CN106682302A - 一种流体固体耦合的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机图形学领域,提供了一种流体固体耦合的方法和装置,以减小实现流体固体耦合时的运算量。所述方法包括:计算可形变固体表面的局部高斯曲率;根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数;耦合流体粒子和所述不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合。本发明的技术方案根据可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数,代理粒子自适应地生成,不仅减小了流体固体耦合时的运算量,而且能够获得逼真高效的流固耦合仿真结果。

Description

一种流体固体耦合的方法和装置
技术领域
本发明属于计算机图形学领域,尤其涉及一种流体固体耦合的方法和装置。
背景技术
随着计算机仿真和虚拟现实技术的快速发展,近年来基于物理的流体固体耦合(以下简称流固耦合)仿真及其相关应用已经成为一个重要的研究方向,在计算机动画、游戏开发和工业设计等领域具有巨大的应用价值。流固耦合涉及流体和固体之间的许多复杂交互,包括边界处理、耦合力计算和耦合响应等方面。
目前研究人员提出了一些最新的方法用于耦合流体与复杂的固体模型,例如刚体和可变形固体,并取得了较好的效果。通过在固体表面三角网格上采样代理粒子或边界粒子用以实现固体与流体的耦合是最近比较流行的一种方法。例如,在刚体表面采样均匀分布的边界粒子与流体粒子相互耦合,所采样的边界粒子被用于修改边界流体的密度以及计算与流体粒子间的双向耦合力。
然而,上述现有的流体固体耦合方法在每个步长都对固体表面所有三角面片以同样分辨率进行无差别采样,如此,对于复杂仿真场景或较大的固体模型而言会导致采样粒子数量过大,从而增加计算负担。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流体固体耦合的方法和装置,以减小实现流体固体耦合时的运算量。
本发明第一方面提供一种流体固体耦合的方法,所述方法包括:
计算可形变固体表面的局部高斯曲率;
根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数;
耦合流体粒子和所述不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合。
本发明第二方面提供一种流体固体耦合的装置,所述装置包括:
计算模块,用于计算可形变固体表面的局部高斯曲率;
生成模块,用于根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数;
耦合模块,用于耦合流体粒子和所述不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合。
从上述本发明技术方案可知,与现有的流体固体耦合方法在每个步长都对固体表面所有三角面片以同样分辨率进行无差别采样相比,本发明的技术方案根据可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数,代理粒子自适应地生成,不仅减小了流体固体耦合时的运算量,而且能够获得逼真高效的流固耦合仿真结果。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的流体固体耦合的方法的实现流程示意图;
图2是本发明实施例二提供的流体固体耦合的装置的结构示意图;
图3是本发明实施例三提供的流体固体耦合的装置的结构示意图;
图4是本发明实施例四提供的流体固体耦合的装置的结构示意图;
图5是本发明实施例五提供的流体固体耦合的装置的结构示意图;
图6-a是本发明实施例六提供的流体固体耦合的装置的结构示意图;
图6-b是本发明实施例七提供的流体固体耦合的装置的结构示意图;
图6-c是本发明实施例八提供的流体固体耦合的装置的结构示意图;
图6-d是本发明实施例九提供的流体固体耦合的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种流体固体耦合的方法,所述方法包括:计算可形变固体表面的局部高斯曲率;根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数;耦合流体粒子和所述不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合。本发明实施例还提供相应的流体固体耦合的装置。以下分别进行详细说明。
请参阅附图1,是本发明实施例一提供的流体固体耦合的方法的实现流程示意图,主要包括以下步骤S101至步骤S103,详细说明如下:
S101,计算可形变固体表面的局部高斯曲率。
在本发明实施例中,对于任一三角形面片,可计算得到三种类型的局部高斯曲率,第一种是三角形顶点的局部高斯曲率,即,顶点的高斯曲率,第二种为三角形三条边上的局部高斯曲率,即,每条边上两个顶点的局部高斯曲率平均值,第三种为三角形面片内部的局部高斯曲率,即,三角形三个顶点的局部高斯曲率平均值;可以根据可形变固体表面的局部高斯曲率来评估复杂固体模型的各区域复杂性。
S102,根据步骤S101计算出的可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和支持域相应的光滑核函数。
作为本发明一个实施例,根据步骤S101计算出的可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和支持域相应的光滑核函数可通过如下步骤S1021和S1022实现:
