本發(fā)明屬于計算機圖形學(xué)物理仿真，特別涉及一種基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、軟體仿真是計算機圖形學(xué)領(lǐng)域一個重要且具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，其難點主要包括以下方面：在計算機中的合理建模軟體以展現(xiàn)真實的物理性質(zhì)、與剛體的交互以產(chǎn)生碰撞破碎和切割效果、多材質(zhì)的表現(xiàn)和交互過程中的材質(zhì)變化，與此同時還需要滿足可交互性能要求。目前，常用的軟體仿真方法中，質(zhì)點彈簧系統(tǒng)難以表征體積且調(diào)參困難。有限元方法雖然精確度較高但計算復(fù)雜，在涉及拓撲變化時往往需要重新劃分網(wǎng)格，從而導(dǎo)致計算開銷的額外增加?；谖恢脛恿W(xué)的方法雖然穩(wěn)定高效，但精度有限，并且難以有效地仿真復(fù)雜的多材質(zhì)耦合問題。

2、最近，在計算機圖形學(xué)中快速發(fā)展的物質(zhì)點法（mpm）能夠很好地解決上述仿真質(zhì)量問題。物質(zhì)點法混合歐拉和拉格朗日的特性，對處理大變形及拓撲變化有著天然的優(yōu)勢，其有效性已在仿真雪，泡沫，砂石，布料和橡膠等多種材料中被證實。兼容粒子網(wǎng)格算法的提出，又進一步解決了物質(zhì)點法在薄板切割下的數(shù)值粘性問題，奠定了物質(zhì)點法在切割場景下使用的基礎(chǔ)。相比于有限元等方法，物質(zhì)點法非常適合處理切割、相變以及多材質(zhì)耦合。

3、然而在大規(guī)模及高分辨率的虛擬場景下，所需拉格朗日粒子數(shù)量較多（50萬以上），且歐拉網(wǎng)格需要更為精細（如邊長256的背景網(wǎng)格），因此在現(xiàn)代高性能cpu上進行的仿真開銷過大，通常需要若干分鐘到小時才可獲得一幀的仿真結(jié)果。盡管物質(zhì)點法易于并行，并且現(xiàn)在存在許多基于現(xiàn)代gpu的并行加速方法，但其仍面臨著所需顯存過大和計算開銷過大的問題，因此仍然無法實現(xiàn)可交互的仿真結(jié)果，這阻礙了其在醫(yī)學(xué)動畫等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，盡管現(xiàn)有方法可以實現(xiàn)軟體的異質(zhì)性與切割，但均獨立呈現(xiàn)且未經(jīng)過良好的性能考量。目前，還沒有一個統(tǒng)一多材質(zhì)軟體形變、切割交互、破碎及實時表面重建的可交互軟體仿真方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，包括如下步驟：

2、步驟s1：獲取待仿真的三維軟體模型，以及與之交互的剛體模型；對所述三維軟體模型進行粒子采樣，得到拉格朗日粒子并對其進行初始化，以及對所述剛體模型進行剛體粒子采樣和初始化；

3、步驟s2：基于待仿真的虛擬場景，構(gòu)建歐拉網(wǎng)格grid，采用莫頓碼對grid進行編碼，并將grid進一步以444的大小構(gòu)成二級的空間塊block；分別構(gòu)建所述拉格朗日粒子與grid和block之間的映射表；將包含所述拉格朗日粒子的block記為core?block，并注冊到哈希注冊表中；

4、步驟s3：獲取core?block的鄰居空間塊neighbor?block并加入所述哈希注冊表，將core?block及其所有neighbor?block所對應(yīng)grid稱為gpu二級稀疏加速結(jié)構(gòu)ggrid；

5、步驟s4：更新所述剛體模型的狀態(tài)，并構(gòu)建基于ggrid的剛體切割場；

6、步驟s5：基于ggrid以及所述剛體切割場，并行求解所述待仿真的三維軟體模型的物理顯式積分，得到所述拉格朗日粒子的下一時刻的位置，求解過程分為4個階段：拉格朗日粒子到ggrid傳遞階段、ggrid更新階段、ggrid到拉格朗日粒子傳遞階段和拉格朗日粒子更新階段；對每一幀執(zhí)行步驟s2~s5進行n次迭代；

7、步驟s6：對每一幀的最后第n次迭代時，根據(jù)當(dāng)前拉格朗日粒子的位置，基于ggrid實時重建拉格朗日粒子簇的表面三角網(wǎng)格mesh，并進一步對mesh表面網(wǎng)格進行平滑，從而實現(xiàn)所述三維軟體模型與所述剛體模型之間的模擬與交互。有益效果：

