界紋理計算視線的方向及長度，基于二分法判斷液滴表面位置。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S4包括利用水平集方法提供的等值面函數(shù)逐漸逼近求得的液滴表面，通過保存每一時刻等值面函數(shù)的相應(yīng)位置信息，完成表面信息的保存，并將保存的表面位置信息進行插值。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S5包括利用天空盒技術(shù)來完成環(huán)境貼圖的繪制。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S5包括利用方程？Π α + Τη計算反射光線方向，其中，a = l，b = 2dlh，/+為入射光線方向J為反射光線方向，=為法線方向，根據(jù)反射光線方向?qū)Νh(huán)境貼圖采樣，計算反射顏色值。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S5包括利用方程·7 = a+b = al-bn 計算折射光線方向，其中，a = sin Θ t/sin Θ i = IiiZnt, b = Ι-χ-y,
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步驟S5包括在計算反射線和折射線的步驟中，根據(jù)光線的反射及折射次數(shù)引入相應(yīng)的衰減強度Y (η)。
11.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S5包括根據(jù)菲涅爾定律計算入射光線的折射量與反射量，同時利用方程1。。^ = a tMlOT+(l-a )rMlOT計算入射光線的顏色值，即液滴表面顏色值，其中，Im1ot為液滴表面顏色值，tcolor為折射顏色值，rcolor為反射顏色值，α為折射量。
12.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟SI包括體感互動求解步驟，該步驟包括體感信息的采集與位置匹配；液滴與碰撞體的碰撞檢測及碰撞方程求解。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述液滴與手部碰撞體的碰撞檢測及碰撞方法求解的步驟包括實時的檢測液滴與手部位置信息對應(yīng)的碰撞體的碰撞，并利用方程〃.η = 〃對液滴的速度進行修正，其中 為液滴粒子的速度，=為碰撞點的法線方向， 為碰撞體對應(yīng)碰撞點的速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種液滴效果的互動式模擬方法主要步驟為S1、根據(jù)給定的液滴的初始狀態(tài)參數(shù)求解該液滴的運動方程；S2、計算所述液滴表面的表面張力；S3、根據(jù)計算所述液滴的運動方程和表面張力得到的液滴位置信息構(gòu)建液滴的表面；S4、保存液滴表面的信息，并對液滴表面信息進行插值；S5、渲染所述液滴表面。本發(fā)明利用圖形處理器精確求解液滴控制方程，從而達到實時模擬的效果，將方程的求解與繪制結(jié)合在一起，提高了液滴模擬的效率，此外，本發(fā)明能夠同時適用于大比例液體現(xiàn)象及小比例液滴現(xiàn)象的模擬，其中液滴現(xiàn)象包括水滴、油滴及水彩等。
文檔編號G06T13/00GK102930583SQ20121039430
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者張曉鵬, 徐士彪, 于海濤, 沈文 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所, 北京中科盤古科技發(fā)展有限公司