CN109960841B - 一种流体表面张力的仿真方法、终端设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请适用于图像处理技术领域，提供了一种流体表面张力的仿真方法、终端设备及存储介质，包括：将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动，检测所述流体表面的粒子，基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力，通过本申请可以提高流体仿真中表面张力仿真的精确度，从而使得流体的仿真更加真实。

Description

一种流体表面张力的仿真方法、终端设备及存储介质

技术领域

本申请属于图像处理技术领域，尤其涉及一种流体表面张力的仿真方法、终端设备及存储介质。

背景技术

流体仿真是计算机图形学的研究热点之一，在动画、游戏及电影特效等领域具有重要应用。目前流体仿真有多种方法，其中光滑粒子流体动力学(Smoothed ParticleHydrodynamics，SPH)方法是最为常用的方法之一。

目前基于光滑粒子流体动力学的流体仿真中，表面张力计算对实现逼真的流体仿真具有重要意义。然而，目前的流体表面张力的仿真所实现的的流体仿真存在失真的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种流体表面张力的仿真方法、终端设备及存储介质，以解决目前的流体表面张力的仿真所实现的流体仿真存在失真的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种流体表面张力的仿真方法，包括：

将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动；

检测所述流体表面的粒子；

基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力。

本申请实施例的第二方面提供了一种终端设备，包括：

流体构建模块，用于将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动；

检测模块，用于检测所述流体表面的粒子；

仿真模块，用于基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力。

本申请实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本申请实施例第一方面提供的所述方法的步骤。

本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时实现本申请实施例第一方面提供的所述方法的步骤。

本申请实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时实现本申请实施例第一方面提供的所述方法的步骤。

本申请实施例将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动，检测所述流体表面的粒子，基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力，由于通过将流体划分为多个离散的粒子，检测到的流体表面的粒子也是相互独立的离散粒子，基于流体表面的粒子计算表面的粒子之间的表面张力，可以提高流体表面粒子的表面张力的精确性，从而使得流体仿真获得更加逼真的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的一种流体表面张力的仿真方法的实现流程示意图；

图2是本申请又一实施例提供的一种流体表面张力的仿真方法的实现流程示意图；

图3是本申请一实施例提供的终端设备的示意框图；

图4是本申请又一实施例提供的终端设备的示意框图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1是本申请一实施例提供的流体表面张力的仿真方法的实现流程示意图，如图所示该方法可以包括以下步骤：

步骤S101，将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动。

在本申请实施例中，首先将流体划分为一系列离散的粒子，相当于将连续的流体用相互作用的独立的粒子来表示，每个粒子承载各自的动态参数，例如质量、速度、位置等。通过计算每个粒子的动态参数，然后将每个粒子按照计算的动态参数进行运动的方式，获得整个流体的各种行为仿真。划分的粒子越精细，自然仿真出的流体更加真实，也更能够精确的仿真出整个流体的各种行为。

步骤S102，检测所述流体表面的粒子。

在本申请实施例中，计算表面张力实际上主要与流体表面的粒子相关，所以需要检测到流体表面的粒子。

步骤S103，基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力。

在本申请实施例中，可以通过每个粒子邻域内的其它粒子中推导出当前表面粒子的表面张力。

例如，可以根据公式

获得流体表面粒子间的表面张力。

其中，F表示表面张力，m_i表示粒子i的质量，F_i表示粒子i的预设邻域内的其它粒子间相互作用合力，

F_ij表示粒子i和预设邻域内的其它粒子j之间的相互作用力。

在本申请实施例中，邻域表示的是一个特殊的区间，即以某个点a为中心点任何开区间称为该点a的邻域，假设预设一个值b，点a的b邻域就是开区间(a-b，a+b)，点a就是邻域的中心，b为邻域的半径。当然实际中，还可以设置点a的去心b邻域，即扣除中心点。预设邻域表示预先设置了b的邻域。

在本申请实施例中，所述粒子i和预设邻域内的其它粒子j之间的相互作用力F_ij通过以下公式获得：

其中，s_ij＝c_ijm_im_j，c_ij为自定义的参数，m_i、m_j分别表示粒子i和粒子j的质量，h表示光滑核半径，r_i表示粒子i的位置，r_j表示粒子j的位置。

本申请实施例由于通过将流体划分为多个离散的粒子，检测到的流体表面的粒子也是相互独立的离散粒子，基于流体表面的粒子计算表面的粒子之间的表面张力，可以提高流体表面粒子的表面张力的精确性，从而使得流体仿真获得更加逼真的效果。

图2是本申请又一实施例提供的流体表面张力的仿真方法的流程示意图，图2所示的实施例是在图1所示实施例基础上对检测到的流体表面的粒子的密度进行修正的过程，如图所示该方法可以包括以下步骤：

