液體仿真研究綜述

段松爽 林婉敏 張景琦 林旖文 胡文康 盧嘉琪

【摘 要】在虛擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，需要對(duì)化學(xué)液體進(jìn)行模擬仿真，液體仿真問(wèn)題是計(jì)算機(jī)仿真中最為核心的難題之一，而虛擬現(xiàn)實(shí)中更需要真實(shí)的繪制效果才能得到虛擬現(xiàn)實(shí)所需要的3I特性。本文講述了常用液體仿真的研究現(xiàn)狀，對(duì)其實(shí)現(xiàn)原理以及現(xiàn)階段的技術(shù)做了簡(jiǎn)單的闡述，對(duì)虛擬化學(xué)液體仿真的未來(lái)發(fā)展做出了展望。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí);液體仿真;化學(xué)液體

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是一款作用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬應(yīng)用，作用在于將危險(xiǎn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)以VR模擬的形式呈現(xiàn)出來(lái)，這樣的形式既安全又能將實(shí)驗(yàn)的步驟與試驗(yàn)時(shí)的變化和結(jié)果還原出來(lái)，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)，而且節(jié)約了做實(shí)驗(yàn)的化學(xué)材料的成本問(wèn)題，還減少了化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的環(huán)境污染。但是這個(gè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)仍有著不少的阻礙，其中化學(xué)液體的仿真需要將其的粘稠，晃動(dòng)，質(zhì)量等屬性模擬出來(lái)，雖然現(xiàn)有的部分方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體仿真，但是還存在著幀數(shù)降低和交互不易的困境，一個(gè)穩(wěn)定的、可交互的液體仿真技術(shù)是我們迫切需要攻克的課題。目前我們的研究的方向分為兩類，其一則是基于粒子法的液體實(shí)時(shí)仿真，其二則是基于實(shí)時(shí)網(wǎng)格變形的液體實(shí)時(shí)仿真。

二、液體仿真的研究現(xiàn)狀

（1）基于粒子法

以學(xué)者Lucy[1]、Gingold和Monaghan[2]分別提出的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法（SPH，Smoothed Particle Hydrodynamics）為研究和拓展應(yīng)用于液體仿真。此方法不依賴于網(wǎng)格，將連續(xù)的流體通過(guò)質(zhì)點(diǎn)組（粒子組）來(lái)描述。粒子與粒子之間有相互作用力，任何一個(gè)粒子上所承載物理量（質(zhì)量、速度等）都通過(guò)求解粒子組的動(dòng)力學(xué)方程和在該粒子周圍的其他相關(guān)粒子的屬性和運(yùn)動(dòng)軌道得到。SPH方法精度高且易于控制，但缺點(diǎn)是計(jì)算量會(huì)隨粒子數(shù)增多而急劇增大，模擬的液體會(huì)被壓縮等。龍廳[3]、Macklin[4]等學(xué)者均分別以SPH方法進(jìn)行研究和拓展，雖然改善了其SPH方法的缺點(diǎn)，但同時(shí)又存在著其他不適用于液體實(shí)時(shí)仿真的問(wèn)題，如耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)或物理擬真性較差、受力壓縮飛濺等。

（2）基于網(wǎng)格法

流體網(wǎng)格法是里奇，金特里等學(xué)者在哈洛的質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由流體網(wǎng)格法是將自然空間用整齊有規(guī)律的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，特定區(qū)域中的液體流動(dòng)變化狀態(tài)則記錄在每一個(gè)網(wǎng)格單元上用于后續(xù)繪制。網(wǎng)格法進(jìn)行液體仿真相對(duì)而言能得到較好結(jié)果，運(yùn)用廣泛，但對(duì)于一些流體效果建模較為困難，目前存在著液體變形上還不夠精確等問(wèn)題。

（3）基于粒子法與網(wǎng)格法

鄒玲，齊越，趙沁平等學(xué)者在基于粒子法和網(wǎng)格法基礎(chǔ)上，利用歐拉法求解流體控制方程以及粒子的液體仿真方法對(duì)液體進(jìn)行模擬，每一個(gè)網(wǎng)格單元記錄液體流動(dòng)的變化狀態(tài)，單個(gè)粒子的物理量通過(guò)粒子當(dāng)前所處位置的臨近網(wǎng)格得到。此方法不僅利用歐拉法精確求解結(jié)果，又應(yīng)用了粒子靈活構(gòu)建動(dòng)態(tài)液體形狀，液體表面生成方式簡(jiǎn)單、效果較真實(shí)，但又存在著仿真頻率和實(shí)時(shí)性等問(wèn)題。

可知目前單純采用現(xiàn)有的液體仿真方法是無(wú)法同兼有良好的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和交互性。基于粒子法的液體模擬方法，其靜態(tài)效果和微動(dòng)效果雖較好，但仍無(wú)法解決壓縮問(wèn)題，如受力壓縮飛濺等。而基于網(wǎng)格變形的模擬方法可以保證交互性，但目前存在缺乏真實(shí)感的問(wèn)題。因此對(duì)于液體仿真目前存在的主要問(wèn)題是，如何在保證交互性和實(shí)時(shí)性的同時(shí)追求液體液面的真實(shí)感。

三、基于網(wǎng)格變形的液面模擬技術(shù)

