CN104008561A - 一种基于gpu模拟过程式动画的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPU模拟过程式动画的实现方法，主要包括：定义待模拟对象所在环境的风场信息；基于定义所得待模拟对象所在环境的风场信息进行分类，对不同类别分别进行插值计算，得到与相应风场信息对应的四元数；基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行处理，形成待模拟对象的运动动画。本发明所述基于GPU模拟过程式动画的实现方法，可以克服现有技术中模拟效果差、运动模式表达难度大和计算机图形处理量大等缺陷，以实现模拟效果好、运动模式表达难度小和计算机图像处理量小的优点。

Description

一种基于GPU模拟过程式动画的实现方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体地，涉及一种基于GPU模拟过程式动画的实现方法。

背景技术

自然现象的模拟是计算机领域的一个重要研究课题，在自然界中这随风摆动的是一种很常见的现象，要想精确的模拟这种摇曳的效果具有相当的复杂性，大多数树木有无数个树枝和树叶组成，而摇曳具有层次性，每个树枝的不仅自身运动，还要随着父树枝运动而运动，这样的运动模式很难用几何变形来表达。

为了解决这种现象的模拟，就需要计算机图形处理相当复杂的运算。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在模拟效果差、运动模式表达难度大和计算机图形处理量大等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于GPU模拟过程式动画的实现方法，以实现模拟效果好、运动模式表达难度小和计算机图像处理量小的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于GPU模拟过程式动画的实现方法，主要包括：

a、定义待模拟对象所在环境的风场信息；

b、基于定义所得待模拟对象所在环境的风场信息进行分类，对不同类别分别进行插值计算，得到与相应风场信息对应的四元数；

c、基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行处理，形成待模拟对象的运动动画。

进一步地，在步骤a中，所述定义待模拟对象所在环境的风场信息的操作，具体包括：

由于形成待模拟对象摇曳的效果时必须有外力，该外力之源一般采用流体力学的方法来模拟风，把风力定义为对地形的二维力场，风场能够在顶点着色器中通过一个二维纹理来进行采样获得，这种方法完全在GPU上模拟风场；

该模拟风场定义了流体的速度和方向，采用数据结构来存储该模拟风场；在该模拟风场中，全局风向和风速能够和风元一起存储，风元被定义为分析函数：

                             v= G(x,t)；

其中，x是一个风元中表示位置的二维向量，v是在给定位置的一个风向量，时间t随着时间的变化，能够计算出每一个点的风向和风速。

进一步地，在步骤a中，所述待模拟对象所在环境的风场信息，包括：

待模拟对象位于迎风向的振幅、振动频率和偏移角度；

待模拟对象位于背风向的振幅、振动频率和偏移角度；

待模拟对象垂直于风向的振幅、振动频率和偏移角度。

进一步地，在步骤b中，所述对不同类别分别进行插值计算，通过参数传入到Lerp()函数里，GPU会对这个函数插值计算处理，得到与相应风场信息对应的四元数的操作，具体包括：

当待模拟对象位于迎风向和背风向时，分别将待模拟对象位于迎风向的风场信息和待模拟对象位于背风向的风场信息进行插值计算，得到四元数0；所述待模拟对象位于迎风向的风场信息和待模拟对象位于背风向的风场信息，均包括振幅、振动频率和偏移角度；

当待模拟对象垂直于背风向时，将待模拟对象垂直于风向的风场信息进行插值计算，得到四元数1；所述待模拟对象垂直于风向的风场信息包括振幅、振动频率和偏移角度。

进一步地，在步骤c中，所述基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行处理，形成待模拟对象的运动动画的操作，具体包括：

将基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行二次插值计算，得到待模拟对象旋转的四元数；

对待模拟对象旋转的四元数所影响的顶点，进行矩阵变换处理，形成待模拟对象的运动。该矩阵变换的过程和骨骼变换的相同，具体的矩阵变换其实是为了实现坐标的统一而进行的变换，即从树枝静止时自身坐标矩阵转化为相对于树干的世界坐标变换，然后在转化为改树枝的世界矩阵。而这些顶点的位置就随着最后每个枝条的运动情况来实现运动的。

