基于粒子的高保真流体交互动画研究

The high-fidelity fluid animation is widely applied in the field of film special effects, entertainment games, disaster relief, military simulation and medical simulation. The modeling of fluid, e.g. liquid, smoke and fog, is a challenging task because of their highly complex motion and interaction by surrounding environment. Particle-based physical modeling method is one of the most important methods in fluid animation. However, the traditional method cannot build a satisfactory structure mode in complex interactive scenes. Furthermore, the resolution of scene and surface cannot be decoupled totally, making the resolution difficult to improve with many defects. In order to solve the above mentioned issue, we firstly improve the rules of semantic expression ability, combining fluid physical properties and particle characteristics, to build a versatile modeling for multi-scale particles. Then, we design an effective fluid interaction model, and describe a high resolution detail generation rule and multi-level detail protections, to obtain the modeling of high-fidelity fluid interaction animation. The research topics include: definition of rules and description to generate multi-scale particles, strategy of two-way fluid-rigid coupling, high resolution details modeling and multi-level of details to reconstruct surface. We purpose to build a high-fidelity fluid interaction scene, providing more efficient and versatile fluid modeling solutions.

高保真（高分辨率的、保护细节的、逼真的）流体动画在影视特效、娱乐游戏、灾难应急、军事仿真、医学仿真等方面有着广泛的应用。流体运动复杂多样，且与周围环境的交互复杂多样，建模难度大。基于粒子的物理建模技术是流体动画建模的重要途径之一。然而，传统的粒子方法无法构建复杂交互形式下的模式结构，而且表面分辨率与场景分辨率无法解耦合，使得分辨率难以提高，存在诸多缺陷。因此，我们改进现有规则语义的表达能力，将流体物理特性与粒子特征相结合，构建普适的多尺度粒子模型建模方法，设计有效的流体交互模型，并建立高分辨率细节生成规则与多层次细节保护措施，实现高保真流体交互动画建模。具体研究内容包括：多尺度粒子规则定义与描述；流体交互行为策略与耦合；高分辨率细节模型建模；多层次细节表面重建。本课题旨在实现流体交互动画建模的高保真度，最终提供更为高效、普适的流体动画建模解决方案。

本课题围绕基于物理的流体交互动画开展理论方法和关键技术研究工作。重点开展了构建普适的多尺度粒子模型建模方法，设计有效的粒子交互模型，建立流体表面细节生成规则与细节保护措施及高效的粒子流体并行建模等研究工作。研究成果在影视特效、娱乐游戏、灾难应急、军事仿真、医学仿真等方面有着广泛的应用。. 在搭建普适的底层物理框架方面，基于距离与速度场约束理论，提出大尺度流体场景及其边界面的粒子统一表示方法。基于流体边界交互的物理规律，提出多尺度粒子的各异性建模方法，提出多尺度粒子生成规则、粒子间自由转化的描述语义。在建立高效的流体交互行为策略与耦合方法方面，基于固体力学理论，实现对固体和变形体的建模；提出流体与固体、变形体之间滑动、摩擦等耦合方法；解决了流体交互中穿越、重叠、吸附等交互行为问题。在流体表面重建及细节建模方面，提出了一种基于自适应标量场的流体表面重建方法，有效的保护了流体表面细节，并实现了高质量的流体可视化效果。在流体并行仿真优化方面，针对多GPUs的特点，设计了一种基于多GPUs的流体并行加速仿真方法。提出了基于时间和空间的动态划分策略，保证了GPUs间的负载均衡；为了减少数据传输开销，利用CUDA提供的多线程机制，设计了一种异步数据传输策略，合理的隐藏了粒子传输的开销。. 在本项目的资助下，发表学术论文15篇（SCI检索4篇，EI检索9篇），其中期刊论文8篇，CCF推荐期刊2篇，国内CCF主办学报1篇，在具有较高影响的国际会议上发表论文2篇；专利申请2项，软件著作权3项；支持8名研究生毕设课题研究，其中4名硕士在本项目资助下完成了毕业论文；支持参加国际学术会议5次。圆满完成了项目申请时所提出的指标。