液体仿真研究综述

段松爽 林婉敏 张景琦 林旖文 胡文康 卢嘉琪

【摘 要】在虚拟现实化学实验室中，需要对化学液体进行模拟仿真，液体仿真问题是计算机仿真中最为核心的难题之一，而虚拟现实中更需要真实的绘制效果才能得到虚拟现实所需要的3I特性。本文讲述了常用液体仿真的研究现状，对其实现原理以及现阶段的技术做了简单的阐述，对虚拟化学液体仿真的未来发展做出了展望。

【关键词】虚拟现实;液体仿真;化学液体

一、引言

虚拟现实化学实验室是一款作用于化学实验的模拟应用，作用在于将危险的化学实验以VR模拟的形式呈现出来，这样的形式既安全又能将实验的步骤与试验时的变化和结果还原出来，还可以进行远程教学，而且节约了做实验的化学材料的成本问题，还减少了化学反应产生的环境污染。但是这个应用的开发仍有着不少的阻碍，其中化学液体的仿真需要将其的粘稠，晃动，质量等属性模拟出来，虽然现有的部分方法可以实现对液体仿真，但是还存在着帧数降低和交互不易的困境，一个稳定的、可交互的液体仿真技术是我们迫切需要攻克的课题。目前我们的研究的方向分为两类，其一则是基于粒子法的液体实时仿真，其二则是基于实时网格变形的液体实时仿真。

二、液体仿真的研究现状

（1）基于粒子法

以学者Lucy[1]、Gingold和Monaghan[2]分别提出的光滑粒子流体动力学方法（SPH，Smoothed Particle Hydrodynamics）为研究和拓展应用于液体仿真。此方法不依赖于网格，将连续的流体通过质点组（粒子组）来描述。粒子与粒子之间有相互作用力，任何一个粒子上所承载物理量（质量、速度等）都通过求解粒子组的动力学方程和在该粒子周围的其他相关粒子的属性和运动轨道得到。SPH方法精度高且易于控制，但缺点是计算量会随粒子数增多而急剧增大，模拟的液体会被压缩等。龙厅[3]、Macklin[4]等学者均分别以SPH方法进行研究和拓展，虽然改善了其SPH方法的缺点，但同时又存在着其他不适用于液体实时仿真的问题，如耗时时间长或物理拟真性较差、受力压缩飞溅等。

（2）基于网格法

流体网格法是里奇，金特里等学者在哈洛的质点网格法基础上发展起来的。由流体网格法是将自然空间用整齐有规律的网格进行划分，特定区域中的液体流动变化状态则记录在每一个网格单元上用于后续绘制。网格法进行液体仿真相对而言能得到较好结果，运用广泛，但对于一些流体效果建模较为困难，目前存在着液体变形上还不够精确等问题。

（3）基于粒子法与网格法

邹玲，齐越，赵沁平等学者在基于粒子法和网格法基础上，利用欧拉法求解流体控制方程以及粒子的液体仿真方法对液体进行模拟，每一个网格单元记录液体流动的变化状态，单个粒子的物理量通过粒子当前所处位置的临近网格得到。此方法不仅利用欧拉法精确求解结果，又应用了粒子灵活构建动态液体形状，液体表面生成方式简单、效果较真实，但又存在着仿真频率和实时性等问题。

可知目前单纯采用现有的液体仿真方法是无法同兼有良好的真实性、实时性和交互性。基于粒子法的液体模拟方法，其静态效果和微动效果虽较好，但仍无法解决压缩问题，如受力压缩飞溅等。而基于网格变形的模拟方法可以保证交互性，但目前存在缺乏真实感的问题。因此对于液体仿真目前存在的主要问题是，如何在保证交互性和实时性的同时追求液体液面的真实感。

三、基于网格变形的液面模拟技术

（1）快速傅立叶变换方法

学者J.W.库利和T.W.图基提出的快速傅氏变换（FFT）是基于离散傅氏变换的快速算法。此算法计算速度快、效率高，在信号处理技术领域获得了广泛应用。Jerry Tessendorf学者基于统计的快速傅立叶变换方法对液体进行仿真，真实地模拟出海面海浪的效果。此方法模拟的液体虽表现力较强，但交互性较弱，使用范围有限，在小范围液体或容器中液体里没有真实的物理特性。

