专利名称：一种可控的火焰动画生成方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种火焰动画设计的控制算法，特别是涉及一种可控的火焰动画生成方法及其系统。
背景技术：
随着流体模拟技术的逐步发展，自然界中各种流体现象，如烟雾、水、火焰、爆炸等，越来越广泛地应用于虚拟现实、影视动漫、游戏娱乐等多个领域。其中，因为火焰的危险性、运动规律的复杂性，以及实际应用中特殊需求，促使火焰现象的模拟成为计算机图形学领域的一个研究热点。真实感强的火焰效果能极大程度地提高虚拟现实技术带给用户的沉浸感；火焰的灵活控制技术能提供影视动漫制作者广阔的想象发挥空间，充分展现艺术家的灵感创作；同时，火焰模拟的逼真性和可控性也将促进游戏等娱乐产业的蓬勃发展。各个领域对火焰模拟技术的真实感和灵活控制方面的需求使得真实感火焰控制技术的研究极 具意义和重要性。在影视特效领域，火焰的行为控制技术能为创作带来极大的便利和发挥空间，能够生成现实世界中根本不存在的虚拟角色或者特殊场景。而实际在影视特效中应用的火焰动画，在时间和空间上的需求，可能与实测数据差异非常大，因此，怎样重用这些重构的火焰数据，是一个需要解决的问题。现阶段，火焰动画的生成主要有几种控制方式。利用粒子系统的方式生成火焰，具有制作简单、控制灵活等特点，被广泛应用于动画、游戏等领域但是若要得到逼真的火焰效果，需要维持大量的粒子，影响计算效率；并且粒子系统中的每个粒子具有一定的独立性，使其存在内部弱耦合性的缺点，难以得到真实感强的火焰效果。基于物理的方法通过追溯火焰的物理根源，根据其物理本质进行建模，得到火焰的物理数据，并由基于物理的渲染器进行绘制，能得到真实感强的火焰效果，但是底层物理方程的复杂性，计算资源有限，使得模型的求解空间、时间及计算精度都受到一定的限制。同时，底层物理方程的强非线性性，使得模型的可控性较差。目前，火焰控制动画要得到满意的效果，需要特效制作人员反复的测试与多次调整。在控制性方面，缺少能同时保证模拟效果和灵活控制的火焰模型。
发明内容
本发明的目的是提供一种可控的火焰动画生成方法，以物理模拟的数据为基础，用较快的速度生成真实感较高的动画序列。为实现上述目的，本发明提出了一种可控的火焰动画生成方法，包括步骤1，通过物理建模或实测的方法获取火焰模拟的网格数据场；步骤2，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；步骤3，将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；
步骤4，将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；步骤5，对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。所述步骤3包括步骤31，根据粒子初始点距燃烧注入点的距离，将所述粒子系统划分为两个区域，粒子的运动方式随着两个区域的火焰燃烧程度的变化而变化；步骤32，根据粒子生成点在整个区域的位 置，随机选择所述两个区域中的一个区域的粒子导入场景，使粒子的生成点附着于所述控制条件中的火焰形状上；步骤33，根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的角度，确定一个外力作用在粒子上对粒子的运动轨迹进行调整；步骤34，在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，对粒子的温度降低速度进行调整；所述步骤33中粒子的运动轨迹调整后的粒子位移改变计算公式为
权利要求
1.一种可控的火焰动画生成方法，其特征在于，包括 步骤1，通过物理建模或实测的方法获取火焰模拟的网格数据场； 步骤2，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动； 步骤3，将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整； 步骤4，将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场； 步骤5，对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。
2.如权利要求I所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述步骤3包括 步骤31，根据粒子初始点距燃烧注入点的距离，将所述粒子系统划分为两个区域，粒子的运动方式随着两个区域的火焰燃烧程度的变化而变化； 步骤32，根据粒子生成点在整个区域的位置，随机选择所述两个区域中的一个区域的粒子导入场景，使粒子的生成点附着于所述控制条件中的火焰形状上； 步骤33，根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的角度，确定一个外力作用在粒子上对粒子的运动轨迹进行调整； 步骤34，在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，对粒子的温度降低速度进行调整。
3.如权利要求2所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述步骤33中粒子的运动轨迹调整后的粒子位移改变计算公式为=
4.如权利要求2所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述步骤34中粒子的温度降低速度计算公式为
5.如权利要求I所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述步骤4中网格温度场的插值计算公式为
6.一种可控的火焰动画生成系统，其特征在于，包括 网格数据场获取模块，用于通过物理建模或实测获取火焰模拟的网格数据场； 粒子系统生成模块，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动； 粒子系统调整模块，用于将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整； 网格温度场计算模块，用于将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场； 渲染生成模块，用于对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。
7.如权利要求6所述的火焰动画生成系统，其特征在于，所述粒子系统调整模块包括 粒子系统划分模块，用于根据粒子初始点距燃烧注入点的距离，将所述粒子系统划分为两个区域，粒子的运动方式随着两个区域的火焰燃烧程度的变化而变化； 粒子附着处理模块，用于根据粒子生成点在整个区域的位置，随机选择所述两个区域中的一个区域的粒子导入场景，使粒子的生成点附着于用户设置的火焰形状上； 粒子轨迹调整模块，用于根据火焰的目标方向与火焰的原始方向的角度，确定一个外力作用在粒子上对粒子的运动轨迹进行调整； 粒子温度调整模块，用于在原始基本火焰燃烧的基础上，增大能量耗散的速度，对粒子的温度降低速度进行调整。
8.如权利要求7所述的火焰动画生成系统，其特征在于，所述粒子轨迹调整模块中的粒子位移改变计算公式为
9.如权利要求7所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述粒子温度调整模块中的粒子温度降低速度计算公式为
10.如权利要求6所述的火焰动画生成方法，其特征在于，所述网格温度场计算模块中的网格温度场的插值计算公式为
全文摘要
本发明公开了一种可控的火焰动画生成方法及其系统。该可控的火焰动画生成方法的包括步骤1，通过物理建模或实测的方法获取火焰模拟的网格数据场；步骤2，利用所述网格数据场在燃烧点附近区域注入粒子生成对应的粒子系统，所述粒子系统的粒子在所述网格数据场的驱动下运动；步骤3，将所述粒子系统导入场景，根据用户设置的控制条件对所述粒子系统中的粒子运动轨迹以及粒子温度进行调整；步骤4，将调整后的粒子系统恢复为第二网格数据场，利用插值算法计算所述第二网格数据场的网格温度场；步骤5，对所述网格温度场进行渲染，生成火焰图片序列。本发明以物理模拟的数据为基础，能用较快的速度生成真实感较高的动画序列。
文档编号G06T13/00GK102915552SQ20121034791
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者朱登明, 冯笑冰, 魏毅, 王兆其 申请人:中国科学院计算技术研究所