进一步地，所述待模拟对象，包括树木、花草。

本发明各实施例的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，由于主要包括：定义待模拟对象所在环境的风场信息；基于定义所得待模拟对象所在环境的风场信息进行分类，对不同类别分别进行插值计算，得到与相应风场信息对应的四元数；基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行处理，形成待模拟对象的运动动画；可以模拟树木、花草实时摇曳的过程；从而可以克服现有技术中模拟效果差、运动模式表达难度大和计算机图形处理量大的缺陷，以实现模拟效果好、运动模式表达难度小和计算机图像处理量小的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中未使用枝叶的动画图；

图2为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中使用过枝叶的动画图；

图3为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中美术制作树模型的命名规则2的动画图；

图4为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中美术制作树模型的命名规则2的动画图；

图5为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中振幅调到最大的树枝的运动（树干也归为树枝）

图6为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中振幅调到最小的树枝的运动（树干也归为树枝）

图7（a）为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中在无风状态下树枝的偏移角度为0的动画图；

图7（b）为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中树枝的偏移角度为1的时候，得到最大偏移角度的动画图；

图7（c）为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法中树枝的偏移角度为-1的时候，得到最小偏移角度的动画图；

图8为本发明基于GPU模拟过程式动画的实现方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

随着时代的发展，GPU的性能也在不断的提高，依据GPU具有高并行结构的特点，所有在处理图形数据和复杂计算拥有比CPU更高的效率。

为了解决现有技术中存在的缺陷，根据本发明实施例，如图1-图8所示，提供了一种基于GPU模拟过程式动画的实现方法，具体是一种模拟树木、花草实时摇曳的过程式动画实现的方法。该基于GPU模拟过程式动画的实现方法，利用了GPU顶点着色器中引入过程式动画就是为了充分发掘GPU的创建和绘制的能力，来模拟可视化拥有大量植物的较大的开放环境，这种模拟到虚拟的场景中形成逼真的树木摇曳的效果，不仅可以增加场景的生动性，更能增强用户的代入感。

本实施例的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，主要包括：

a、定义待模拟对象所在环境的风场信息；

在步骤a中，定义待模拟对象所在环境的风场信息的操作，具体包括：

由于形成待模拟对象摇曳的效果时必须有外力，该外力之源一般采用流体力学的方法来模拟风，把风力定义为对地形的二维力场，风场能够在顶点着色器中通过一个二维纹理来进行采样获得，这种方法完全在GPU上模拟风场；该待模拟对象，包括树木、花草；

该模拟风场定义了流体的速度和方向，采用数据结构来存储该模拟风场；在该模拟风场中，全局风向和风速能够和风元一起存储，风元被定义为分析函数：

                             v= G(x,t)；

其中，x是一个风元中表示位置的二维向量，v是在给定位置的一个风向量，时间t随着时间的变化，能够计算出每一个点的风向和风速；

在步骤a中，待模拟对象所在环境的风场信息，包括：

待模拟对象位于迎风向的振幅、振动频率和偏移角度；

待模拟对象位于背风向的振幅、振动频率和偏移角度；

待模拟对象垂直于风向的振幅、振动频率和偏移角度；

b、基于定义所得待模拟对象所在环境的风场信息进行分类，对不同类别分别进行插值计算，得到与相应风场信息对应的四元数；

在步骤b中，对不同类别分别进行插值计算，通过参数传入到Lerp()函数里，GPU会对这个函数插值计算处理，得到与相应风场信息对应的四元数的操作，具体包括：

当待模拟对象位于迎风向和背风向时，分别将待模拟对象位于迎风向的风场信息和待模拟对象位于背风向的风场信息进行插值计算，得到四元数0；待模拟对象位于迎风向的风场信息和待模拟对象位于背风向的风场信息，均包括振幅、振动频率和偏移角度；

