基于CPU-GPU混合加速的SPH流体仿真方法

胡鹏飞，袁志勇，廖祥云，郑 奇，陈二虎

(武汉大学计算机学院，湖北 武汉 430072)

1 引言

自然场景的真实感流体场景模拟在数字娱乐产业、军事、医学等领域中(如电影游戏特效、计算机动画和虚拟手术)有着广泛的应用，带人机交互功能的流体模拟还需是在线实时模拟。真实感流体模拟通常采用物理模拟方法，可分为基于网格的欧拉方法和基于粒子的拉格朗日方法两大类[1]。欧拉方法的坐标系是固定的，流体的速度、压力和密度等属性保存在这些固定点中，一般用于离线应用。而拉格朗日方法将流体视为流动的单元，用大量离散的粒子逼近模拟流体的运动，每个粒子都保有自身的相关物理属性，粒子间的相互作用通过光滑核函数来实现。近年来，基于粒子的拉格朗日方法得到了众多学者的青睐，取得了较好的研究进展。

Foster N和Metaxas D[2]介绍了一种运用纳维-斯托克斯N-S(Navier-Stokes)方程模拟流体的粒子方法，该方法是用来模拟基于物理的流体运动的一个常用的模型，但该方程计算量大。光滑粒子流体动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法是基于粒子的流体模拟方法，运用SPH方法能大大简化N-S方程求解。尽管如此，随着流体模拟的真实性和实时性要求越来越高，用于模拟流体流动的粒子数量也越来越多，从而导致计算量大大增大，仅在CPU上进行SPH方法求解难以达到流体模拟的真实性和实时性要求。

随着图形硬件的发展，图形处理单元GPU(Graphic Processing Unit)不仅只负责图形渲染工作，还能采用GPU完成一些通用计算工作。……