步骤S201，构建水平集网格。

在本申请实施例中，通过level-set函数构建水平集网格，水平集是一种用于界面追踪和形状建模的数值技术。水平集方法的优点是可以在笛卡尔网格(Cartesian grid)上对演化中的曲线曲面进行数值计算而不必对曲线曲面参数化(这是所谓的欧拉法(Eulerian approach))。水平集方法的另一个优点是可以方便的追踪物体的拓扑结构改变。例如当物体的形状一分为二，产生空洞，或者相反的这些操作。所有这些使得水平集方法成为随时间变化的物体建模的有力工具，例如膨胀中的气囊，掉落到水中的油滴。通过水平集方法构建的网格更能够体现流体的特性。构建的网格可以对流体表面的粒子进行位置索引。即，流体中粒子的位置用该粒子所对应的网格的索引值(例如，坐标作为索引值)进行标注。

步骤S202，通过构建的水平集网格对流体表面粒子的密度进行修正，获得修正后的流体表面粒子的位置。

在本申请实施例中，流体仿真，液体表面粒子的非完整核半径将导致液体密度的错误计算，这也是自由表面处数值不稳定与粒子非物理聚集现象的原因。而自由表面处的粒子非物理聚集对近表面粒子间作用力的计算有较大的影响。近表面粒子间作用力模型只有在粒子分布较为均匀自然的情况下才能得到较好的仿真效果。所以基于水平集网格，可以通过流体中每个粒子的体积占比系数R_i，对表面粒子进行密度修正。

作为本申请又一实施例，根据公式

对流体表面粒子的密度进行修正；

其中，R_i表示粒子i的体积占比系数，对于δ(φ_j)，当φ_j>0时，δ(φ_j)＝1，否则δ(φ_j)＝0，φ_j表示水平集函数，V_j表示粒子j的体积，W(r_i-r_j,h)表示光滑核函数，r_i表示粒子i的位置，r_j表示粒子j的位置，h表示光滑核半径。

步骤S203，基于修正后的流体表面粒子的位置，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力。

在本申请实施例中，可以通过基于修正后的流体表面粒子的位置，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力。

计算的方式可以通过图1所示实施例的方式，但是公式中涉及流体表面粒子的位置关系的参数需要采用修正后的流体表面粒子的位置参数。

在获得流体表面粒子的表面张力之后，可以根据计算的表面张力以及其他受力对流体进行仿真。

本申请实施例中，通过改进的表面粒子间的作用力模型计算流体表面的粒子之间的表面张力，可以更精确的对流体进行仿真；另外，通过水平集网格和粒子的体积占比系数公式进一步精确的计算流体表面粒子的表面张力，从而在流体仿真中，获得效果逼真的流体。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

图3是本申请一实施例提供的终端设备的示意框图，为了便于说明，仅示出与本申请实施例相关的部分。

该终端设备3可以是内置于手机、笔记本等现有的等终端设备内的软件单元、硬件单元或者软硬结合的单元，也可以作为独立的挂件集成到手机、笔记本等现有的等终端设备中，还可以作为独立的终端设备存在。

所述终端设备3包括：

流体构建模块31，用于将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动；

检测模块32，用于检测所述流体表面的粒子；

仿真模块33，用于基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力。

可选的，所述仿真模块33还用于：

根据公式

获得流体表面粒子间的表面张力；

其中，F表示表面张力，m_i表示粒子i的质量，F_i表示粒子i的预设邻域内的其它粒子间相互作用合力，

F_ij表示粒子i和预设邻域内的其它粒子j之间的相互作用力。

可选的，所述仿真模块33还用于：

通过公式

当|r_i-r_j|≤3h时，获得粒子i和预设邻域内的其它粒子j之间的相互作用力；

其中，s_ij＝c_ijm_im_j，c_ij为自定义的参数，m_i、m_j分别表示粒子i和粒子j的质量，h表示光滑核半径，r_i表示粒子i的位置，r_j表示粒子j的位置。

可选的，所述终端设备3还包括：

网格构建模块34，用于构建水平集网格；

修正模块35，用于通过构建的水平集网格对流体表面粒子的密度进行修正，获得修正后的流体表面粒子的位置；

所述仿真模块33，还用于基于修正后的流体表面粒子的位置，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力。

可选的，所述修正模块35还用于：

根据公式

对流体表面粒子的密度进行修正；

其中，R_i表示粒子i的体积占比系数，对于δ(φ_j)，当φ_j>0时，δ(φ_j)＝1，否则δ(φ_j)＝0，φ_j表示水平集函数，V_j表示粒子j的体积，W(r_i-r_j,h)表示光滑核函数，r_i表示粒子i的位置，r_j表示粒子j的位置，h表示光滑核半径。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述终端设备的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

