基於粒子的高保真流體互動動畫研究

《基於粒子的高保真流體互動動畫研究》是依託北方工業大學，由張鳳全擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於粒子的高保真流體互動動畫研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張鳳全
• 依託單位：北方工業大學

項目摘要

高保真（高解析度的、保護細節的、逼真的）流體動畫在影視特效、娛樂遊戲、災難應急、軍事仿真、醫學仿真等方面有著廣泛的套用。流體運動複雜多樣，且與周圍環境的互動複雜多樣，建模難度大。基於粒子的物理建模技術是流體動畫建模的重要途徑之一。然而，傳統的粒子方法無法構建複雜互動形式下的模式結構，而且表面解析度與場景解析度無法解耦合，使得解析度難以提高，存在諸多缺陷。因此，我們改進現有規則語義的表達能力，將流體物理特性與粒子特徵相結合，構建普適的多尺度粒子模型建模方法，設計有效的流體互動模型，並建立高解析度細節生成規則與多層次細節保護措施，實現高保真流體互動動畫建模。具體研究內容包括：多尺度粒子規則定義與描述；流體互動行為策略與耦合；高解析度細節模型建模；多層次細節表面重建。本課題旨在實現流體互動動畫建模的高保真度，最終提供更為高效、普適的流體動畫建模解決方案。

結題摘要

本課題圍繞基於物理的流體互動動畫開展理論方法和關鍵技術研究工作。重點開展了構建普適的多尺度粒子模型建模方法，設計有效的粒子互動模型，建立流體表面細節生成規則與細節保護措施及高效的粒子流體並行建模等研究工作。研究成果在影視特效、娛樂遊戲、災難應急、軍事仿真、醫學仿真等方面有著廣泛的套用。在搭建普適的底層物理框架方面，基於距離與速度場約束理論，提出大尺度流體場景及其邊界面的粒子統一表示方法。基於流體邊界互動的物理規律，提出多尺度粒子的各異性建模方法，提出多尺度粒子生成規則、粒子間自由轉化的描述語義。在建立高效的流體互動行為策略與耦合方法方面，基於固體力學理論，實現對固體和變形體的建模；提出流體與固體、變形體之間滑動、摩擦等耦合方法；解決了流體互動中穿越、重疊、吸附等互動行為問題。在流體表面重建及細節建模方面，提出了一種基於自適應標量場的流體表面重建方法，有效的保護了流體表面細節，並實現了高質量的流體可視化效果。在流體並行仿真最佳化方面，針對多GPUs的特點，設計了一種基於多GPUs的流體並行加速仿真方法。提出了基於時間和空間的動態劃分策略，保證了GPUs間的負載均衡；為了減少數據傳輸開銷，利用CUDA提供的多執行緒機制，設計了一種異步數據傳輸策略，合理的隱藏了粒子傳輸的開銷。在本項目的資助下，發表學術論文15篇（SCI檢索4篇，EI檢索9篇），其中期刊論文8篇，CCF推薦期刊2篇，國內CCF主辦學報1篇，在具有較高影響的國際會議上發表論文2篇；專利申請2項，軟體著作權3項；支持8名研究生畢設課題研究，其中4名碩士在本項目資助下完成了畢業論文；支持參加國際學術會議5次。圓滿完成了項目申請時所提出的指標。