（2）拟钟摆方法

拟钟摆方法是通过近似钟摆的摇摆规律来模拟液体的晃动。其方法可以大体表现出液体在容器中被晃动的物理效果，且此方法占用极少资源，交互效果好，应用面广泛。因此在游戏产业中较多见，其所实现的液面模拟在UnityStore中存在完整的插件。但是模拟出的效果过于简单，只能表现大概的液面晃动且过于规律，无法表现出液体表面的细节波动，真实感极低。

（3）弹簧质点系统方法

David R.Hausmann等学者提出基于弹簧质点模型进行液体仿真，该方法是一种牛顿第二定律下的模拟物体变形方法，其应用非常广泛，目前主要被应用于布料仿真和毛发仿真等场景，具有较好的实时性和真实性。郭佩姗学者通过基于此方法对液体进行仿真，用弹簧质点模型来建立液体的液面，能对液体进行实时的模拟和还原液体受力时的运动规律，在微动下液体流畅且真实。可知用此方法进行的液体仿真，相对比目前现有其他方法具有更好的真实性、实时性与交互性。因此可将基于弹簧质点系统的液体仿真继续深入优化，广泛应用到各类虚拟模拟的场景之中。

四、虚拟化学液体仿真未来发展的方向

（一）趣味性

目前，虚拟现实技术和增强现实技术已经是比较成熟的技术，由于虚拟现实化学实验室是建立在使用VR设备的条件下，可以更贴切的观察化学液体实验反应的变化。而虚拟现实化学实验室主要面向的对象是学生，这也为学习增添了乐趣。

（二）真实性

因为虚拟现实化学实验室的实验数据来源于现实的化学反应，所以提高了实验素材和实验过程的真实性。而在虚拟现实化学实验室中的材料是无穷无尽的所以，学生不需要害怕犯错，可以无限重復去做同一个实验直到实验成功。

五、结语

虚拟现实化学实验室极其具有现实和学术意义，而液体作为化学实验中不可或缺的一部分，与液体的交互不可避免的需要被模拟，目前业界所提出的部分方法可以实现真实物理流体的解算，但帧数降低和交互性弱的困境仍然挡在研究者们的面前，一个稳定的、可交互的液体物理仿真是虚拟现实方面亟待攻克的课题。本文所提出的两种仿真方法，能够对容器内的可交互液体进行实时的模拟，一种是不依赖于网格，将连续的流体通过质点组，即粒子组来描述;另一种是网格法进行液体仿真是将自然空间用整齐有规律的网格划分，特定区域中的液体流动变化状态则记录在每一个网格单元上用于后续绘制。上述的两种仿真方法仍有不少缺点和不足，相信在未来我们能够研发出更具有真实感和交互性的液体仿真技术，并将其应用于化学、教育等领域中。

参考文献：

[1]Lucy L B. A numerical approach to the testing of the fission hypothesis. The Astronomical Journal，1977，82（82）：1013-1024.

[2]Gingold R A，Monaghan J J. Smoothed particle hydrodynamics：theoryand application to non-spherical stars. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，1977，181（3）：375-389.

[3]龙厅，模拟流固耦合问题的FEM-SPH耦合算法研究[D]，湖南大学，2017，11-29

[4]Macklin M，Muller M，Chentanez N，et al，Unified particle physics for real-time applications[J]. ACM Transactions on Graphics（TOG），2014，33（4）

基金项目：

广东省普通高校特色创新类项目（2019KTSCX244）;国家级大学生创新创业训练项目（202012618009）;广东省大学生攀登计划项目（pdjh2021b0707，pdjh2021a0702）;广州大学华软软件学院科研团队立项项目（ST201902）。

作者简介：

段松爽（1989.11-），女，汉族，河北省涿州市，广州软件学院，硕士，研究方向：大学生思想政治教育。

（作者单位：广州软件学院）