物理动画流体实现流程（Physically Based Fluid Animation）

0 说在开始

发现介绍物理动画实现流程的文章较少，入门需要一定时间，所以才有了这篇文章。此文章不具体介绍算法部分和数学公式，例如SPH、欧拉公式、NS公式、弹簧质点模型等等，而是如何去构造自己的第一个计算机图形学动画，其中涉及较多Reference，我会在文章最后给出，非常感谢。（其为我在实验室做实验时整理得到，趁热记录~）

作者：憨豆酒（YinDou），联系我[email protected]，熟悉计算机图形学领域。因个人实验室的代码不方便开源，找到代替代码，流程都是类似的：可在此仓库中找到：https://github.com/douysu/person-summary，所有代码都是在Ubuntu 18.04.4 LTS完成，如果对您有帮助，还请给一个star，如果大家发现错误以及不合理之处，还希望多多指出。

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所需知识、内容和工具：

• OpenGL-实时可视化运行状态. 链接
• 图形学物理仿真知识扫盲-闫令琪Animation图形课程部分. 链接
• Blender、Mitsuba Renderer或其他渲染器. 链接

1 运行结果

2 物理动画渲染流程

其可以分为三步：

（1）物理仿真：其包括多种算法，基于粒子的物理方法。赋予粒子物理特性，例如重力，张力，相互作用力，计算粒子下一步位置。

（2）液体表面重建：无论欧拉方法还是拉格朗日方法，粒子都是离散的，都先需要进行液体表面重建，计算法向量，然后在送入Blender进行渲染。 链接

（3）离线渲染：在Blender中设置场景（光照、材质、摄像机）中渲染成图像。使用工具将连续图像序列转为视频。

一步步来介绍。

3 物理仿真

使用WCSPH、PCISPH、DFSPH或者其他物理仿真算法实现仿真，可视化部分使用OpenGL，如以下几个开头效果的仿真图，算法实现部分和场景搭建可以查看其它Github和文章。

在仿真过程中，记录每一帧的粒子信息到二进制文件中，这里二进制的文件格式为.pos。如下。这里需要注意，重构时，不同相的物体需要分开保存，因为渲染阶段需要付给物体不同材质。例如，这里的0_0_d.pos为第一帧水杯，需要付给玻璃材质。0_0_f.pos对应流体的内容，也就是杯子中的水，需要付给水材质。

有了每一帧粒子的数据了，下一步为重构。

4 液体表面重建

得到每一帧.pos二进制文件，对每一帧中的所有.pos进行重构得到ply模型。这里对应331帧和332帧ply。

5 离线渲染

打开Blender，导入ply，设置场景（材质、灯光、视角、背景板等）点击渲染->渲染图像。渲染当前帧图像。

只是一帧渲染方式，我们有很多帧动画，不可能一帧一帧手动渲染。解决问题，Blender支持脚本编程，可以实现自动渲染，来看脚本，实现200-375帧渲染。water为保存的水材质的名称。

# -*- coding:utf-8 -*-
import shutil
input_path = "K:\\我的资料库\\YD\\IISPH-Three-Despace"
path_ply2 = input_path + "\\pos\\"
path_ply3 = input_path + "\\solid-ply\\"
path_ret = input_path + "\\re2\\"
for n in range(200, 375):
    bpy.ops.import_mesh.ply(filepath=path_ply2 + str(n) + "_c.ply")
    bpy.context.object.active_material=bpy.data.materials["water"]
    bpy.ops.import_mesh.ply(filepath=path_ply2 + str(n) + "_f.ply")
    bpy.context.object.active_material=bpy.data.materials["water"]
    bpy.context.scene.render.filepath = path_ret + str(n) + ".png"
    bpy.ops.render.render(write_still=True)
    bpy.ops.object.delete()
    # remove mesh from memory
    mesh_c = bpy.data.meshes[str(n) + '_c']
    mesh_f = bpy.data.meshes[str(n) + '_f']
    mesh_c.user_clear()
    mesh_f.user_clear()
    bpy.data.meshes.remove(mesh_c)
    bpy.data.meshes.remove(mesh_f)

最后得到200-375连续帧图像，在使用工具转成视频即可。

Reference

• GAMES101-现代计算机图形学入门-闫令琪
• GAMES201：高级物理引擎实战指南2020 胡渊鸣
• Blender渲染引擎Cycles教程
• Fluid Engine Dev - Jet
• 液体渲染：一种屏幕空间方法
• 以及本文出现的所有链接