CN102915552A - 一种可控的火焰动画生成方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控的火焰动画生成方法及其系统。该可控的火焰动画生成方法的包括：步骤1，通过物理建模或实测的方法获取火焰模拟的网格数据场；步骤2，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；步骤3，将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；步骤4，将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；步骤5，对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。本发明以物理模拟的数据为基础，能用较快的速度生成真实感较高的动画序列。

Description

一种可控的火焰动画生成方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种火焰动画设计的控制算法，特别是涉及一种可控的火焰动画生成方法及其系统。

背景技术

随着流体模拟技术的逐步发展，自然界中各种流体现象，如烟雾、水、火焰、爆炸等，越来越广泛地应用于虚拟现实、影视动漫、游戏娱乐等多个领域。其中，因为火焰的危险性、运动规律的复杂性，以及实际应用中特殊需求，促使火焰现象的模拟成为计算机图形学领域的一个研究热点。真实感强的火焰效果能极大程度地提高虚拟现实技术带给用户的沉浸感；火焰的灵活控制技术能提供影视动漫制作者广阔的想象发挥空间，充分展现艺术家的灵感创作；同时，火焰模拟的逼真性和可控性也将促进游戏等娱乐产业的蓬勃发展。各个领域对火焰模拟技术的真实感和灵活控制方面的需求使得真实感火焰控制技术的研究极具意义和重要性。

在影视特效领域，火焰的行为控制技术能为创作带来极大的便利和发挥空间，能够生成现实世界中根本不存在的虚拟角色或者特殊场景。而实际在影视特效中应用的火焰动画，在时间和空间上的需求，可能与实测数据差异非常大，因此，怎样重用这些重构的火焰数据，是一个需要解决的问题。

现阶段，火焰动画的生成主要有几种控制方式。利用粒子系统的方式生成火焰，具有制作简单、控制灵活等特点，被广泛应用于动画、游戏等领域但是若要得到逼真的火焰效果，需要维持大量的粒子，影响计算效率；并且粒子系统中的每个粒子具有一定的独立性，使其存在内部弱耦合性的缺点，难以得到真实感强的火焰效果。基于物理的方法通过追溯火焰的物理根源，根据其物理本质进行建模，得到火焰的物理数据，并由基于物理的渲染器进行绘制，能得到真实感强的火焰效果，但是底层物理方程的复杂性，计算资源有限，使得模型的求解空间、时间及计算精度都受到一定的限制。同时，底层物理方程的强非线性性，使得模型的可控性较差。目前，火焰控制动画要得到满意的效果，需要特效制作人员反复的测试与多次调整。在控制性方面，缺少能同时保证模拟效果和灵活控制的火焰模型。

发明内容

本发明的目的是：提供一种可控的火焰动画生成方法，以物理模拟的数据为基础，用较快的速度生成真实感较高的动画序列。

为实现上述目的，本发明提出了一种可控的火焰动画生成方法，包括：

步骤1，通过物理建模或实测的方法获取火焰模拟的网格数据场；

步骤2，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；

步骤3，将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；

步骤4，将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；

步骤5，对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。

所述步骤3包括：

步骤31，根据粒子初始点距燃烧注入点的距离，将所述粒子系统划分为两个区域，粒子的运动方式随着两个区域的火焰燃烧程度的变化而变化；

步骤32，根据粒子生成点在整个区域的位置，随机选择所述两个区域中的一个区域的粒子导入场景，使粒子的生成点附着于所述控制条件中的火焰形状上；

步骤33，根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的角度，确定一个外力作用在粒子上对粒子的运动轨迹进行调整；

步骤34，在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，对粒子的温度降低速度进行调整；

所述步骤33中粒子的运动轨迹调整后的粒子位移改变计算公式为：

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{2}\frac{F}{g\left(\mathrm{\ρ}\right)}{\mathrm{\Δt}}^2$

其中，F为确定的外力，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，g(ρ)为ρ的一个函数，Δt为连续两帧之间的时间间隔。

所述步骤34中粒子的温度降低速度计算公式为：

$\mathrm{\ΔT}=k\frac{H}{\mathrm{\ρ}}=k\frac{C\×F}{\mathrm{\ρ}}$

其中，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，H为在外力作用下粒子传递出的能量值，F为确定的外力。C和k分别为外力与能量，能量与温度间的转换系数，此处设为常数。

