融合几何信息的多尺度流体动画建模方法研究

Animating special effects such as water, smoke and fire is widely used in animation production. Generating fluid with high degree of realism is the fundamental goal in these applications. However, it is very difficult to generate realistic fluid appearance with multiscale details in the fluid animation world..We study a novel multiscale fluid animation method by combining geometry model with physical model. The main idea is to produce realistic fluid effects with multiscale details based on the fusion of geometry information. We focus on liquid animation in our research. The details are as follows. First, we study how to extract features from geometry information and represent them as a multiscale data structure. Based on the data structure, we then propose a geometry modeling method in order to generate multiscale fluid details. Finally, the coupling method between physical model and geometry model is presented to animate fluid motions. Our research provides a novel modeling method that can be easily implemented and extended to animate multiscale fluid details with good effects and high efficiency. In addition, the method can also be used in the multiscale animation of natural phenomena for digital entertainment.

动漫制作中涉及到大量的流体动画特效如水、烟、火等。视觉逼真性是这些流体特效的基本追求。视觉逼真的多尺度流体模拟一直是困扰流体动画研究领域的难题。.本课题将几何模型与物理模型相结合，通过融合几何信息的方式研究多尺度流体动画建模新方法。我们以液态流体为例开展研究。具体内容包括，研究流体中几何信息的提取与表达方法，为几何建模提供具有多尺度特征的数据结构。研究多尺度几何建模方法，实现多尺度细节的视觉表达。研究几何模型与物理模型的耦合方法，实现多尺度细节的运动。本课题的开展将为流体动画提供视觉逼真性好、计算高效、易于实现和可扩展的多尺度建模新方法，实现多尺度流体细节的模拟，最终生成视觉逼真的流体动画。同时，该方法还为数字娱乐领域中自然现象的多尺度仿真提供思路和基础。

动漫制作中涉及到大量的流体动画特效如水、烟、火等。视觉逼真性是这些流体特效的基本追求。视觉逼真的流体模拟一直是困扰流体动画研究领域的难题。目前的多尺度流体动画细节表示都是基于多个物理模型，通过它们之间的相互耦合实现多尺度流体模拟，然而却存在计算代价高、数值耗散大等问题。本课题从融合几何信息的角度出发，对多尺度细节的流体动画的建模问题进行了深入研究。首先，在多尺度建模方面，研究了耦合几何特征的高精度流体动画建模方法，通过利用不同流体细节如水面和水花之间的相关性提高计算效率和计算精度； 研究了基于SPH模型的多分辨流体动画建模方法，通过协同考虑流体计算及表面构建两个关键因素有效生成流体运动的多分辨率细节；研究了大尺度液体表面模拟生物污染物蔓延的方法，通过建立基于LevelSet的生物蔓延运动模型模拟大尺度液体表面上的蔓延细节；其次，在多尺度表面的表达方面，研究了一种基于谷脊线特征的表面简化方法，通过表面上的谷脊线获取重要性几何特征从而实现对表面的简化，可有效提高流体动画的渲染效率。最后，在多尺度流体动画的控制方面，研究了基于几何特征的流体动画控制模型与方法，通过构建时变几何分区、设计异构控制模型并耦合高精度物理模型，使得在保持流体角色形状的同时产生丰富的流体细节。