S1021,在可形变固体模型的三角片上根据局部高斯曲率计算生成不同分辨率的代理粒子和不同大小的光滑核函数半径。
所谓不同分辨率的代理粒子即不同粒子间距的代理粒子,局部高斯曲率越大,则所生成的代理粒子分辨率越高、粒子间距越小;对于边E的代理粒子,其间距为其中,hf是流体粒子的光滑核函数半径,是边E的局部高斯曲率。在本发明实施例中,在可形变固体模型的三角片上根据局部高斯曲率计算生成不同分辨率的代理粒子具体可以是:在可形变固体表面的三角形面片T的内部,沿着三角形最短边的法向方向采用扫描线算法生成代理粒子,其间距为 是三角形面片T的局部高斯曲率。
S1022,根据局部高斯曲率以不同密度对所述可形变固体表面采样代理粒子,将代理粒子光滑核函数的支持域设计为椭球设计椭球的光滑核函数为W(r,G)=ξdet(G)P(||Gr||),其中,a、b为赤道半径,c为极半径,ξ为系数,r=x-xi,G=diag(h2 s-T,h2 s-T,h2 f)或G=diag(h2 s-AB,h2 f,h2 f)。
在本发明实施例中,将代理粒子光滑核函数的支持域设计为椭球时,将垂直于三角面片的轴向半径设置为较小值,对ΔABC内部的代理粒子,则G=diag(h2 s-T,h2 s-T,h2 f),对ΔABC边AB上的代理粒子,则可以得到G=diag(h2 s-AB,h2 f,h2 f),AC边和BC边上的代理粒子相应的G可类似得到,P(||Gr||)是关于Gr的三次样条多项式。
S103,耦合流体粒子和经步骤S102生成的不同分辨率的代理粒子,以实现流体固体的耦合。
为了处理SPH核函数在边界处不连续的问题,减少因此带来的计算误差,在本发明实施例中,耦合流体粒子和不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合之前还包括:采用正则化的方式求解光滑核函数边界处代理粒子和流体粒子的物理量A,此处,mj为粒子质量,ρj为为粒子密度。
在上述本发明实施例中,若可形变固体发生形变,则上述实施例的方法还包括:重新根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率重采样代理粒子,并根据可形变固体表面三角面片形变的大小自适应地改变代理粒子的切向光滑核半径的大小,设ηT=S'/S,S和S'分别是三角形面片变形前后的面积,那么变形后三角面片内代理粒子的切向光滑核半径为
从上述附图1示例的流体固体耦合的方法可知,与现有的流体固体耦合方法在每个步长都对固体表面所有三角面片以同样分辨率进行无差别采样相比,本发明的技术方案根据可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数,代理粒子自适应地生成,不仅减小了流体固体耦合时的运算量,而且能够获得逼真高效的流固耦合仿真结果。
请参阅附图2,是本发明实施例二提供的流体固体耦合的装置的结构示意图。为了便于说明,附图2仅示出了与本发明实施例相关的部分。附图2示例的流体固体耦合的装置可以是附图1示例的流体固体耦合的方法的执行主体。附图2示例的流体固体耦合的装置主要包括计算模块201、生成模块202和耦合模块203,其中:
计算模块201,用于计算可形变固体表面的局部高斯曲率;
生成模块202,用于根据可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和支持域相应的光滑核函数;
耦合模块203,用于耦合流体粒子和不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合。
需要说明的是,以上附图2示例的流体固体耦合的装置的实施方式中,各功能模块的划分仅是举例说明,实际应用中可以根据需要,例如相应硬件的配置要求或者软件的实现的便利考虑,而将上述功能分配由不同的功能模块完成,即将所述流体固体耦合的装置的内部结构划分成不同的功能模块,以完成以上描述的全部或者部分功能。而且,实际应用中,本实施例中的相应的功能模块可以是由相应的硬件实现,也可以由相应的硬件执行相应的软件完成,例如,前述的生成模块,可以是具有执行前述根据可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和支持域相应的光滑核函数的硬件,例如生成器,也可以是能够执行相应计算机程序从而完成前述功能的一般处理器或者其他硬件设备;再如前述的耦合模块,可以是执行耦合流体粒子和不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合的硬件,例如耦合器,也可以是能够执行相应计算机程序从而完成前述功能的一般处理器或者其他硬件设备(本说明书提供的各个实施例都可应用上述描述原则)。
附图2示例的生成模块202可以包括计算单元301和采样单元302,如附图3所示本发明实施例三提供的流体固体耦合的装置,其中:
计算单元301,用于在可形变固体模型的三角片上根据局部高斯曲率计算生成不同分辨率的代理粒子和不同大小的光滑核函数半径;
采样单元302,用于根据局部高斯曲率以不同密度对可形变固体表面采样代理粒子,将代理粒子光滑核函数的支持域设计为椭球设计椭球的光滑核函数为W(r,G)=ξdet(G)P(||Gr||),其中,a、b为赤道半径,c为极半径,ξ为系数,r=x-xi,G=diag(h2 s-T,h2 s-T,h2 f)或G=diag(h2 s-AB,h2 f,h2 f),P(||Gr||)是关于Gr的三次样条多项式。
附图3示例的计算单元301可以包括代理粒子生成单元401,如附图4所示本发明实施例四提供的流体固体耦合的装置。代理粒子生成单元401用于在可形变固体表面的三角形面片T的内部,沿着三角形最短边的法向方向采用扫描线算法生成代理粒子。