（1）快速傅立葉變換方法

學(xué)者J.W.庫(kù)利和T.W.圖基提出的快速傅氏變換（FFT）是基于離散傅氏變換的快速算法。此算法計(jì)算速度快、效率高，在信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。Jerry Tessendorf學(xué)者基于統(tǒng)計(jì)的快速傅立葉變換方法對(duì)液體進(jìn)行仿真，真實(shí)地模擬出海面海浪的效果。此方法模擬的液體雖表現(xiàn)力較強(qiáng)，但交互性較弱，使用范圍有限，在小范圍液體或容器中液體里沒(méi)有真實(shí)的物理特性。

（2）擬鐘擺方法

擬鐘擺方法是通過(guò)近似鐘擺的搖擺規(guī)律來(lái)模擬液體的晃動(dòng)。其方法可以大體表現(xiàn)出液體在容器中被晃動(dòng)的物理效果，且此方法占用極少資源，交互效果好，應(yīng)用面廣泛。因此在游戲產(chǎn)業(yè)中較多見(jiàn)，其所實(shí)現(xiàn)的液面模擬在UnityStore中存在完整的插件。但是模擬出的效果過(guò)于簡(jiǎn)單，只能表現(xiàn)大概的液面晃動(dòng)且過(guò)于規(guī)律，無(wú)法表現(xiàn)出液體表面的細(xì)節(jié)波動(dòng)，真實(shí)感極低。

（3）彈簧質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)方法

David R.Hausmann等學(xué)者提出基于彈簧質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行液體仿真，該方法是一種牛頓第二定律下的模擬物體變形方法，其應(yīng)用非常廣泛，目前主要被應(yīng)用于布料仿真和毛發(fā)仿真等場(chǎng)景，具有較好的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性。郭佩姍學(xué)者通過(guò)基于此方法對(duì)液體進(jìn)行仿真，用彈簧質(zhì)點(diǎn)模型來(lái)建立液體的液面，能對(duì)液體進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬和還原液體受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在微動(dòng)下液體流暢且真實(shí)?？芍么朔椒ㄟM(jìn)行的液體仿真，相對(duì)比目前現(xiàn)有其他方法具有更好的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性與交互性。因此可將基于彈簧質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的液體仿真繼續(xù)深入優(yōu)化，廣泛應(yīng)用到各類虛擬模擬的場(chǎng)景之中。

四、虛擬化學(xué)液體仿真未來(lái)發(fā)展的方向

（一）趣味性

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)，由于虛擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是建立在使用VR設(shè)備的條件下，可以更貼切的觀察化學(xué)液體實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的變化。而虛擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要面向的對(duì)象是學(xué)生，這也為學(xué)習(xí)增添了樂(lè)趣。

（二）真實(shí)性

因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于現(xiàn)實(shí)的化學(xué)反應(yīng)，所以提高了實(shí)驗(yàn)素材和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的真實(shí)性。而在虛擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的材料是無(wú)窮無(wú)盡的所以，學(xué)生不需要害怕犯錯(cuò)，可以無(wú)限重復(fù)去做同一個(gè)實(shí)驗(yàn)直到實(shí)驗(yàn)成功。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室極其具有現(xiàn)實(shí)和學(xué)術(shù)意義，而液體作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)中不可或缺的一部分，與液體的交互不可避免的需要被模擬，目前業(yè)界所提出的部分方法可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理流體的解算，但幀數(shù)降低和交互性弱的困境仍然擋在研究者們的面前，一個(gè)穩(wěn)定的、可交互的液體物理仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)方面亟待攻克的課題。本文所提出的兩種仿真方法，能夠?qū)θ萜鲀?nèi)的可交互液體進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬，一種是不依賴于網(wǎng)格，將連續(xù)的流體通過(guò)質(zhì)點(diǎn)組，即粒子組來(lái)描述;另一種是網(wǎng)格法進(jìn)行液體仿真是將自然空間用整齊有規(guī)律的網(wǎng)格劃分，特定區(qū)域中的液體流動(dòng)變化狀態(tài)則記錄在每一個(gè)網(wǎng)格單元上用于后續(xù)繪制。上述的兩種仿真方法仍有不少缺點(diǎn)和不足，相信在未來(lái)我們能夠研發(fā)出更具有真實(shí)感和交互性的液體仿真技術(shù)，并將其應(yīng)用于化學(xué)、教育等領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

[1]Lucy L B. A numerical approach to the testing of the fission hypothesis. The Astronomical Journal，1977，82（82）：1013-1024.

[2]Gingold R A，Monaghan J J. Smoothed particle hydrodynamics：theoryand application to non-spherical stars. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，1977，181（3）：375-389.

[3]龍廳，模擬流固耦合問(wèn)題的FEM-SPH耦合算法研究[D]，湖南大學(xué)，2017，11-29

[4]Macklin M，Muller M，Chentanez N，et al，Unified particle physics for real-time applications[J]. ACM Transactions on Graphics（TOG），2014，33（4）

基金項(xiàng)目：

廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項(xiàng)目（2019KTSCX244）;國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202012618009）;廣東省大學(xué)生攀登計(jì)劃項(xiàng)目（pdjh2021b0707，pdjh2021a0702）;廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)立項(xiàng)項(xiàng)目（ST201902）。

作者簡(jiǎn)介：

段松爽（1989.11-），女，漢族，河北省涿州市，廣州軟件學(xué)院，碩士，研究方向：大學(xué)生思想政治教育。

（作者單位：廣州軟件學(xué)院）