CN101540060A - 一种基于物理仿真的气流模拟方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于物理仿真的气流模拟方法，该方法通过传统粒子模型的求解，将低速粒子转换为网格模型并求解的同时，将高速粒子转移到临时网格模型，最后输出网格模型结果和临时网格叠加的密度场并渲染。本发明还提供了一种基于物理仿真的气流模拟系统。本发明的方法及其系统能有效的进行同时含有低速和高速气体的气体模拟的需求，可提供更大的表达能力和更真实的模拟效果。
Description
技术领域
本发明涉及真实感图形渲染技术领域，特别涉及一种基于物理仿真的气流模拟方法及其系统。
背景技术
真实感渲染是游戏软件开发、科学数据可视化等重要应用领域的核心技术。作为一类重要的物质形态，气体的物理仿真和建模是真实感渲染的重要内容。在气体物理仿真领域，传统方法通常根据流体的性质的不同分为基于网格的方法和基于粒子的方法。
基于网格的方法已经在低速气流模拟的工作中显示出了其有效性。Jos Stam于1999年发明了一种基于网格模型的流体模拟方法。该发明及之后的很多改进方法(如Fedkiw等2001年提出的方法、Park和Kim2005年提出的方法、Sell等2008年提出的方法)的一个重要的基本假设是气流不可压缩。这种假设虽然对低速气体近似成立，但对很多高速气体(如爆炸效果)不能成立。另外在基于网格的方法中，网格大小和采样时间间隔间有着密切的联系。如果要用网格模型来模拟高速气体，为了保证时间间隔较小，必须采用较粗的网格。但这种网格的选择方法会使低速气体部分的细节消失，失去真实感。
为了解决网格方法在高速气体模拟应用中的弊端，Takeshita等人于2003年提出了一种基于粒子模型的方法。这种方法虽然适合对高速气流进行仿真，但要达到基于网格方法同样的真实感程度需要大量的模拟粒子和计算量。虽然Muller等人和Lenaerts等人分别于2005年和2008年提出了针对基于粒子方法的一些改进，但都没能解决这一问题。
虽然基于网格的方法和基于粒子的方法在低速气体模拟和高速气体模拟的应用中都取得了很多成果。能同时对两种气体进行高效建模和仿真的方法尚不存在。
发明内容
本发明的目的是提供一种进行同时含有低速和高速气体的基于物理仿真的气流模拟方法及其系统，提供更大的表达能力和更真实的模拟效果，以克服现有技术中存在的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于物理仿真的气流模拟方法，该方法包括如下步骤：
S1.利用光滑流体动力学方程求解获得粒子当前位置和速度；
S2.将低速粒子转换到网格模型，将高速粒子转换到临时网格；
S3.求解所述网格模型；
S4.将所述网格模型求解结果与所述临时网格模型进行叠加，输出叠加的密度场并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
其中，重复执行所述步骤S1-S4，直至执行完设定模拟时间。
其中，步骤S1进一步包括：
S11.计算光滑粒子流体动力学模型的密度和半径，以及计算每个粒子上的净力；
S12.按照所述净力和粒子的边界条件更新粒子的速度和位置。
其中，在所述步骤S3中，求解所述网格模型，得到网格密度场，在所述步骤S4中，将所述网格密度场与所述临时网格进行叠加并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
其中，所述步骤S4后，清空所述临时网格。
一种基于物理仿真的气流模拟系统，包括：粒子模型求解模块，用于利用光滑流体动力学方程求解获得粒子当前位置和速度；模型转换模块，用于将低速粒子转换到网格模型，高速粒子转换到临时网格模型；网格模型求解模块，用于求解所述网格模型；成像模块，用于将所述网格模型求解结果与所述临时网格模型进行叠加，输出叠加的密度场并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
其中，该系统还包括：循环处理模块，用于使所述粒子模型求解模块、模型转换模块、网格模型求解模块以及成像模块重复执行其动作，直至执行完设定模拟时间。
其中，所述粒子模型求解模块还包括：求解单元，用于计算光滑粒子流体动力学模型的密度和半径，以及计算每个粒子上的净力；属性更新单元，用于按照所述净力和粒子的边界条件更新粒子的基本属性。
其中，该系统还包括：清空模块，用于在所述成像模块渲染结束后清空所述临时网格。
其中，所述初始化模块根据所要模拟的气体的动态性质定义所述粒子的基本属性，所述基本属性包括密度、速度。
本发明的方法能够根据被模拟气体的性质动态的选择合适的模型并提供模型间转换的方法，通过是粒子模型和网络模型取长补短，本发明方法能够同时处理含有高速气体和低速气体的气体模拟需求，因而可提供更大的表达能力和更真实的模拟效果。
附图说明
图1本发明的基于物理仿真的气流模拟方法流程图；
图2实施例的基于物理仿真的气流模拟方法流程图；
图3本发明的基于物理仿真的气流模拟系统结构图。
具体实施方式
本发明提出的基于物理仿真的气流模拟方法及其系统，结合附图和实施例说明如下。
本实施例中，粒子系统是将散布在空间的粒子经由某些物理特性模拟出他们的相互关系，进而与环境互动来模拟气体
如图1所示，该气流模拟方法包括如下步骤：
S1.利用光滑流体动力学方程求解获得粒子当前位置和速度；
