高效高精度自适应采样控制流体仿真

作     者：周湘洋 刘斯诺 姚超 王笑琨 班晓娟 

作者机构：北京材料基因工程高精尖创新中心 北京科技大学智能科学与技术学院 北京科技大学智能仿生无人系统教育部重点实验室 北京科技大学计算机与通信工程学院 辽宁材料实验室材料智能技术研究所 

出 版 物：《计算机辅助设计与图形学学报》 (Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics)

年 卷 期：2025年

核心收录：

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：科技创新2030-重大项目(2022ZD0118001) 国家自然科学基金(62332017, U22A2022, 62306032) 湖北省自然科学基金(2023AFB016) 广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515110350, 2023A1515030177) 

主　　题：光滑粒子流体动力学 目标控制的流体模拟 基于位置的流体模拟 VR应用 

摘      要：流体仿真是计算机图形学领域备受关注的研究方向， 特别是流体动态生成逼真的模型. 在大规模场景中生成复杂模型的控制流体效果时， 现有方法常出现流体粒子堆积和崩坏等问题， 导致表面重构后占用的内存过大， 限制实时VR、游戏和影视的应用. 为了解决上述问题， 精确地控制流体形状以匹配目标模型， 确保流体的流动性， 提出一种多层采样与多重约束控制流体的仿真方法. 首先根据模型的均匀性引入两种采样方法: 对于均匀模型使用双层采样， 通过体素化采样得到内部采样粒子， 通过蓝噪声采样得到表面采样粒子; 对于非均匀模型， 仅使用蓝噪声采样得到表面采样粒子. 然后基于这些采样方法设计了多种约束模型， 包括塑形约束、密度约束、半密度约束和加权约束， 确保流体得以精确控制; 特别地， 所提方法可根据模型特征自动调整， 确保简单模型中流体的流动和复杂模型中流体的贴合. 在多个场景上的实验结果表明， 与现有的方法相比， 该方法在控制流体精度和效率上都取得了进步， 能够在VR场景中以60～120 帧/s的速度运行， 为流体动态的实时应用提供了新的方法.