附图2示例的流体固体耦合的装置还可以包括边界处理模块501,如附图5所示本发明实施例五提供的流体固体耦合的装置。边界处理模块501用于耦合模块203耦合流体粒子和不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合之前,采用正则化的方式求解光滑核函数边界处代理粒子和流体粒子的物理量A。
附图2至5任一示例的流体固体耦合的装置还可以包括重处理模块601,如附图6-a至6-d所示本发明实施例六至九提供的流体固体耦合的装置。重处理模块601用于若可形变固体发生形变,则重新根据可形变固体表面的局部高斯曲率重采样代理粒子,并根据可形变固体表面三角面片形变的大小自适应地改变代理粒子的切向光滑核半径的大小。
需要说明的是,上述装置各模块/单元之间的信息交互、执行过程等内容,由于与本发明方法实施例基于同一构思,其带来的技术效果与本发明方法实施例相同,具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述,此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:只读存储器(ROM,Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的流体固体耦合的方法和装置进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种流体固体耦合的方法,其特征在于,所述方法包括:
计算可形变固体表面的局部高斯曲率;
根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数;
耦合流体粒子和所述不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数,包括:
在可形变固体模型的三角片上根据所述局部高斯曲率计算生成不同分辨率的代理粒子和不同大小的光滑核函数半径;
根据局部高斯曲率以不同密度对所述可形变固体表面采样代理粒子,将代理粒子光滑核函数的支持域设计为椭球设计所述椭球的光滑核函数为W(r,G)=ξdet(G)P(||Gr||),所述a、b为赤道半径,所述c为极半径,所述ξ为系数,所述r=x-xi,G=diag(h2 s-T,h2 s-T,h2 f)或G=diag(h2 s-AB,h2 f,h2 f),所述P(||Gr||)是关于Gr的三次样条多项式。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述在可形变固体模型的三角片上根据所述局部高斯曲率计算生成不同分辨率的代理粒子包括:在所述可形变固体表面的三角形面片T的内部,沿着三角形最短边的法向方向采用扫描线算法生成代理粒子。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述耦合流体粒子和所述不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合之前,所述方法还包括:
采用正则化的方式求解所述光滑核函数边界处代理粒子和流体粒子的物理量A。
5.如权利要求1至4任意一项所述的方法,其特征在于,若所述可形变固体发生形变,则所述方法还包括:
重新根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率重采样代理粒子,并根据所述可形变固体表面三角面片形变的大小自适应地改变代理粒子的切向光滑核半径的大小。
6.一种流体固体耦合的装置,其特征在于,所述装置包括:
计算模块,用于计算可形变固体表面的局部高斯曲率;
生成模块,用于根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率,生成不同分辨率的代理粒子及其支持域和所述支持域相应的光滑核函数;
耦合模块,用于耦合流体粒子和所述不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合。
7.如权利要求6所述的装置,其特征在于,所述生成模块包括:
计算单元,用于在可形变固体模型的三角片上根据所述局部高斯曲率计算生成不同分辨率的代理粒子和不同大小的光滑核函数半径;
采样单元,用于根据局部高斯曲率以不同密度对所述可形变固体表面采样代理粒子,将代理粒子光滑核函数的支持域设计为椭球设计所述椭球的光滑核函数为W(r,G)=ξdet(G)P(||Gr||),所述a、b为赤道半径,所述c为极半径,所述ξ为系数,所述r=x-xi,G=diag(h2 s-T,h2 s-T,h2 f)或G=diag(h2 s-AB,h2 f,h2 f),所述P(||Gr||)是关于Gr的三次样条多项式。
8.如权利要求7所述的装置,其特征在于,所述计算单元包括:
代理粒子生成单元,用于在所述可形变固体表面的三角形面片T的内部,沿着三角形最短边的法向方向采用扫描线算法生成代理粒子。
9.如权利要求6所述的装置,其特征在于,所述装置还包括:
边界处理模块,用于所述耦合模块耦合流体粒子和所述不同分辨率的代理粒子以实现流体固体的耦合之前,采用正则化的方式求解所述光滑核函数边界处代理粒子和流体粒子的物理量A。
10.如权利要求6至9任意一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包括:
重处理模块,用于若所述可形变固体发生形变,则重新根据所述可形变固体表面的局部高斯曲率重采样代理粒子,并根据所述可形变固体表面三角面片形变的大小自适应地改变代理粒子的切向光滑核半径的大小。
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