S2.将低速粒子转换到网格模型，将高速粒子转换到临时网格模型；即建模，以清楚定义粒子该如何被表示，也就是说本步骤的作用是让粒子套用特定运动规则活动起来；
S3.用网格模型求解方法求解网格模型及其相应参数；
S4.将所述网格模型求解结果与所述临时网格模型进行叠加，输出叠加的密度场并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
如图2所示，在进行其他步骤之前，要初始化粒子源，定义粒子的基本属性，譬如速度、位置以及质量等等，此为气流模拟的基础。
步骤S1进一步包括：
S11.计算光滑粒子流体动力学模型的密度和半径，以及计算每个粒子上的净力；
S12.按照所述净力和粒子的边界条件更新粒子的速度和位置。
即，针对粒子的特性，基于不同的运动规则以及各自的特殊属性，基于物理仿真，按照一定的规则更新粒子的基本属性，如位置、速度等等。
其中，在所述步骤S3中，求解所述网格模型，得到网格密度场，在所述步骤S4中，将所述网格密度场与所述临时网格进行叠加并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
为了描述气体的变化过程，本发明还包括步骤：
重复执行所述步骤S1-S4，直至执行完设定的模拟时间。
如图3所示，本实施例的气体模拟系统包括：粒子模型求解模块，用于利用光滑流体动力学方程求解获得粒子当前位置和速度；模型转换模块，用于将低速粒子转换到网格模型，高速粒子转换到临时网格模型；网格模型求解模块，用于求解网格模型；成像模块，用于将网格模型求解结果与所述临时网格模型进行叠加，输出叠加的密度场并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
其中，该系统还包括：循环处理模块，用于使粒子模型求解模块、模型转换模块、网格模型求解模块以及成像模块重复执行其动作，直至执行完设定模拟时间。
粒子模型求解模块还包括：求解单元，用于计算光滑粒子流体动力学模型的密度和半径，以及计算每个粒子上的净力；属性更新单元，用于按照所述净力和粒子的边界条件更新粒子的基本属性。
该系统还包括：清空模块，用于在成像模块渲染结束后清空所述临时网格。
初始化模块根据所要模拟的气体的动态性质定义粒子的基本属性，所述基本属性包括密度、速度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1、一种基于物理仿真的气流模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1.利用光滑流体动力学方程求解获得粒子当前位置和速度；
S2.将低速粒子转换到网格模型，将高速粒子转换到临时网格；
S3.求解所述网格模型；
S4.将所述网格模型求解结果与所述临时网格模型进行叠加，输出叠加的密度场并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
2、如权利要求1所述的基于物理仿真的气流模拟方法，其特征在于，重复执行所述步骤S1-S4，直至执行完设定模拟时间。
3、如权利要求1所述的基于物理仿真的气流模拟方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：
S11.计算光滑粒子流体动力学模型的密度和半径，以及计算每个粒子上的净力；
S12.按照所述净力和粒子的边界条件更新粒子的速度和位置。
4、如权利要求1所述的基于物理仿真的气流模拟方法，其特征在于，在所述步骤S3中，求解所述网格模型，得到网格密度场，在所述步骤S4中，将所述网格密度场与所述临时网格进行叠加并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
5、如权利要求1所述的基于物理仿真的气流模拟方法，其特征在于，所述步骤S4后，清空所述临时网格。
6、一种基于物理仿真的气流模拟系统，其特征在于，该系统包括：
粒子模型求解模块，用于利用光滑流体动力学方程求解获得粒子当前位置和速度；
模型转换模块，用于将低速粒子转换到网格模型，高速粒子转换到临时网格模型；
网格模型求解模块，用于求解所述网格模型；
成像模块，用于将所述网格模型求解结果与所述临时网格模型进行叠加，输出叠加的密度场并渲染，得到当前时刻的气流仿真结果。
7、如权利要求6所述的基于物理仿真的气流模拟系统，其特征在于，该系统还包括：
循环处理模块，用于使所述粒子模型求解模块、模型转换模块、网格模型求解模块以及成像模块重复执行其动作，直至执行完设定模拟时间。
8、如权利要求6所述的基于物理仿真的气流模拟系统，其特征在于，所述粒子模型求解模块还包括：
求解单元，用于计算光滑粒子流体动力学模型的密度和半径，以及计算每个粒子上的净力；
属性更新单元，用于按照所述净力和粒子的边界条件更新粒子的基本属性。
9、如权利要求6所述的基于物理仿真的气流模拟系统，其特征在于，该系统还包括：
清空模块，用于在所述成像模块渲染结束后清空所述临时网格。
10、如权利要求8所述的基于物理仿真的气流模拟系统，其特征在于，所述初始化模块根据所要模拟的气体的动态性质定义所述粒子的基本属性，所述基本属性包括密度、速度。
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