人工生命动画中的可交互流体环境建模研究

This project orients animation design process of artificial life, proposes the exchange of information between the virtual lives and the environment - "interactive environment" modeling method. This method makes the virtual lives and their living environment exchange information directly in the animation system. Thereby it can enhance the intelligence of the environment, and improve the fidelity of animation. In artificial life animation, the problem is the lack of information exchange between the virtual lives and their environment. We take an example for the typical fluid environment, propose the model of joint particle and surface particle in order to solve the interactive computation problem between the virtual life model based on viscoelastic and fluid model based on particle. For the fluid environment modeling, we propose a ASPH method based on anisotropy kernel function in order to improve the accuracy of the fluid environment models and initiate the interactive function with virtual lives.In order to create the frontier of virtual lives and fluid environment in the animation generation process, we propose a surface reconstruction method based on the level set method. It takes the thin-plate energy as the evaluation function, and as a target surface evolution fluid surface reconstruction. The project is expected to solve the virtual lives and environment information exchange related key issues in artificial life animation, to improve the efficiency of animation design to provide theoretical and technical support to promote the development of animation and game industries.

本项目面向人工生命动画设计过程，提出虚拟生命体与环境之间信息交互的新方法-"可交互环境"建模方法，使动画中的虚拟生命体与其生存环境之间直接进行信息交互，从而增强环境的智能性，提高动画效果的逼真度。 针对人工生命动画中虚拟生命体与环境之间缺乏信息交互的问题，以典型的流体环境为例，提出关节粒子与表面粒子模型，解决虚拟生命体的粘弹性模型与流体的粒子模型之间的交互计算问题；针对流体环境建模，提出基于各向异性核函数的ASPH方法，以提高流体环境的建模精度，实现与虚拟生命体交互功能；针对新的建模方式在动画生成过程中虚拟生命体与环境的边界处理问题，提出基于水平集方法的表面重构，引入薄板能作为表面的评价函数，并以此为目标进行曲面演化，进行流体和生命体的表面重构。 本项目的研究有望解决人工生命动画中的虚拟生命体与环境信息交互的相关关键问题，提高动画设计的效率，为促进动画与游戏产业的发展提供理论和技术支持。

本项目面向人工生命三维动画设计过程，以流-固耦合动画为主要研究对象，提出虚拟生命体（固体）与流体环境之间的交互建模方法，使动画中的虚拟生命体与相应的生存环境之间直接进行信息交互，从而增强环境的智能性、提高动画效果的逼真度。主要研究内容包括：.1) 流体建模：针对传统SPH方法固定时间步长的不足，提出了基于异步积分的自适应时间步长的SPH（Adaptively Stepped SPH）方法。该方法中每个粒子具有独立的时间步长，与固定时间步长方法以及全局动态时间步长方法相比获得了理想的加速比。.2) 流体表面重构：为了高效地构造平滑的流体表面，提出了一种基于各向异性核函数的表面重构算法，该算法优化了传统的各向异性核函数的计算方法。并根据邻居粒子分布的特征值，将粒子分为近表面粒子和内部粒子，只使用近表面粒子进行表面重构。该方法所重构的表面光滑，在保留了表面几何特征的同时，提高了表面重构的效率。.3) 固体建模：提出了一种基于自由形变的表面重构技术，该方法解决了从切片数据到动画模型的建模问题，扩展了本文所述系统的应用领域。对于以切片为输入的表面重构，顶点间匹配关系的建立十分重要。基于自由形变的表面重构技术可以很好的建立顶点间的匹配关系，生成的表面完全贴合于输入点集，提高了重构表面的准确性。对于可变形固体，通过在刚体网格顶点间增加约束来实现可变形特性。.4) 流固耦合动画模型：本项目根据SPH的特性提出了一种新的采样方法，可以获得均匀的采样结果并且计算效率高；提出流体与固体的交互方法，即流体与固体间作用力的计算方法；使用GPU对流体环境的模拟进行加速，将滑动向量法用于多种粒子共存的GPU算法中。.本项目的研究工作涉及了流体建模、流体表面重构、固体建模、固体表面采样、流-固间作用力的计算以及GPU加速等方面。为流固耦合动画的制作提供了一个较完整的参考。本项目的研究解决了人工生命动画中的虚拟生命体与环境信息交换的相关关键问题，提高动画设计的效率，为促进相关产业的发展提供了理论和技术支持。