所述步骤4中网格温度场的插值计算公式为：

其中，p代表系统中的粒子，i代表网格点i，pos[i]为网格点的中心位置，dis(pos[i]，p)为粒子p至网格点i中心的距离。

本发明还提供了一种可控的火焰动画生成系统，包括：

网格数据场获取模块，用于通过物理建模或实测获取火焰模拟的网格数据场；

粒子系统生成模块，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；

粒子系统调整模块，用于将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；

网格温度场计算模块，用于将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；

渲染生成模块，用于对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。

所述粒子系统调整模块包括：

粒子系统划分模块，用于根据粒子初始点距燃烧注入点的距离，将所述粒子系统划分为两个区域，粒子的运动方式随着两个区域的火焰燃烧程度的变化而变化；

粒子附着处理模块，用于根据粒子生成点在整个区域的位置，随机选择所述两个区域中的一个区域的粒子导入场景，使粒子的生成点附着于用户设置的火焰形状上；

粒子轨迹调整模块，用于根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的角度，确定一个外力作用在粒子上对粒子的运动轨迹进行调整；

粒子温度调整模块，用于在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，对粒子的温度降低速度进行调整；

所述粒子轨迹调整模块中的粒子位移改变计算公式为：

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{2}\frac{F}{g\left(\mathrm{\ρ}\right)}{\mathrm{\Δt}}^2$

其中，F为确定的外力，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，g(ρ)为ρ的一个函数，Δt为连续两帧之间的时间间隔。

所述粒子温度调整模块中的粒子温度降低速度计算公式为：

$\mathrm{\ΔT}=k\frac{H}{\mathrm{\ρ}}=k\frac{C\×F}{\mathrm{\ρ}}$

其中，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，H为在外力作用下粒子传递出的能量值，F为确定的外力。C和k分别为外力与能量，能量与温度间的转换系数，此处设为常数。

所述网格温度场计算模块中的网格温度场的插值计算公式为：

$p\left(x_{i+1}\right)=p\left(x_i\right)+\underset{t_i}{\overset{t_i+\mathrm{\Δt}}{\∫}}u(p\left(\mathrm{\τ}\right),\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

其中p(x_i)为粒子在第i帧所处的位置，p(x_i+1)为粒子在第i+1帧所处的位置，u为粒子所在位置的速度，通过速度场插值可得任意时刻任意位置的速度值。

本发明的有益效果在于：

1.结合了粒子系统可控性强和流体模拟真实感高的特点

2.提供了一种操作简单，直观的火焰动画控制方法

3.基于获取的数据进行火焰动画效果的设计，节省计算时间，具有较高的效率。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是一种可控的火焰动画生成方法流程图；

图2是一种可控的火焰动画生成系统示意图。

具体实施方式

下面参照附图介绍本发明的方法的具体实施过程。图1为一种可控的火焰动画生成方法流程图。

描述流体现象最为完整的为纳维-斯托克斯方程，利用NS方程，可以计算得到符合物理条件的流体运动模型，具有较高的真实感。基于物理的方法主要分为两种：第一种方法是从研究流体所占据的空间中各个固定点处的运动着手，分析被运动流体所充满的空间中每一个固定点上的流体的速度、压强、密度等参数随时间的变化，是一种基于网格的方法；第二种方法是从分析流体各个微团的运动着手，即研究流体中某一指定微团的速度、压强、密度等描述流体运动的参数随时间的变化以此来研究整个流体的运动，被称为拉格朗日法，是一种基于粒子的方法。

相比于网格场，粒子的运动轨迹可追踪，运动路径的可控性好。在已有的粒子系统基础上，通过融合用户的控制条件来指导改变粒子的运动，既可以保持原火焰效果，而且可以容易地使火焰效果按照用户需求进行相应的变化。

本发明利用网格火焰模型下的数据源，重建网格模型对应的粒子系统模型；通过对粒子运动的分析，提高原数据的重用性；根据用户对火焰外形的要求，改变粒子运动。为了实现上述目的，本发明提供的可控的火焰生产方法包括如下步骤：

步骤1，通过物理建模或实测的方法获取火焰模拟的网格数据场；

所述步骤1利用基于物理的流体模拟程序，基于NS物理方程，计算火焰模型，得到一段基本火焰模拟的网格数据场。

步骤2，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；

所述步骤2中的网格数据场是连续的，利用RK4方法，通过前一帧的速度场和粒子所在位置，以及后一帧速度场，计算粒子运动后的位置。

$p\left(x_{i+1}\right)=p\left(x_i\right)+\underset{t_i}{\overset{t_i+\mathrm{\Δt}}{\∫}}u(p\left(\mathrm{\τ}\right),\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

