一种基于SPH的运动物体与水交互的仿真建模方法

摘要

本发明涉及一种基于SPH的运动物体与水交互的仿真建模方法，属于计算机图形学与虚拟现实领域。本发明的方法包括以下步骤：一、对仿真进行初始化，包括粒子属性的初始配置和建立粒子的相邻粒子列表；二、对水粒子的相邻粒子列表进行更新；三、计算水粒子在下一步时间步的位置和运动状态；四、计算物体粒子在下一步时间步的位置和运动状态；五、判断粒子与障碍物是否发生碰撞，如果发生碰撞，则改变粒子的运动速率和方向，否则直接执行第六步；六、基于marching cubes算法构建水面拓朴结构；七、采用图形绘制语言，进行水面和物体的绘制和显示；八、判断仿真是否停止运行。使用本发明所述方法可以模拟运动物体与水的交互现象，获得比较真实的仿真结果。

主权项

1、一种基于SPH的运动物体与水交互的仿真建模方法，包括以下步骤：一、对仿真进行初始化，包括粒子属性的初始配置和建立粒子的相邻粒子列表，首先将物体和水进行粒子化，即将物体和水用粒子的形式来表达，建立包含物体粒子和水粒子的粒子集合，同时对集合中的粒子属性进行初始配置：1)确定物体粒子和水粒子的数量；2)建立粒子集合的位置数组和速度数组；3)初始时按照物体和水的形状等间隔分布粒子，并将每个物体粒子和水粒子的初始位置保存到位置数组中，同时将每个物体粒子和水粒子的初始速度设置为零；4)设置每个粒子的质量、密度、压强等常数属性，同时为所有粒子设定统一的粒子支持域半径，即光滑核半径；5)仿真的初始时间设置为t＝0，并定义时间步常量TIME_STEP；对粒子集合进行初始配置后，为每个粒子建立粒子的相邻粒子列表，即为每个粒子寻找位于其支持域内的所有粒子，列表中包含位于粒子支持域内的所有粒子的索引值；二、仿真时间步向前推进一步，对水粒子的相邻粒子列表进行更新；三、计算水粒子在下一步时间步的位置和运动状态；四、计算物体粒子在下一步时间步的位置和运动状态，具体步骤为：1)计算物体粒子j所受浮力fj float 2)计算物体粒子j的重力fj gravity 3)计算物体粒子所受合力Fj 4)计算Fj作用下的平移加速度aj 5)计算物体粒子的平移速度velj+1 6)计算物体粒子的旋转速度vel′j+1 7)计算物体粒子在下一刻的速度vj+1＝vel′j+1+velj+1 8)计算物体粒子在下一刻的位置xj+1＝xj+vj+1Δt五、根据计算得到的粒子位置判断粒子与障碍物是否发生碰撞，如果发生碰撞，则改变粒子的运动速率和方向，否则直接执行第六步；六、基于marching cubes算法构建水面拓朴结构，具体步骤为：1)由非规则分布的粒子数据产生出规则分布的水流密度场数据，即生成规则分布的标量(密度)数据场，具体做法是：将网格节点作为流场中的规则采样点，节点的采样值通过SPH插值来计算；2)确定水面的密度值，作为等值面的阈值；3)基于Marching Cubes算法进行水面抽取，即从水体密度场中抽取出水体表面的密度等值面，进而构建出水体表面的拓朴结构，完成水面绘制；七、采用图形绘制语言，如OPENGL或DIRECTX，将第六步所生成的三角形网格传输到显卡进行水面的绘制和显示；同时，以物体的重心位置为基准，以三角面片的形式绘制出物体；八、判断是否有人为关闭仿真进程的行为或仿真结束时间到，如果有，则仿真停止运行；否则仿真继续，重复执行二～七步。