馬學(xué)濤

摘 要： 基于物理的流體動畫技術(shù)一直是計算機圖形領(lǐng)域最為活躍的研究方向之一，并且在最近幾年的發(fā)展十分迅猛，然而由于該項技術(shù)需要求解十分復(fù)雜的非線性運行，而實時性優(yōu)勢計算機圖形應(yīng)用的一個重要需求。因此，如何提高計算機計算效率就成為該項技術(shù)應(yīng)用過程中需要重點解決的問題。本次研究主要根據(jù)基于物理的流體動畫技術(shù)的研究進展，就基于物理的流體動畫建模技術(shù)進行了簡單的論述，希望通過本次研究對今后軟件和硬件方面的設(shè)計，實現(xiàn)實時的流體動畫效果有一定助益。

關(guān)鍵詞：流體動畫 物理 建模技術(shù) 研究

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）07-0016-01

在我們?nèi)粘Ｉ钪泻秃芏嘤耙曌髌分校╋L(fēng)雨的海面、緩慢上升的青煙以及四處飛濺的水滴等流體現(xiàn)象給人們帶來了視覺方面的享受，現(xiàn)階段，在藝術(shù)領(lǐng)域，不管是攝影師、電影電視制作人還是游戲設(shè)計人員都在積極嘗試捕捉這些美景。進入新世紀以后，人們對電視、電影以及游戲、動畫的畫面要求來越高，然而流體運動十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的美術(shù)工作一幀一幀回執(zhí)流體效果已經(jīng)不能適應(yīng)時代發(fā)展需求，于是基于物理的流體動畫模擬技術(shù)應(yīng)用而生。該項技術(shù)主要是通過求解描述流體運動狀態(tài)的物理方法來模擬流體運動，盡管在物理學(xué)有經(jīng)典的流體力學(xué)方程用來求解流體運動，但是該種方程是一個非線性偏微分方程，除了極少數(shù)特定情況下能夠求解，一般情況難以得出準確結(jié)果。進入新世紀，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進步，計算機技術(shù)逐漸應(yīng)用成熟，我們可以通過數(shù)值方法中對流體力學(xué)經(jīng)典方程進行研究和分析，于是一門新型學(xué)科計算機流體力學(xué)應(yīng)用而生。但計算機流體力學(xué)要求計算機模擬出來的最終結(jié)果能指導(dǎo)工業(yè)等方面設(shè)計，而流體動畫主要側(cè)重于能夠形成欺騙觀眾的流體視覺效果。盡管流體力學(xué)推動了基于物理的流體動畫的發(fā)展，但是由于兩者之間的研究內(nèi)涵不同，流體動畫作為一個相對獨立的研究領(lǐng)域，仍然存在很多值得研究的課題，如基于物理的流體動畫建模技術(shù)研究。

一、細節(jié)捕捉建模技術(shù)

很多小范圍和小尺寸的流體細節(jié)如下落雨滴濺起的水花，小的漩渦都屬于流體運動的高頻部分，而在流體動畫中最吸引人的就是這些高頻流體細節(jié)，但是對于傳統(tǒng)的基于物理的流體動畫模擬來說，要想準確、清晰的捕捉這些細節(jié)是一件難度很大的事情。結(jié)合信息理論系統(tǒng)中的采樣定理，只有保證采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍以上，才能將原來的信號無損失的的還原出來，這就意味著我們在進行流體模擬，要想捕捉運動的高頻細節(jié)，就需要不斷增加采樣的頻率和質(zhì)量，也就是要增加網(wǎng)格或者粒子的精確度以及數(shù)量，但是如果這樣做會顯著增加系統(tǒng)計算的時間，因此在基于物理的流體動畫模擬只是簡單增加采樣頻率是不行的。最近幾年，有很多研究學(xué)者對這一問題進行深入而全面的研究，這其中最為著名的理論就是在粗精度物理模式的基礎(chǔ)上對高頻的基于過程的流體場進行疊加作用。這個理論決定了高頻流體場的能量分布范圍，然后再應(yīng)用所普林噪聲旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生散度為零的過程向量場，很多研究學(xué)者采用了不同的方法保證這個流體場的向量一幀和一幀之間的連續(xù)性，但是這種建模技術(shù)依然存在不少的缺陷，整個高頻場是根據(jù)概率模型建設(shè)的，并不能再現(xiàn)高精度物理模擬所帶來的以假亂真的效果，而且流體場和障礙物之間的交互次數(shù)僅僅去取決于低精度的物理流體模擬結(jié)果。流體運動的高頻細節(jié)是生產(chǎn)針真實流體動畫不可缺少的一個重要組成部分，最近幾年很多研究學(xué)者都高度關(guān)注這方面的研究，但是還缺少一個比較完善的解決方案，需要我們做進一步的研究。

二、網(wǎng)格生成模擬技術(shù)

在基于物理的流體動畫模擬研究領(lǐng)域，網(wǎng)格生產(chǎn)技術(shù)是一項很有潛力的研究方向。在我們應(yīng)用流體物理學(xué)經(jīng)典公式進行求解過程中，計算網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到最終求解方法是否能夠得到一個精確的結(jié)果，同時好的網(wǎng)格模擬技術(shù)也能更好的離散邊界條件和捕獲小尺寸動畫細節(jié)。在現(xiàn)階段的流體動畫模擬領(lǐng)域，只有兩種網(wǎng)格類型，主要包括了MAC網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格，這兩種網(wǎng)格有其各自的優(yōu)點和缺陷，其中第一種方法無法精確的確定便捷，而第二種計算方法會出現(xiàn)額外計算量。在未來的發(fā)展過程中，我們可以將這兩種網(wǎng)格類型進行綜合，形成混合型網(wǎng)格模式，這種網(wǎng)格模式綜合上述兩種方法的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)各自的取長補短。在計算流體力學(xué)領(lǐng)域中，網(wǎng)格生成方法經(jīng)常被提出，但是在流體動畫模擬研究領(lǐng)域，還處于一個起步發(fā)展階段，因此，我們在進行流體動畫模擬研究過程中，可以從流體力學(xué)計算領(lǐng)域中借鑒很多種思維和方法。在流體力學(xué)計算領(lǐng)域中，有一種網(wǎng)格計算模式被稱為彎曲是的計算網(wǎng)格模式，這種模式可以在空間中完全貼合便捷，然后通過將坐標進行空間變化，將相應(yīng)的結(jié)果映射到計算空間的立體化的網(wǎng)格中。利用這種方法可以將流體力學(xué)中的經(jīng)典方程求解通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)移到計算空間中，求解后再通過坐標逆向變化方法得到最終物理空間中的解。

三、結(jié)論

從最近幾年發(fā)表的關(guān)于流體動畫模擬的研究文獻來看，很多純粹的單一化的研究方法因為較大的局限性逐漸被多種混合方法所代替。而最近年研究熱點主要集中在流體細節(jié)增強方面的研究。進入新世紀以來，隨著混合式模擬方法的研究越來越深入，已經(jīng)研究出了很多有價值的流體動畫表達方式，而這些表達方式的改變也在逐漸影響到模型編程數(shù)據(jù)的改變，就需要我們更好的模型結(jié)構(gòu)來適應(yīng)新的流體動畫表達模式。因此，在未來混合方法研究為主的研究方向有著更為廣闊的應(yīng)用空間。

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