一种面向刚体破碎场景的粒子模拟数据可视化方法及装置

本发明涉及可视化领域，尤其涉及一种面向刚体破碎场景的粒子模拟数据可视化方法及装置。

背景技术：

1、粒子模拟方法通过粒子携带空间的属性和状态信息，对于处理爆炸引起的大规模形变和破碎等问题有着天然的优势，因此成为了在刚体破碎模拟实践中的主要方法。但是，对于破碎产生的碎块分布和运动行为仅通过观察粒子分布信息难以得到，且对于传统的研究观点，用离散粒子视觉表达连续介质较难被接受。因此，粒子数据的表面抽取或重建对于模拟结果的可视化非常重要。

2、一个理想的表面重建过程应当能够处理复杂的拓扑结构和几何形状，并解决噪声和采样的非均匀性所带来的问题，以构建一个逼近粒子数据集并具有一定光滑性的曲面。重建结果在渲染后应当能够直观地呈现细致的运动变化，还能结合已有的后处理渲染工作充分展示数值模拟结果的真实性。然而，在刚体破碎场景下，大规模的形变和断裂导致粒子数据的连通性以及真实曲面的拓扑结构相当复杂，参数化和拓扑维护非常困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种面向刚体破碎场景的粒子模拟数据可视化方法。本方法基于移动立方体方法（marching cubes，mc）重建表面几何，无需维护参数表达或网格拓扑，基于粒子的连通性进行碎块划分，计算粒子数据的空间变换评估对应碎块的运动行为，并给出一个面向粒子数据的uv生成方法，实现刚体破碎场景下粒子模拟数据的可视化。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明的第一方面：一种面向刚体破碎场景的粒子模拟数据可视化方法，包括以下步骤：

4、（1）对仅具有位置信息的刚体破碎模拟的粒子数据建立空间下的有向距离场，基于有向距离场体数据进行几何表面重建，建立粒子和对应几何的映射关系；

5、（2）基于自定义的材料断裂伸长率，利用算法识别发生断裂的碎块，对产生的新碎块进行几何表面重建；

6、（3）对所有碎块，计算前后帧粒子数据的变换矩阵，并将该变换应用到碎块对应的几何体，确保碎块运动行为的可视化与粒子模拟结果保持一致；

7、（4）基于粒子信息计算重建几何的uv坐标，为几何体设定自定义材质，完成粒子数据的可视化。

8、进一步地，所述步骤（1）包括以下子步骤：

9、（1.1）粒子模拟数据被表示为多个刚体的并集，其中每个碎块粒子集合表示一个独立的刚体碎块；

10、（1.2）粒子数据首先被预处理为空间上的有向距离场以进行表面重建；对于空间上的点，搜索半径内所有粒子的质心位置为，平均半径为，其有向距离场描述为：

11、；

12、（1.3）对于每个碎块所对应的有向距离场，使用移动立方体方法mc进行几何表面重建，重建的几何表面包括顶点、面片和uv坐标，即；其中表示几何顶点的空间位置，表示三角形或四边形面片，表示顶点的uv坐标。

13、进一步地，所述步骤（2）包括以下子步骤：

14、（2.1）在帧时间下，其中，对于粒子，其查询半径为，其满足条件的其他粒子为是粒子的邻接粒子；邻接粒子的查询通过构建背景网格实现加速，并定义表示一个立方体的空间范围，其中存储了该空间范围内的所有粒子索引；

15、（2.2）碎块粒子集合中的两个邻接粒子分别为，其距离与初始距离的比值即为该时刻两个粒子的拉伸比例：

16、；

17、其中表示初始帧时间；

18、（2.3）对于材料断裂伸长率，若碎块中存在邻接粒子，使得，则粒子与不再邻接，碎块发生断裂，对应的几何体进行表面重建；

19、（2.4）若存在对碎块中所有粒子的一个集合划分为，使得任意粒子,满足：

20、；

21、则碎块由于断裂被划分为个新的碎块，分别对应粒子集合；对于所有新产生的碎块，重复步骤（1）的过程以重建碎块的几何表面。

22、进一步地，所述步骤（3）包括以下子步骤：

23、（3.1）在帧时间时未发生断裂的碎块的所有粒子位置；在连续的两个帧时间和下，其中，对于，使得：

24、；

25、其中表示旋转矩阵，表示平移向量，构成碎块粒子集合从到时刻的刚性变换；

26、（3.2）采用奇异值分解方法求解和的值，首先计算协方差矩阵，并对协方差进行奇异值分解：

27、；

28、则有旋转矩阵和平移向量：

29、；

30、；

31、（3.3）最终，帧时间下未发生断裂的碎块对应的表面几何，满足，而和在刚体碎块未发生断裂时不随刚体运动变化。

32、具体地，所述步骤（3.2）中协方差矩阵的表达式如下：

33、；

34、其中表示的质心位置。

35、进一步地，所述步骤（4）包括以下子步骤：

36、（4.1）首先，粒子uv坐标在第一帧基于空间位置进行初始化生成，对于邻近表面的粒子，其法线为，该粒子uv生成的算法操作如下：取三维空间下与坐标轴平行的六个平面作为基准平面；再取其中的一个平面使得最小，则该平面作为粒子的uv坐标的投影平面；若粒子的投影平面，则对应的粒子初始化uv坐标为；

37、（4.2）重建表面几何的uv坐标基于最邻近方法从粒子uv坐标插值得到，即帧时间下碎块粒子集合对应的表面几何，对于几何顶点，取粒子，使得最小，则有几何顶点的uv坐标为：

38、。

39、具体地，所述取三维空间下与坐标轴平行的六个平面作为基准平面，其表达式如下：

40、。

41、本发明的第二方面：提供了一种面向刚体破碎场景的粒子模拟数据可视化装置，包括以下模块：

42、几何表面重建模块：对仅具有位置信息的刚体破碎模拟的粒子数据建立空间下的有向距离场，基于有向距离场体数据进行几何表面重建，建立粒子和对应几何的映射关系；

43、断裂再重建模块：基于自定义的材料断裂伸长率，算法识别发生断裂的碎块，对产生的新碎块进行几何表面重建；

44、矩阵计算模块：对所有碎块，计算前后帧粒子数据的变换矩阵，并将该变换应用到碎块对应的几何体，确保碎块运动行为的可视化与粒子模拟结果保持一致；

45、可视化模块：基于粒子信息计算重建几何的uv坐标，为几何体设定自定义材质，完成粒子数据的可视化。

46、本发明的第三方面：一种电子设备，其特征在于，包括：

47、一个或多个处理器；

48、存储器，用于存储一个或多个程序；

49、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述的一种面向刚体破碎场景的粒子模拟数据可视化方法。

50、本发明的第四方面：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现所述一种面向刚体破碎场景的粒子模拟数据可视化方法的步骤。

51、本发明的有益效果是：针对刚体破碎场景的可视化问题，一般的拓扑方法需要维护形变和破碎时复杂的拓扑结构，一般的无拓扑方法仅适用于流体模拟。本发明提出的可视化方法基于粒子的连通性实现了碎块划分，因此无需维护参数表达或网格拓扑，并给出了面向粒子数据的uv生成方法，允许自定义材料断裂参数和表面材质，实现了基于数值模拟结果的真实感可视化。