其中p(x_i)为粒子在第i帧所处的位置，p(x_i+1)为粒子在第i+1帧所处的位置，u为粒子所在位置的速度，通过速度场插值可得任意时刻任意位置的速度值。

在每一帧中都在燃烧点附近注入粒子，可生成一个粒子系统，来表示整个网格火焰场的运动。

步骤3，将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；

31）用户设置火焰的形状和朝向，以及火焰燃烧的距离程度，作为控制条件。

32）根据粒子初始点距离燃料注入点的距离，将粒子划分为两个不同的区域。距离小于阈值ε的，为中心区域，距离大于阈值ε的，为边缘区域处于不同区域的火焰燃烧程度不同，粒子的运动方式也有变化。

33）将粒子导入场景系统中，粒子的生成点附着于用户预设的形状上。根据生成点在整个区域的位置，随机选择原粒子系统中中心区域或边缘区域中的粒子进行导入。

34）根据需要对粒子轨迹进行调整。用户设置了火焰的方向，需要对粒子的运动情况以及粒子的温度做出调整。

为了实现火焰变形，根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的距离，确定外力F的大小，作用于粒子上，为粒子提供加速度

粒子的位移改变为

$p_{\mathrm{new}}=p+\underset{t_o}{\overset{t_o+\mathrm{\Δt}}{\∫}}\mathrm{ud\τ}$

其中，速度的改变量定义为

则位移的改变为

粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，g(ρ)为ρ的一个函数，Δt为连续两帧之间的时间间隔。保证函数值一直处于一个合适的范围内，以便于便宜量Δρ的计算。

燃烧速度的大小的变化用粒子温度的变化来实现。在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，使粒子的温度降低速度加快，实现火势的变化。

$\mathrm{\ΔT}=k\frac{H}{\mathrm{\ρ}}=k\frac{C\×F}{\mathrm{\ρ}}$

T_new＝T-ΔT

其中，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，H为在外力作用下粒子传递出的能量值，F为确定的外力。C和k分别为外力与能量，能量与温度间的转换系数，此处设为常数。

步骤4，将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；

网格点的温度值利用该位置附近的粒子温度进行插值计算，权重与粒子到网格点得距离成反比。

P代表系统中的粒子，i代表网格点i，pos[i]为网格点的中心位置，dis(pos[i]，p)为粒子p至网格点i中心的距离。

步骤5，对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。

将网格温度场，映射为火焰颜色信息。本系统中利用现有技术，通过温度场信息，计算光在介质中辐射率的变换，模拟辐射能量的传递和分布，采用体渲染的方法，最终绘制得到火焰效果。

本发明还提供了一种可控的火焰动画生成系统，包括：

网格数据场获取模块100，用于通过物理建模或实测获取火焰模拟的网格数据场；

粒子系统生成模块200，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；

粒子系统调整模块300，用于将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；

网格温度场计算模块400，用于将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；

渲染生成模块500，用于对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。

所述粒子系统调整模块300包括：

粒子系统划分模块，用于根据粒子初始点距燃烧注入点的距离，将所述粒子系统划分为两个区域，粒子的运动方式随着两个区域的火焰燃烧程度的变化而变化；

粒子附着处理模块，用于根据粒子生成点在整个区域的位置，随机选择所述两个区域中的一个区域的粒子导入场景，使粒子的生成点附着于用户设置的火焰形状上；

粒子轨迹调整模块，用于根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的角度，确定一个外力作用在粒子上对粒子的运动轨迹进行调整；

粒子温度调整模块，用于在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，对粒子的温度降低速度进行调整；

所述粒子轨迹调整模块中的粒子位移改变计算公式为：

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{2}\frac{F}{g\left(\mathrm{\ρ}\right)}{\mathrm{\Δt}}^2$

其中，F为确定的外力，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，g(ρ)为ρ的一个函数，Δt为连续两帧之间的时间间隔。

所述粒子温度调整模块中的粒子温度降低速度计算公式为：

$\mathrm{\ΔT}=k\frac{H}{\mathrm{\ρ}}=k\frac{C\×F}{\mathrm{\ρ}}$

其中，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，H为在外力作用下粒子传递出的能量值，F为确定的外力。C和k分别为外力与能量，能量与温度间的转换系数，此处设为常数。

所述网格温度场计算模块400中的网格温度场的插值计算公式为：

$p\left(x_{i+1}\right)=p\left(x_i\right)+\underset{t_i}{\overset{t_i+\mathrm{\Δt}}{\∫}}u(p\left(\mathrm{\τ}\right),\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