当待模拟对象垂直于风向时，将待模拟对象垂直于风向的风场信息进行插值计算，得到四元数1；待模拟对象垂直于风向的风场信息包括振幅、振动频率和偏移角度；

c、基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行处理，形成待模拟对象的运动动画；

在步骤c中，基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行处理，形成待模拟对象的运动动画的操作，具体包括：

将基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行二次插值计算，得到待模拟对象旋转的四元数；

对待模拟对象旋转的四元数所影响的顶点，进行矩阵变换处理，形成待模拟对象的运动。

上述实施例的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，主要基于GPU生成游戏场景树木和花草来模拟现实世界“风吹草动”“树欲静而风不止”真实的现象。自然界中树木运动的非常复杂的，为了保证模拟算法的高效性又要实现游戏中的场景中动态效果的高质量。本发明的技术方案，采用了下列方案来实现：

首先，形成树木摇曳的效果，必须有外力，外力之源一般采用流体力学的方法来模拟风，首先我们把风力定义为对地形的二维力场，风场可以在顶点着色器中通过一个二维纹理来进行采样获得，这种方法完全在GPU上模拟风场。 这个场定义了流体速度和方向，我们把这个场用一个数据结构来存储，全局风向和风速可以和风元一起存储，风元被定义为分析函数：

                             v= G(x,t)；

其中，x是一个风元中表示位置的二维向量，v是在给定位置的一个风向量，时间t随着时间的变化，我们可以计算出每一个点的风向和风速。

其次，对于树木的层次结构以及树枝的在程序中的命名，树干则是作为这个层次的根，每一根树枝都被表示为一个简单的刚体段并可以绕这它的父枝的连接点进行转动。为了建模和绘制的效率和最终的画面效果取的一个良好的平衡，我们采用一种混合式网格模型和图像相结合的方法。

我们将空间上相邻的多个叶片及连接它们的小树枝合并，以Billboard（公告板）技术表现，这种方法能显著的减少模型的面数，根据树叶在枝条上植物学的分布情况在树干上插入带有纹理贴图的面片。这样能大大减少计算量。这种模型的好处能用非常简单的模型的数据生成具有相当真实的感树木绘制效果，同时还能高效率的实现一定的动态模拟。如上图1和2，未使用枝叶和使用过后的枝叶。

我们把树的主干用网格模型来表示，树皮和树叶用纹理贴图来显示，而且在模型内部建立了随着摄像机的远近模型的细节层次的不同变换。首先美术制作树模型的命名规则如图3和图4。

图3和图4是一颗典型的树的层次结构，0，1，2，3，4，5，6，7，8代表枝干的数字编号，编号规则从根开始，从下往上，从父到子开始遍历，树的层次最大深度为3。如果需要每段树枝都可以单独运动，则每段树枝都需要单独命名，每段树枝或者叶子除了本身渲染网格的命名外，还需要新建立一个代表其形状的直线，同样需要特别的命名。

树枝的命名规则：

树枝渲染网格的命为Branch_M，其中M代表数字编号，层次拓扑网格命名为Branch_M|BranchP_N，其中M代表编号，N代表该树枝的父节点，如没有则为-1 。 

树叶的命名规则：

树叶渲染网格命名为Leaf_M，其中M代表数字编号，层次拓扑网格命名为Leaf_M|Parent_N,其中M代表数字编号，N代表该叶子的第3层次的父树枝的数字ID，没有则为-1。

