一種計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的基于細(xì)節(jié)捕獲和形態(tài)校正的流體動(dòng)畫(huà)渲染方法，通過(guò)在初始場(chǎng)景上根據(jù)Navier-Stokes方程進(jìn)行流體模擬并對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化；然后采用半拉格朗日方法根據(jù)優(yōu)化高精度速度場(chǎng)對(duì)相應(yīng)的密度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行更新，以用于渲染和下一幀模擬；最后將更新后的密度場(chǎng)渲染為流體動(dòng)畫(huà)。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)可以通過(guò)速度很快的離散正弦變換算子捕獲很多絢麗的細(xì)節(jié)，又可以通過(guò)降采樣或八叉樹(shù)方法對(duì)原始模擬方法中的最耗費(fèi)時(shí)間的部分降低計(jì)算規(guī)模，同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正，達(dá)到同時(shí)加快模擬速度又保持流體模擬細(xì)節(jié)的作用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)擁有更快的模擬速度，并且能夠獲得更加精確的流體動(dòng)畫(huà)細(xì)節(jié)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及的是一種計(jì)算機(jī)圖像處理
的方法，具體是一種。
技術(shù)介紹
在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，流體動(dòng)畫(huà)，包括水，煙，爆炸以及類(lèi)似的現(xiàn)象，因?yàn)槠湄S富和絢麗的細(xì)節(jié)，開(kāi)始變得越來(lái)越流行，使得電影，動(dòng)畫(huà)，游戲等領(lǐng)域中都采用增加流體動(dòng)畫(huà)的 絢麗程度的手段來(lái)吸引眼球。而且由于流體細(xì)節(jié)的復(fù)雜，使得流體模擬變得非常困難，因而吸引了越來(lái)越多的科學(xué)家投入流體模擬領(lǐng)域。現(xiàn)在流體模擬中比較令人信服的方法是歐拉法，由Jos Stam在《SIGGRAPH》上發(fā)表的《Stable Fluids)) (1999年)中，對(duì)原始的模擬方法進(jìn)行了改進(jìn)，在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，獲得了更理想的流體動(dòng)畫(huà)細(xì)節(jié)和更穩(wěn)定的流體模擬結(jié)果，該方法的完整過(guò)程是先將流體速度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)流，然后對(duì)其應(yīng)用外力項(xiàng)，最后進(jìn)行壓強(qiáng)項(xiàng)操作，即根據(jù)當(dāng)前速度場(chǎng)和不可壓縮條件，構(gòu)建泊松方程，求解壓強(qiáng)場(chǎng)，并利用求解出來(lái)的壓強(qiáng)場(chǎng)更新速度場(chǎng)；這三步其實(shí)是對(duì)Navier-Stokes方程的分解，其中壓強(qiáng)項(xiàng)操作是這個(gè)方法的精髓所在，它使得流體模擬的結(jié)果更穩(wěn)定并且更接近與現(xiàn)實(shí)中的不可壓縮流體的性質(zhì)，但是同樣的壓強(qiáng)項(xiàng)操作也是這種方法的缺陷所在，它變成了基于這種方法的流體動(dòng)畫(huà)的模擬速度最大的瓶頸。在這個(gè)方法被提出之后的近十年時(shí)間中，大部分流體動(dòng)畫(huà)研究領(lǐng)域中的科學(xué)家都將精力集中在對(duì)這個(gè)方法的改進(jìn)上，而以該流體模擬方法為基礎(chǔ)的改進(jìn)研究主要集中在兩個(gè)方面一是如何增加流體動(dòng)畫(huà)的細(xì)節(jié)；一是如何加快流體模擬的速度。到目前為止，流體模擬中并沒(méi)有效果比較信服同時(shí)模擬速度更快的改進(jìn)方法。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)號(hào)CN102339326A，公開(kāi)日2012-02-01，記載了一種“分析模擬縫洞型油藏流體流動(dòng)的方法”，該方法提出了基于Navier-Stokes方程與Darcy方程稱(chēng)合的油藏?cái)?shù)值模擬方法,主要包括(I)建立復(fù)雜介質(zhì)Navier-Stokes與Darcy f禹合數(shù)學(xué)模型；(2) Navier-Stokes與Darcy f禹合模型的數(shù)值計(jì)算方法；(3)將巖體與裂縫分開(kāi)造型，各自造型不存在困難，對(duì)于裂縫的描述也清晰容易，裂縫數(shù)量及空間產(chǎn)狀不受限制，特別是不要求裂縫上的節(jié)點(diǎn)與基巖節(jié)點(diǎn)完全重合，使得三維工作容易很多。并編寫(xiě)了數(shù)值模擬程序來(lái)實(shí)現(xiàn)本方法，本方法發(fā)展了縫洞型油藏?cái)?shù)值模擬理論和方法，科學(xué)地實(shí)現(xiàn)了對(duì)縫洞型油藏的模擬。