其中p(x_i)为粒子在第i帧所处的位置，p(x_i+1)为粒子在第i+1帧所处的位置，u为粒子所在位置的速度，通过速度场插值可得任意时刻任意位置的速度值。

所述渲染生成模块500，用于对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。将网格温度场，映射为火焰颜色信息。本系统中利用现有技术，通过温度场信息，计算光在介质中辐射率的变换，模拟辐射能量的传递和分布，采用体渲染的方法，最终绘制得到火焰效果。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种可控的火焰动画生成方法，其特征在于，包括：

步骤1，通过物理建模或实测的方法获取火焰模拟的网格数据场；

步骤2，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；

步骤3，将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；

步骤4，将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；

步骤5，对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。

2.如权利要求1所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤31，根据粒子初始点距燃烧注入点的距离，将所述粒子系统划分为两个区域，粒子的运动方式随着两个区域的火焰燃烧程度的变化而变化；

步骤32，根据粒子生成点在整个区域的位置，随机选择所述两个区域中的一个区域的粒子导入场景，使粒子的生成点附着于所述控制条件中的火焰形状上；

步骤33，根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的角度，确定一个外力作用在粒子上对粒子的运动轨迹进行调整；

步骤34，在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，对粒子的温度降低速度进行调整。

3.如权利要求2所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述步骤33中粒子的运动轨迹调整后的粒子位移改变计算公式为：

其中，F为确定的外力，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，g(ρ)为ρ的一个函数，Δt为连续两帧之间的时间间隔。

4.如权利要求2所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述步骤34中粒子的温度降低速度计算公式为：

$\mathrm{\ΔT}=k\frac{H}{\mathrm{\ρ}}=k\frac{C\×F}{\mathrm{\ρ}}$

其中，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，H为在外力作用下粒子传递出的能量值，F为确定的外力，C和k分别为外力与能量，能量与温度间的转换系数，此处设为常数。

5.如权利要求1所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述步骤4中网格温度场的插值计算公式为：

其中，p代表系统中的粒子，i代表网格点i，pos[i]为网格点的中心位置，dis(pos[i]，p)为粒子p至网格点i中心的距离。

6.一种可控的火焰动画生成系统，其特征在于，包括：

网格数据场获取模块，用于通过物理建模或实测获取火焰模拟的网格数据场；

粒子系统生成模块，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；

粒子系统调整模块，用于将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；

网格温度场计算模块，用于将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；

渲染生成模块，用于对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。

7.如权利要求6所述的火焰动画生成系统，其特征在于，所述粒子系统调整模块包括：

粒子系统划分模块，用于根据粒子初始点距燃烧注入点的距离，将所述粒子系统划分为两个区域，粒子的运动方式随着两个区域的火焰燃烧程度的变化而变化；

粒子附着处理模块，用于根据粒子生成点在整个区域的位置，随机选择所述两个区域中的一个区域的粒子导入场景，使粒子的生成点附着于用户设置的火焰形状上；

粒子轨迹调整模块，用于根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的角度，确定一个外力作用在粒子上对粒子的运动轨迹进行调整；

粒子温度调整模块，用于在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，对粒子的温度降低速度进行调整。

8.如权利要求7所述的火焰动画生成系统，其特征在于，所述粒子轨迹调整模块中的粒子位移改变计算公式为：

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{2}\frac{F}{g\left(\mathrm{\ρ}\right)}{\mathrm{\Δt}}^2$

其中，F为确定的外力，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，g(ρ)为ρ的一个函数，Δt为连续两帧之间的时间间隔。

9.如权利要求7所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述粒子温度调整模块中的粒子温度降低速度计算公式为：

$\mathrm{\ΔT}=k\frac{H}{\mathrm{\ρ}}=k\frac{C\×F}{\mathrm{\ρ}}$

其中，粒子的质量用粒子所处位置的密度值ρ来近似表示，H为在外力作用下粒子传递出的能量值，F为确定的外力，C和k分别为外力与能量，能量与温度间的转换系数，此处设为常数。

10.如权利要求6所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述网格温度场计算模块中的网格温度场的插值计算公式为：

$p\left(x_{i+1}\right)=p\left(x_i\right)+\underset{t_i}{\overset{t_i+\mathrm{\Δt}}{\∫}}u(p\left(\mathrm{\τ}\right),\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

其中p(x_i)为粒子在第i帧所处的位置，p(x_i+1)为粒子在第i+1帧所处的位置，u为粒子所在位置的速度，通过速度场插值可得任意时刻任意位置的速度值。

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