按照以上规则，我们可以给图3和图4中的树命名：

0号树枝渲染网格命名：Branch_0；

0号树枝直线拓扑网格命名（即两点代表的线段）：Branch_0|BranchP_-1；

1号树枝渲染网格命名：Branch_1；

1号树枝拓扑网格命名（即两点代表的线段）Branch_1|BranchP_0；

2号树枝渲染网格命名：Branch_2；

2号树枝拓扑网格命名（即两点代表的线段）Branch_2|BranchP_0；

3号树枝渲染网格命名：Branch_3；

3号树枝拓扑网格命名（即两点代表的线段）Branch_3|BranchP_0；

3号树枝渲染网格命名：Branch_8；

3号树枝拓扑网格命名（即两点代表的线段）Branch_8|BranchP_3；

01号叶子渲染网格命名：Leaf_01(若需要公告板，即命名为Leaf_01|Billboard)；

01号叶子的拓扑网格命名（即两点代表的线段）：Leaf_01|Parent_3；

02号叶子渲染网格命名：Leaf_02(若需要公告板，即命名为Leaf_02|Billboard)；

02号叶子的拓扑网格命名（即两点代表的线段）：Leaf_02|Parent_0；

03号叶子渲染网格命名：Leaf_03(若需要公告板，即命名为Leaf_03|Billboard)；

03号叶子的拓扑网格命名（即两点代表的线段）：Leaf_03|Parent_0。

再次，树模型命名规则完成后，我们需要在加载树模型时计算树动画需要的参数，我们把一颗树分成branches和leafs，分别代表树枝（树根也是树枝）和树叶，我们首先需要计算树枝和树叶的父子拓扑结构，即从根开始，每个树枝它包含的子树枝的编号，以及每个树枝它的父树枝的编号，我们把树枝编号存为一个列表。

树叶因为是最底层，所以它没有子树叶，我们只需要把树叶的存为一个列表。

如果树叶是公告板形式的，我们把树叶存为公告板的一个列表。

然后根据美术制作资源时的直线拓扑结构，我们需要计算树动画的相关参数，树枝的相关参数包括：树枝的长度，树枝的层级偏移（即该树枝和父树枝的交点占父树枝的长度权重比），树枝影响树枝的序列，变换矩阵。

树叶的相关参数包括：公告板树枝的中心旋转点的位置，树叶层级偏移，树枝影响树枝的序列。

本发明的过程式动画是风和树枝之间共同作用的结果，树枝的振幅、振动频率、角度偏移，来生成旋转的参数。

振幅是物体离开平衡位置的最大距离，它描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱。每种情况我们都会设置振幅、频率、偏移角的参数，通过对这些参数的混合插值，得到新的振幅、频率，偏移角度。我们通过设置不同的振幅，如图5和6。让树枝模拟不同风的强度下树枝的弯曲程度。

频率是一秒钟内振动质点完成全振动的次数叫振动的频率。频率越大，振动的越快。在该实例中如果风过于激烈会使树枝不停的左右摆动，通过这种模拟，可以得到更真实模拟风的激烈程度。

角度偏移：树枝在偏离无风状态下的朝向。

我们可以将树枝和树干之间的空间关系分为3类：

⑴树枝位于风的迎风面；

⑵树枝位于风的背风面；

⑶树枝垂直于风的方向；

这3类都会设置振幅、频率、偏移角度参数，我们对这些参数混合插值，得到一个新的振幅，频率和偏移角度。

我们会根据权重值对迎风和背风插值，具体的权重插值是树枝的朝向和风场的方向夹角的余弦（设两个朝向的夹角为a 那么权重值weight=cos(a)），具体的振幅和偏移角度插值如下：

混合振幅0=Lerp（迎风的振幅,背风的振幅，weight）(其中weight= cos(a))；

混合偏移角度0= Lerp（迎风的偏移角度,背风的偏移角度，weight）(其中weight= cos(a))；

根据weight的权重正负，决定是采用迎风和背风的频率。

即混合频率0= weight>?迎风的频率：背风的频率

然而当风向垂直于树枝的情况我们也计算。

混合振幅1=垂直于风的树枝的振幅；

混合偏移角度1=垂直于风的树枝的偏移角度；

混合频率=垂直于风的树枝的频率；

如果要进一步模拟树是随着风向朝着一定方向杂乱的运动我们就要将混合频率0和混合频率1产生两个旋转的四元数，对两个四元数Quat0，Quat1插值，其中插值的权重值为weight= cos(a)。