但該技術(shù)因涉及現(xiàn)實(shí)生活的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)模擬結(jié)果的計(jì)算精度要求導(dǎo)致該方法的模擬速度比較慢，不適合流體動(dòng)畫(huà)的要求，而且該方法局限于縫洞型油藏流體流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)于一般的流體動(dòng)畫(huà)模擬則適用性不足。譚捷在《基于物理的流體動(dòng)畫(huà)研究》(上海交通大學(xué)，碩士論文，2009)中提出了一套通用的基于層次化網(wǎng)格的多層流體動(dòng)畫(huà)框架，用以解決目前流體模擬中傳統(tǒng)歐拉方法所面臨的諸多問(wèn)題，如邊界條件的離散、多尺度細(xì)節(jié)的捕捉等等。但該技術(shù)在不同層次之間壓強(qiáng)場(chǎng)的處理理論性不足，而且計(jì)算結(jié)果與正確解，即最高精度網(wǎng)格上面求解泊松方程的結(jié)果，相似性不足，另外層次化網(wǎng)格的構(gòu)造非常繁瑣。任威在《大規(guī)模三維云實(shí)時(shí)模擬方法》(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22(4))中提出一種大規(guī)模三維云實(shí)時(shí)模擬方法。在云建模方面，利用Navier-Stokes流體力學(xué)公式模擬云的動(dòng)態(tài)生成，提出一種基于八叉樹(shù)的模型化簡(jiǎn)策略，減少了云模型粒子數(shù)；在渲染階段，提出一種基于Cell的繪制更新策略,結(jié)合Impostor技術(shù)自動(dòng)混合繪制三維云與Impostor,實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模三維云的實(shí)時(shí)模擬·實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法基于物理的方法模擬云，同時(shí)在繪制階段根據(jù)視點(diǎn)的移動(dòng)實(shí)時(shí)更新，效果逼真；與同類(lèi)方法相比，基于Cell的繪制策略更新時(shí)計(jì)算量更小，有效地避免了繪制更新時(shí)常見(jiàn)的抖動(dòng)和跳變問(wèn)題。但該技術(shù)中八叉樹(shù)的模型化簡(jiǎn)策略只是用于加速繪制更新步驟，并沒(méi)有對(duì)流體模擬的步驟進(jìn)行加速，而且該方法同樣局限于云流動(dòng)的現(xiàn)象，不適用于一般的流體動(dòng)畫(huà)模擬。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種，可以通過(guò)速度很快的離散正弦變換算子捕獲很多絢麗的細(xì)節(jié)，又可以通過(guò)降采樣或八叉樹(shù)方法對(duì)原始模擬方法中的最耗費(fèi)時(shí)間的部分降低計(jì)算規(guī)模，同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正，達(dá)到同時(shí)加快模擬速度又保持流體模擬細(xì)節(jié)的作用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專(zhuān)利技術(shù)擁有 更快的模擬速度，并且能夠獲得更加精確的流體動(dòng)畫(huà)細(xì)節(jié)。本專(zhuān)利技術(shù)是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)在初始場(chǎng)景上根據(jù)Navier-Stokes方程進(jìn)行流體模擬并對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化；然后采用半拉格朗日方法根據(jù)優(yōu)化高精度速度場(chǎng)對(duì)相應(yīng)的密度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行更新，以用于渲染和下一幀模擬；最后將更新后的密度場(chǎng)渲染為流體動(dòng)畫(huà)。本專(zhuān)利技術(shù)具體包括以下步驟步驟一，根據(jù)需要得到的流體動(dòng)畫(huà)的要求，對(duì)模擬空間進(jìn)行網(wǎng)格化，并設(shè)置初始場(chǎng)旦牙、；所述的初始場(chǎng)景包括設(shè)置初始速度場(chǎng)、初始密度場(chǎng)和初始溫度場(chǎng)、流體模擬過(guò)程中的力場(chǎng)條件和邊界條件，以及時(shí)間步長(zhǎng)。本步驟確定了流體模擬的過(guò)程，流體模擬根據(jù)初始速度場(chǎng)不斷的得到下一幀符合力場(chǎng)和邊界條件的速度場(chǎng)，然后根據(jù)這個(gè)速度場(chǎng)去更新密度場(chǎng)，用于渲染，最后得到流體動(dòng)畫(huà)。步驟二,在初始場(chǎng)景上根據(jù)Navier-Stokes方程進(jìn)行流體模擬并通過(guò)細(xì)節(jié)捕獲和形態(tài)校正對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化高精度速度場(chǎng)。所述的流體模擬是指在初始場(chǎng)景的速度場(chǎng)上采用半拉格朗日的方法進(jìn)行Navier-Stokes方程中的對(duì)流項(xiàng)的計(jì)算,得到對(duì)流模擬后的速度場(chǎng),并在該對(duì)流后的速度場(chǎng)上根據(jù)初始場(chǎng)景的流體模擬過(guò)程中的力場(chǎng)條件對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行更新。