基于物理的流體動畫建模技術研究

馬學濤

摘 要： 基于物理的流體動畫技術一直是計算機圖形領域最為活躍的研究方向之一，并且在最近幾年的發展十分迅猛，然而由于該項技術需要求解十分復雜的非線性運行，而實時性優勢計算機圖形應用的一個重要需求。因此，如何提高計算機計算效率就成為該項技術應用過程中需要重點解決的問題。本次研究主要根據基于物理的流體動畫技術的研究進展，就基于物理的流體動畫建模技術進行了簡單的論述，希望通過本次研究對今后軟件和硬件方面的設計，實現實時的流體動畫效果有一定助益。

關鍵詞：流體動畫 物理 建模技術 研究

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）07-0016-01

在我們日常生活中和很多影視作品中，暴風雨的海面、緩慢上升的青煙以及四處飛濺的水滴等流體現象給人們帶來了視覺方面的享受，現階段，在藝術領域，不管是攝影師、電影電視制作人還是游戲設計人員都在積極嘗試捕捉這些美景。進入新世紀以后，人們對電視、電影以及游戲、動畫的畫面要求來越高，然而流體運動十分復雜，傳統的美術工作一幀一幀回執流體效果已經不能適應時代發展需求，于是基于物理的流體動畫模擬技術應用而生。該項技術主要是通過求解描述流體運動狀態的物理方法來模擬流體運動，盡管在物理學有經典的流體力學方程用來求解流體運動，但是該種方程是一個非線性偏微分方程，除了極少數特定情況下能夠求解，一般情況難以得出準確結果。進入新世紀，隨著科學技術不斷發展和進步，計算機技術逐漸應用成熟，我們可以通過數值方法中對流體力學經典方程進行研究和分析，于是一門新型學科計算機流體力學應用而生。但計算機流體力學要求計算機模擬出來的最終結果能指導工業等方面設計，而流體動畫主要側重于能夠形成欺騙觀眾的流體視覺效果。盡管流體力學推動了基于物理的流體動畫的發展，但是由于兩者之間的研究內涵不同，流體動畫作為一個相對獨立的研究領域，仍然存在很多值得研究的課題，如基于物理的流體動畫建模技術研究。

一、細節捕捉建模技術

很多小范圍和小尺寸的流體細節如下落雨滴濺起的水花，小的漩渦都屬于流體運動的高頻部分，而在流體動畫中最吸引人的就是這些高頻流體細節，但是對于傳統的基于物理的流體動畫模擬來說，要想準確、清晰的捕捉這些細節是一件難度很大的事情。結合信息理論系統中的采樣定理，只有保證采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍以上，才能將原來的信號無損失的的還原出來，這就意味著我們在進行流體模擬，要想捕捉運動的高頻細節，就需要不斷增加采樣的頻率和質量，也就是要增加網格或者粒子的精確度以及數量，但是如果這樣做會顯著增加系統計算的時間，因此在基于物理的流體動畫模擬只是簡單增加采樣頻率是不行的。最近幾年，有很多研究學者對這一問題進行深入而全面的研究，這其中最為著名的理論就是在粗精度物理模式的基礎上對高頻的基于過程的流體場進行疊加作用。這個理論決定了高頻流體場的能量分布范圍，然后再應用所普林噪聲旋轉過程中產生散度為零的過程向量場，很多研究學者采用了不同的方法保證這個流體場的向量一幀和一幀之間的連續性，但是這種建模技術依然存在不少的缺陷，整個高頻場是根據概率模型建設的，并不能再現高精度物理模擬所帶來的以假亂真的效果，而且流體場和障礙物之間的交互次數僅僅去取決于低精度的物理流體模擬結果。流體運動的高頻細節是生產針真實流體動畫不可缺少的一個重要組成部分，最近幾年很多研究學者都高度關注這方面的研究，但是還缺少一個比較完善的解決方案，需要我們做進一步的研究。

二、網格生成模擬技術

在基于物理的流體動畫模擬研究領域，網格生產技術是一項很有潛力的研究方向。在我們應用流體物理學經典公式進行求解過程中，計算網格的質量直接影響到最終求解方法是否能夠得到一個精確的結果，同時好的網格模擬技術也能更好的離散邊界條件和捕獲小尺寸動畫細節。在現階段的流體動畫模擬領域，只有兩種網格類型，主要包括了MAC網格和四面體網格，這兩種網格有其各自的優點和缺陷，其中第一種方法無法精確的確定便捷，而第二種計算方法會出現額外計算量。在未來的發展過程中，我們可以將這兩種網格類型進行綜合，形成混合型網格模式，這種網格模式綜合上述兩種方法的優點，能夠實現各自的取長補短。在計算流體力學領域中，網格生成方法經常被提出，但是在流體動畫模擬研究領域，還處于一個起步發展階段，因此，我們在進行流體動畫模擬研究過程中，可以從流體力學計算領域中借鑒很多種思維和方法。在流體力學計算領域中，有一種網格計算模式被稱為彎曲是的計算網格模式，這種模式可以在空間中完全貼合便捷，然后通過將坐標進行空間變化，將相應的結果映射到計算空間的立體化的網格中。利用這種方法可以將流體力學中的經典方程求解通過相應的轉換轉移到計算空間中，求解后再通過坐標逆向變化方法得到最終物理空間中的解。

三、結論

從最近幾年發表的關于流體動畫模擬的研究文獻來看，很多純粹的單一化的研究方法因為較大的局限性逐漸被多種混合方法所代替。而最近年研究熱點主要集中在流體細節增強方面的研究。進入新世紀以來，隨著混合式模擬方法的研究越來越深入，已經研究出了很多有價值的流體動畫表達方式，而這些表達方式的改變也在逐漸影響到模型編程數據的改變，就需要我們更好的模型結構來適應新的流體動畫表達模式。因此，在未來混合方法研究為主的研究方向有著更為廣闊的應用空間。

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