8、1、本發(fā)明提供一種基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，針對大規(guī)?；蚋叻直媛实能涹w模擬場景需求，采用gpu加速的物質(zhì)點法模擬軟體的物理運動，實現(xiàn)軟體的高效模擬。并針對軟體的異質(zhì)性及動態(tài)材質(zhì)變化，引入基于基爾霍夫應(yīng)力張量的本構(gòu)模型以支持對不同材質(zhì)的參數(shù)化動態(tài)定義，實現(xiàn)了更豐富的多材質(zhì)軟體效果，同時引入顯式破碎場，實現(xiàn)了物體破碎效果。

9、2、本發(fā)明通過在gpu二級稀疏加速結(jié)構(gòu)上構(gòu)建剛體切割場，將兼容粒子網(wǎng)格法耦合到gpu加速的物質(zhì)點法中，以支持對軟體的可交互剛體切割。同時，擴充原有的稀疏加速網(wǎng)格，并與粒子到網(wǎng)格的傳遞過程一致地在gpu二級稀疏加速結(jié)構(gòu)ggrid上構(gòu)建密度場，通過復(fù)用ggrid網(wǎng)格作為表面重建的體素網(wǎng)格，實現(xiàn)了基于密度場的實時表面重建。

技術(shù)特征：

1.一種基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，其特征在于，所述步驟s1：獲取待仿真的三維軟體模型，以及與之交互的剛體模型；對所述三維軟體模型進行粒子采樣，得到拉格朗日粒子并對其進行初始化，以及對所述剛體模型進行剛體粒子采樣和初始化，具體包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，其特征在于，所述步驟s2：基于待仿真的虛擬場景，構(gòu)建歐拉網(wǎng)格grid，采用莫頓碼對grid進行編碼，并將grid進一步以444的大小構(gòu)成二級的空間塊block；分別構(gòu)建所述拉格朗日粒子與grid和block之間的映射表；將包含所述拉格朗日粒子的block記為core?block，并注冊到哈希注冊表中，具體包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，其特征在于，所述步驟s3：獲取core?block的鄰居空間塊neighbor?block并加入所述哈希注冊表，將core?block及其所有neighbor?block所對應(yīng)grid稱為gpu二級稀疏加速結(jié)構(gòu)ggrid，具體包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，其特征在于，所述步驟s4：更新所述剛體模型的狀態(tài)，并構(gòu)建基于ggrid的剛體切割場，具體包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，其特征在于，所述步驟s5：基于ggrid以及所述剛體切割場，并行求解所述待仿真的三維軟體模型的物理顯式積分，得到所述拉格朗日粒子的下一時刻的位置，求解過程分為4個階段：拉格朗日粒子到ggrid傳遞階段、ggrid更新階段、ggrid到拉格朗日粒子傳遞階段和拉格朗日粒子更新階段；對每一幀執(zhí)行步驟s2~s5進行n次迭代，具體包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法，其特征在于，所述步驟s6：對每一幀的最后第n次迭代時，根據(jù)當(dāng)前拉格朗日粒子的位置，基于ggrid實時重建拉格朗日粒子簇的表面三角網(wǎng)格mesh，并進一步對mesh表面網(wǎng)格進行平滑，從而實現(xiàn)所述三維軟體模型與所述剛體模型之間的模擬與交互，具體包括：

8.一種基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括下述模塊：

9.一種基于gpu加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真裝置，其特征在于，包括一個或多個電子設(shè)備，其中所述一個或多個電子設(shè)備用于實現(xiàn)權(quán)利要求1至7任一項所述的方法。

10.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括：一個或多個處理器；存儲器，用于存儲一個或多個程序，其中，當(dāng)所述一個或多個程序被所述一個或多個處理器執(zhí)行時，使得所述一個或多個處理器實現(xiàn)權(quán)利要求1至7任一項所述的方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種基于GPU加速物質(zhì)點法的可切割交互軟體仿真方法及系統(tǒng)，屬于計算機圖形學(xué)物理仿真領(lǐng)域，包括：S1：對待仿真的三維軟體模型和與之交互的剛體模型進行采樣和初始化；S2：基于待仿真的虛擬場景，構(gòu)建初始GPU二級稀疏加速結(jié)構(gòu)Ggrid；S3：對Ggrid進行擴展；S4：更新剛體模型狀態(tài)，構(gòu)建Ggrid的剛體切割場；S5：基于Ggrid和剛體切割場，并行求解待仿真的三維軟體模型的物理顯式積分，得到拉格朗日粒子的下一時刻的位置；S6：每一幀的最后一次迭代時，基于Ggrid實時重建拉格朗日粒子簇的表面三角網(wǎng)格mesh，并對其進行平滑。本發(fā)明方法實現(xiàn)了多材質(zhì)軟體形變、切割交互、破碎及實時表面重建。

技術(shù)研發(fā)人員：禹鵬,潘俊君,方誠,朱思延
受保護的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15