所述的優(yōu)化包括細(xì)節(jié)捕獲對(duì)更新后的速度場(chǎng)構(gòu)建泊松方程，并且利用離散正弦變換算子計(jì)算結(jié)果，然后用光滑迭代方法迭代，得到高精度速度場(chǎng)；形態(tài)校正根據(jù)迭代后的高精度速度場(chǎng)計(jì)算高精度散度場(chǎng)，然后利用降采樣或者八叉樹(shù)方法對(duì)高精度散度場(chǎng)進(jìn)行降維操作，得到低精度的散度場(chǎng)，在這個(gè)低精度散度場(chǎng)上構(gòu)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場(chǎng)，將這個(gè)低精度的偏差速度場(chǎng)上采樣之后與細(xì)節(jié)捕獲得到的高精度速度場(chǎng)進(jìn)行結(jié)合，以校正細(xì)節(jié)捕獲的結(jié)果，得到優(yōu)化高精度速度場(chǎng)。所述的細(xì)節(jié)捕獲，具體包括以下步驟I)通過(guò)高精度速度場(chǎng)按照原有壓強(qiáng)項(xiàng)的方式構(gòu)建泊松方程；2)用離散正弦變換算子求解泊松方程，得到高精度壓強(qiáng)場(chǎng)；3)用光滑迭代方法在高精度壓強(qiáng)場(chǎng)的基礎(chǔ)上迭代，得到離散正弦變換算子沒(méi)有捕獲完全的細(xì)節(jié)，得到完全高精度壓強(qiáng)場(chǎng)；4)用完全高精度壓強(qiáng)場(chǎng)對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行更新，得到包含流體細(xì)節(jié)的高精度速度場(chǎng)。所述的迭代次數(shù)為3-4次； 所述的形態(tài)校正，具體包括以下步驟i)利用高精度速度場(chǎng)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的散度，得到高精度散度場(chǎng)；ii)將高精度散度場(chǎng)降采樣得到規(guī)整低精度散度場(chǎng)，并a)根據(jù)規(guī)整低精度散度場(chǎng)構(gòu)建低精度偏差泊松方程，或b)根據(jù)流體模擬過(guò)程中的邊界條件構(gòu)建八叉樹(shù)，由生成的八叉樹(shù)的結(jié)構(gòu)分布高精度散度場(chǎng)，得到以八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)分布的散度場(chǎng)，并在這個(gè)散度場(chǎng)上生成偏差泊松方程，該偏差泊松方程將會(huì)比直接在高精度散度場(chǎng)上構(gòu)建的泊松方程規(guī)模要小許多倍；iii)對(duì)偏差泊松方程采用預(yù)處理共軛梯度法求解，得到對(duì)應(yīng)的規(guī)整低精度壓強(qiáng)場(chǎng)或八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)分布?jí)簭?qiáng)場(chǎng)；iv)利用規(guī)整低精度壓強(qiáng)場(chǎng)或八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)分布?jí)簭?qiáng)場(chǎng)計(jì)算偏差速度場(chǎng)，然后將偏差速度場(chǎng)進(jìn)行上采樣得到偏差高精度速度場(chǎng)，并將其與高精度速度場(chǎng)結(jié)合，得到優(yōu)化高精度速度場(chǎng)。因?yàn)椴襟Eiii)降低了計(jì)算規(guī)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于細(xì)節(jié)捕獲和形態(tài)校正的流體動(dòng)畫(huà)渲染方法，其特征在于，通過(guò)在初始場(chǎng)景上根據(jù)Navier？Stokes方程進(jìn)行流體模擬并對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化；然后采用半拉格朗日方法根據(jù)優(yōu)化高精度速度場(chǎng)對(duì)相應(yīng)的密度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行更新，以用于渲染和下一幀模擬；最后將更新后的密度場(chǎng)渲染為流體動(dòng)畫(huà)；所述的優(yōu)化包括：細(xì)節(jié)捕獲：對(duì)更新后的速度場(chǎng)構(gòu)建泊松方程，并且利用離散正弦變換算子計(jì)算結(jié)果，然后用光滑迭代方法迭代，得到高精度速度場(chǎng)；形態(tài)校正：根據(jù)迭代后的高精度速度場(chǎng)計(jì)算高精度散度場(chǎng)，然后利用降采樣或者八叉樹(shù)方法對(duì)高精度散度場(chǎng)進(jìn)行降維操作，得到低精度的散度場(chǎng)，在這個(gè)低精度散度場(chǎng)上構(gòu)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場(chǎng)，將這個(gè)低精度的偏差速度場(chǎng)上采樣之后與細(xì)節(jié)捕獲得到的高精度速度場(chǎng)進(jìn)行結(jié)合，以校正細(xì)節(jié)捕獲的結(jié)果，得到優(yōu)化高精度速度場(chǎng)。
【技術(shù)特征摘要】
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳簫鉞，楊旭波，楊陽(yáng)，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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