Quat0=rotate(风向，偏移角度0+振幅0*频率0*周相函数的余弦)；

Quat1=rotate(树枝朝向，偏移角度1+振幅1*频率1*周相函数的余弦)；

其中周相函数是扰动函数产生局部的随机性。

我们在定义Quat3对之前的两个四元数插值计算得到树枝旋转的四元数；这也是我们的二次插值计算：

Quat3= Lerp (Quat0，Quat1，weight) (其中weight= cos(a))；

同理，我们可以得到所有树枝旋转的四元数。

根据上面我们所述的树枝和树叶的拓扑结构，我们可以计算出树枝上的某一个顶点受那些树枝影响，即：哪些四元数影响顶点，结合树枝的层级偏移（即该树枝和父树枝的交点占父树枝的长度权重比，然后根据顶点受那些树枝的影响序列以及权重，从而根据骨骼矩阵的原理，对顶点做多次的旋转变换相加的到新的顶点位置。这些矩阵的旋转驱动了顶点的运动，进而也驱动了树枝的运动。

综上所述，本发明上述各实施例的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，至少可以达到以下有益效果：

⑴在风场中树的过程式动画的生成，通过在顶点着色器中合成动画释放了GPU能量，它更好的整合了基于GPU风场流体模拟的可能，绕过了其他的方法需要风场信息都会主存的做法；

⑵使用这种技术可以模拟各种视觉现象，生成各种逼真的树的运动；

⑶模拟步骤高度的并行化，很容易被应用到不同的多处理环境中。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于GPU模拟过程式动画的实现方法，其特征在于，主要包括：

a、定义待模拟对象所在环境的风场信息；

b、基于定义所得待模拟对象所在环境的风场信息进行分类，对不同类别分别进行插值计算，得到与相应风场信息对应的四元数；

c、基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行处理，形成待模拟对象的运动动画。

2.根据权利要求1所述的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，其特征在于，在步骤a中，所述定义待模拟对象所在环境的风场信息的操作，具体包括：

由于形成待模拟对象摇曳的效果时必须有外力，该外力之源一般采用流体力学的方法来模拟风，把风力定义为对地形的二维力场，风场能够在顶点着色器中通过一个二维纹理来进行采样获得，这种方法完全在GPU上模拟风场；

该模拟风场定义了流体的速度和方向，采用数据结构来存储该模拟风场；在该模拟风场中，全局风向和风速能够和风元一起存储，风元被定义为分析函数：

                             v= G(x,t)；

其中，x是一个风元中表示位置的二维向量，v是在给定位置的一个风向量，时间t随着时间的变化，能够计算出每一个点的风向和风速。

3.根据权利要求1或2所述的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，其特征在于，在步骤a中，所述待模拟对象所在环境的风场信息，包括：

待模拟对象位于迎风向的振幅、振动频率和偏移角度；

待模拟对象位于背风向的振幅、振动频率和偏移角度；

待模拟对象垂直于风向的振幅、振动频率和偏移角度。

4.根据权利要求3所述的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，其特征在于，在步骤b中，所述对不同类别分别进行插值函数计算， 通过参数传入到Lerp()函数里，GPU会对这个函数插值计算处理，得到与相应风场信息对应的四元数的操作，具体包括：

当待模拟对象位于迎风向和背风向时，分别将待模拟对象位于迎风向的风场信息和待模拟对象位于背风向的风场信息进行插值计算，得到四元数0；所述待模拟对象位于迎风向的风场信息和待模拟对象位于背风向的风场信息，均包括振幅、振动频率和偏移角度；

当待模拟对象垂直于风向时，将待模拟对象垂直于风向的风场信息进行插值计算，得到四元数1；所述待模拟对象垂直于风向的风场信息包括振幅、振动频率和偏移角度。

5.根据权利要求4所述的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，其特征在于，在步骤c中，所述基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行处理，形成待模拟对象的运动动画的操作，具体包括：

将基于风场信息的不同类别插值计算得到的多个四元数进行二次插值计算，得到待模拟对象旋转的四元数；

对待模拟对象旋转的四元数所影响的顶点，进行矩阵变换处理，形成待模拟对象的运动。

6.根据权利要求1或2所述的基于GPU模拟过程式动画的实现方法，其特征在于，所述待模拟对象，包括树木、花草。