[发明专利]一种基于物理的融化现象逼真模拟方法

说明书

本发明涉及一种基于物理的融化现象逼真模拟方法，适用于自然世界中融化现象的建模，步骤为：(1)根据粒子模型，建立物体从固态到液态的粒子关系、热量传递模型、热源辐射温度模型计算方式；(2)使用光滑粒子流体动力学模型与界面力学理论计算液滴表面张力模型；(3)液滴生成后，还需建立液滴与固体之间流动时粘附力模型，以完成液滴的真实感流动，再进一步绘制得到真实感效果。本发明能够快速获得保护细节的融化现象，并设计了物体融化所需的热量传递模型、约束液滴行为的表面张力模型、以及体现融化流动的粘附力模型。本发明可以实现常见的物体融化场景的逼真模拟，方法简洁、稳定性好，具有一定的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于物理的融化现象逼真模拟方法，具体地说是一种基于物理的图形学动画模拟方法，其部分技术涉及到粒子建模、能量模型、表面张力模型、交互算法以及力学相关理论。主要应用于各种真实物体三维逼真模拟，特别是应用于娱乐游戏、电影特效等领域。

背景技术

物质的状态变化在生活中较为普遍，如巧克力的融化，水的凝固、蒸发等。状态变化现象特效在电影与游戏中存在广泛的应用。基于物理的自然现象真实感模拟是解决此类问题非常有效的途径。虽然基于物理的方法能模拟较多的液体交互行为，但是精确模拟具有丰富细节的融化现象存在较大难度。基于网格的物理方法需要设置高分辨率的网格，增加了计算复杂度，并且在数值扩散中容易造成液体的损失，影响到仿真的真实度。因此，在基于物理的融化模拟中既要减少计算代价，又需要尽可能的保持逼真的视觉效果。

为了克服网格法的不足，一种无网格的纯拉格朗日方法---光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)在处理自由表面、变形边界、运动交界面以及大变形问题中具有很好的优势，受到很多学者的关注。该方法在计算空间导数时不需要使用任何网格，而是通过一个称为“核函数”的积分核进行核函数估值，将流体力学基本方程组转换为数值计算的SPH方程。在SPH方法中，整个流场被离散成一系列粒子，所有物理量由这些粒子负载。这些粒子可以按流体力学流动的规律任意流动，每个粒子都携带了一些物理信息，如质量、速度、密度、受力等。由于计算中网格被插值公式中的解析微分式子所代替，该方法避免了高维拉式差分网格法中的网格缠结和扭曲等难以解决的问题。文献1-CarlsonM.,Mucha P.,III B.V.H.,Turk G.MeltingandFlowing.In Proc.ACM SOGGRAPHSymposium on Computer Animation,2002,pp.167-174,提出了基于N-S方程的物体融化方案，然而文中并没有实现液滴行为的融化效果。文献2-Paiva A.,Petronetto F.,LewinerT.,Tavares G.:Particle-based non-newtonian fluid animation for meltingobjects.In Sibgrapi,2006,pp.78–85.提出了基于粒子的非牛顿物体融化仿真方法，设计了具有高粘性的物体融化模型，然而该文没有考虑固体和液体间的耦合关系，无法获得更真实的融化动画。文献3-Solenthaler B.,Schlafli J.,Pajarola R.,A unifiedparticle model for fluid-solid interactions.Computer Animation and VirtualWorlds 18,1 2007,pp.69–82.本文开发一种统一的粒子模型，可用于融化、凝固、融合、分离等现象的仿真，然而无法满足具有液滴现象的融化场景。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于物理的融化现象逼真模拟方法，该方法采用基于粒子的建模形式，既可以摆脱传统网格法存在的诸多缺陷，又可以很好地保护融化现象的细节。该方法使用光滑粒子流体动力学方法，构建了热量传递模型，实现了不同属性粒子的耦合机制，实现了融化过程中的行为，以及保护了液滴在冰表面的流动，水滴的形成等细节。

本发明的技术解决方案：一种基于物理的融化现象逼真模拟方法，步骤包括：