基于物理的流体动画建模技术研究

马学涛

摘 要： 基于物理的流体动画技术一直是计算机图形领域最为活跃的研究方向之一，并且在最近几年的发展十分迅猛，然而由于该项技术需要求解十分复杂的非线性运行，而实时性优势计算机图形应用的一个重要需求。因此，如何提高计算机计算效率就成为该项技术应用过程中需要重点解决的问题。本次研究主要根据基于物理的流体动画技术的研究进展，就基于物理的流体动画建模技术进行了简单的论述，希望通过本次研究对今后软件和硬件方面的设计，实现实时的流体动画效果有一定助益。

关键词：流体动画 物理 建模技术 研究

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）07-0016-01

在我们日常生活中和很多影视作品中，暴风雨的海面、缓慢上升的青烟以及四处飞溅的水滴等流体现象给人们带来了视觉方面的享受，现阶段，在艺术领域，不管是摄影师、电影电视制作人还是游戏设计人员都在积极尝试捕捉这些美景。进入新世纪以后，人们对电视、电影以及游戏、动画的画面要求来越高，然而流体运动十分复杂，传统的美术工作一帧一帧回执流体效果已经不能适应时代发展需求，于是基于物理的流体动画模拟技术应用而生。该项技术主要是通过求解描述流体运动状态的物理方法来模拟流体运动，尽管在物理学有经典的流体力学方程用来求解流体运动，但是该种方程是一个非线性偏微分方程，除了极少数特定情况下能够求解，一般情况难以得出准确结果。进入新世纪，随着科学技术不断发展和进步，计算机技术逐渐应用成熟，我们可以通过数值方法中对流体力学经典方程进行研究和分析，于是一门新型学科计算机流体力学应用而生。但计算机流体力学要求计算机模拟出来的最终结果能指导工业等方面设计，而流体动画主要侧重于能够形成欺骗观众的流体视觉效果。尽管流体力学推动了基于物理的流体动画的发展，但是由于两者之间的研究内涵不同，流体动画作为一个相对独立的研究领域，仍然存在很多值得研究的课题，如基于物理的流体动画建模技术研究。

一、细节捕捉建模技术

很多小范围和小尺寸的流体细节如下落雨滴溅起的水花，小的漩涡都属于流体运动的高频部分，而在流体动画中最吸引人的就是这些高频流体细节，但是对于传统的基于物理的流体动画模拟来说，要想准确、清晰的捕捉这些细节是一件难度很大的事情。结合信息理论系统中的采样定理，只有保证采样频率大于信号最高频率的两倍以上，才能将原来的信号无损失的的还原出来，这就意味着我们在进行流体模拟，要想捕捉运动的高频细节，就需要不断增加采样的频率和质量，也就是要增加网格或者粒子的精确度以及数量，但是如果这样做会显著增加系统计算的时间，因此在基于物理的流体动画模拟只是简单增加采样频率是不行的。最近几年，有很多研究学者对这一问题进行深入而全面的研究，这其中最为著名的理论就是在粗精度物理模式的基础上对高频的基于过程的流体场进行叠加作用。这个理论决定了高频流体场的能量分布范围，然后再应用所普林噪声旋转过程中产生散度为零的过程向量场，很多研究学者采用了不同的方法保证这个流体场的向量一帧和一帧之间的连续性，但是这种建模技术依然存在不少的缺陷，整个高频场是根据概率模型建设的，并不能再现高精度物理模拟所带来的以假乱真的效果，而且流体场和障碍物之间的交互次数仅仅去取决于低精度的物理流体模拟结果。流体运动的高频细节是生产针真实流体动画不可缺少的一个重要组成部分，最近几年很多研究学者都高度关注这方面的研究，但是还缺少一个比较完善的解决方案，需要我们做进一步的研究。

二、网格生成模拟技术

在基于物理的流体动画模拟研究领域，网格生产技术是一项很有潜力的研究方向。在我们应用流体物理学经典公式进行求解过程中，计算网格的质量直接影响到最终求解方法是否能够得到一个精确的结果，同时好的网格模拟技术也能更好的离散边界条件和捕获小尺寸动画细节。在现阶段的流体动画模拟领域，只有两种网格类型，主要包括了MAC网格和四面体网格，这两种网格有其各自的优点和缺陷，其中第一种方法无法精确的确定便捷，而第二种计算方法会出现额外计算量。在未来的发展过程中，我们可以将这两种网格类型进行综合，形成混合型网格模式，这种网格模式综合上述两种方法的优点，能够实现各自的取长补短。在计算流体力学领域中，网格生成方法经常被提出，但是在流体动画模拟研究领域，还处于一个起步发展阶段，因此，我们在进行流体动画模拟研究过程中，可以从流体力学计算领域中借鉴很多种思维和方法。在流体力学计算领域中，有一种网格计算模式被称为弯曲是的计算网格模式，这种模式可以在空间中完全贴合便捷，然后通过将坐标进行空间变化，将相应的结果映射到计算空间的立体化的网格中。利用这种方法可以将流体力学中的经典方程求解通过相应的转换转移到计算空间中，求解后再通过坐标逆向变化方法得到最终物理空间中的解。

三、结论

从最近几年发表的关于流体动画模拟的研究文献来看，很多纯粹的单一化的研究方法因为较大的局限性逐渐被多种混合方法所代替。而最近年研究热点主要集中在流体细节增强方面的研究。进入新世纪以来，随着混合式模拟方法的研究越来越深入，已经研究出了很多有价值的流体动画表达方式，而这些表达方式的改变也在逐渐影响到模型编程数据的改变，就需要我们更好的模型结构来适应新的流体动画表达模式。因此，在未来混合方法研究为主的研究方向有着更为广阔的应用空间。

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