[发明专利]互动式生成液滴效果的方法

说明书

技术领域

本发明属于图像数据处理技术领域，具体涉及一种生成液滴效果的图像或动画的方法，特别是一种互动式的生成液滴效果的图像或动画方法。

背景技术

液体的滴落现象普遍存在于日常生活中。在图形学领域，人们一直试图利用计算机去模拟这种真实的现象，对于复杂的流体效果，只有借助较为精确的物理方程才能再现其自身的运动规律及外在的视觉特效，然而，流体方程的求解相当耗时，同时受到稳定性及收敛性的限制。因此，研究真实、高效且精确的液滴效果模拟及渲染方法对于流体模拟在图形学领域的发展具有重要的意义。

目前，对于不同液滴效果(水滴、油滴及水彩等)模拟的工作较少，主要围绕在水滴模拟，可以分为两方面：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虽然能够有效的对水滴效果进行建模，却无法实现真实的水滴运动。基于物理的方法能够借助较为精确的物理方程再现水滴自身的运动规律及外在的视觉特效。

Wang H等人提出一种通用浅水波模型(参考：Wang H.，Miller G.，and Turk G.Solving general shallow wave equations on surface，In：Proceedings of the 2007 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation，pp.229-238，2007)，用于水滴在平面上的流动，这种方法的依赖于表面，不能用于各种液滴的自由散落现象。

Thurey N等人提出一种混合的方法，用于模拟高细节的水滴效果(参考：Thurey N.，Wojtan C，Gross M.and Ture G.A multiscale approach to mesh-based surface tension flows，ACM Transactions on Graphics，Vol.299，No.4，pp.1-10，2010)。Yizhong Zhang等人利用显示曲面的方法来模拟类似的水滴效果(参考：Yizhong Zhang，Huamin Wang，Shuai Wang，Yiying Tong，Kun Zhou，A Deformable Surface Model for Real-Time Water Drop Animation，IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，Vol.18，No.8，1281-1289，2011)，这两种方法通过复杂的曲面操作来处理水滴的分离与合并过程，尤其是多个水滴的聚集，计算过程相当繁琐，降低了水滴模拟的效率。

Byungmoon Kim提出一种网格与粒子混合的区域水平集(Regional Level Sets)方法(参考：Byungmoon Kim.Multi-phase fluid simulations using regional level sets，ACM Transactions on Graphics，Vol.29，No.6，2010.)，用于完成水体及水滴的模拟，然而这种方法在模拟小液滴时，需要完成网格到粒子的转换，很难实现自然的过渡。

综上所述，上述方法仅在水滴模拟方面都仍存在缺陷与不足，很难扩展到多种液滴效果的模拟。

随着计算机硬件的快速发展，在图像上互动式地生成流体效果逐渐成为研究热点，Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)算法作为一种典型的拉格朗日粒子方法，它的特点是简单高效，可以应用于各种实时液体模拟及互动软件中。通用SPH算法的基本流程是利用粒子模拟流体的运动，并根据粒子间的位置构建流体密度场，通过Marching Cubes等网格生成方法来重建流体网格，从而完成对液体的渲染。

尽管通用SPH算法在液体效果模拟中广泛使用，但是在液体表面的可视化方面仍存在不足之处：这种传统的液体渲染方法是独立于摄像机的，因此，很多不可见部分的液体表面及细节同样需要计算，降低了液体模拟的效率。相对于大比例液体的模拟，如何有效地模拟微小液滴的效果仍然是一个具有挑战性的问题，通用SPH的液体模拟方法不能直接应用于液滴的模拟，这主要是由于小比例现象下的强粘性及表面张力效果要求小的时间步长，以确保精确及稳定的流体方程求解，同时需要较大的计算消耗来获得所有的表面细节，因此，通过真实、高效且精确的模拟及渲染方法来实时的动态显示液滴的散落效果具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题