图4是本申请又一实施例提供的终端设备的示意框图。如图4所示，该实施例的终端设备4包括：一个或多个处理器40、存储器41以及存储在所述存储器41中并可在所述处理器40上运行的计算机程序42。所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述各个流体表面张力的仿真方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至S103。或者，所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述终端设备实施例中各模块/单元的功能，例如图3所示模块31至33的功能。

示例性的，所述计算机程序42可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器41中，并由所述处理器40执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序42在所述终端设备4中的执行过程。例如，所述计算机程序42可以被分割成流体构建模块、检测模块、仿真模块。

所述流体构建模块，用于将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动；

所述检测模块，用于检测所述流体表面的粒子；

所述仿真模块，用于基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力。

其它模块或者单元可参照图3所示的实施例中的描述，在此不再赘述。

所述终端设备包括但不仅限于处理器40、存储器41。本领域技术人员可以理解，图4仅仅是终端设备4的一个示例，并不构成对终端设备4的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入设备、输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器40可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器41可以是所述终端设备4的内部存储单元，例如终端设备4的硬盘或内存。所述存储器41也可以是所述终端设备4的外部存储设备，例如所述终端设备4上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器41还可以既包括所述终端设备4的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器41用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器41还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种流体表面张力的仿真方法，其特征在于，包括：

将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动；

检测所述流体表面的粒子；

基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力；

其中，在检测所述流体表面的粒子之后，还包括：

构建水平集网格；

通过构建的水平集网格对流体表面粒子的密度进行修正，获得修正后的流体表面粒子的位置；

所述基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力包括：

基于修正后的流体表面粒子的位置，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力；

所述通过构建的水平集网格对流体表面粒子的密度进行修正包括：

根据公式

对流体表面粒子的密度进行修正；

其中，R_i表示粒子i的体积占比系数，对于δ(φ_j)，当φ_j>0时，δ(φ_j)＝1，否则δ(φ_j)＝0，φ_j表示水平集函数，V_j表示粒子j的体积，W(r_i-r_j,h)表示光滑核函数，r_i表示粒子i的位置，r_j表示粒子j的位置，h表示光滑核半径。

2.如权利要求1所述的流体表面张力的仿真方法，其特征在于，所述基于检测出的流体表面的粒子，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力包括：

根据公式

获得流体表面粒子间的表面张力；

其中，F表示表面张力，m_i表示粒子i的质量，F_i表示粒子i的预设邻域内的其它粒子间相互作用合力，

F_ij表示粒子i和预设邻域内的其它粒子j之间的相互作用力。

3.如权利要求2所述的流体表面张力的仿真方法，其特征在于，所述粒子i和预设邻域内的其它粒子j之间的相互作用力通过以下公式获得：

其中，s_ij＝c_ijm_im_j，c_ij为自定义的参数，m_i、m_j分别表示粒子i和粒子j的质量，h表示光滑核半径，r_i表示粒子i的位置，r_j表示粒子j的位置。

4.一种终端设备，其特征在于，包括：

流体构建模块，用于将流体划分为离散的粒子，并基于光滑核计算粒子的动态参数，所述流体中的粒子按照计算的动态参数进行运动；

检测模块，用于检测所述流体表面的粒子；

仿真模块，用于：

构建水平集网格；

通过构建的水平集网格对流体表面粒子的密度进行修正，获得修正后的流体表面粒子的位置；

基于修正后的流体表面粒子的位置，获得所述流体表面的粒子之间的表面张力；

所述仿真模块还用于：

根据公式

对流体表面粒子的密度进行修正；

其中，R_i表示粒子i的体积占比系数，对于δ(φ_j)，当φ_j>0时，δ(φ_j)＝1，否则δ(φ_j)＝0，φ_j表示水平集函数，V_j表示粒子j的体积，W(r_i-r_j,h)表示光滑核函数，r_i表示粒子i的位置，r_j表示粒子j的位置，h表示光滑核半径。

5.如权利要求4所述的终端设备，其特征在于，所述仿真模块还用于：

根据公式

获得流体表面粒子间的表面张力；

其中，F表示表面张力，m_i表示粒子i的质量，F_i表示粒子i的预设邻域内的其它粒子间相互作用合力，

F_ij表示粒子i和预设邻域内的其它粒子j之间的相互作用力。

6.如权利要求5所述的终端设备，其特征在于，所述仿真模块还用于：

通过公式

获得粒子i和预设邻域内的其它粒子j之间的相互作用力；

其中，s_ij＝c_ijm_im_j，c_ij为自定义的参数，m_i、m_j分别表示粒子i和粒子j的质量，h表示光滑核半径，r_i表示粒子i的位置，r_j表示粒子j的位置。

7.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述方法的步骤。

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