一塊CPU就能運(yùn)行超逼真水流特效！胡淵鳴的算法被這樣實(shí)現(xiàn)，本人看了都說好

郭一璞 魚羊 2020-08-22 14:34:51 來源：量子位

郭一璞 魚羊 發(fā)自 凹非寺
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還沉醉在《黑神話：悟空》精細(xì)的3D計(jì)算機(jī)特效里呢？

做3D特效這件事兒，一浪更比一浪強(qiáng)。

最近，一位名叫John Lin的網(wǎng)友，就分享了自己做的3D流體特效。

注意，用GPU渲染之后，運(yùn)行下面分享的所有特效效果，都只要一塊CPU。

而且是實(shí)時(shí)的，你可以用鼠標(biāo)操縱改變水流和環(huán)境。

比如，彩虹色的流水注入不規(guī)則的泳池，整個(gè)水流的形狀、波瀾，完全符合現(xiàn)實(shí)世界的物理特征。

水滿則溢，右邊的瀑布劃出了漂亮的拋物線。

甚至還能做出這種類似跑馬燈的效果。

水揚(yáng)上天，瞬間激起了潔白的浪花，沖撞天花板的各個(gè)角落。

如果把地形改的再復(fù)雜一點(diǎn)呢？

比如，我們把地形改成蘇州園林里的獅子林這種不規(guī)則假山組成的風(fēng)格？

加上水流，頓時(shí)就有了靈動(dòng)的江南感。

視角穿行其中，就像走在溶洞里一樣。

如果水流激蕩，一樣能穿過每條石頭縫。

真想@一下《江南百景圖》的策劃，下一部游戲別做2D平面風(fēng)格了，做出這樣的特效豈不是更加狀況？

甚至，水流還可以適應(yīng)動(dòng)態(tài)的地形。

不信你看下面的例子。

水流穿過上層容器中心的洞，形成瀑布澆灌下層容器。

如果我們把兩層之間的隔板刪掉，模擬的水流依然可以適應(yīng)地形的變化，用更快的速度墜落。

簡直巧奪天工。在只用一塊CPU的情況下，有效粒子最高值達(dá)到了200萬之高。

其實(shí)，上面的特效用到的工具是MLS-MPM算法，它的一作正是姚班畢業(yè)生、MIT在讀博士胡淵鳴大神，在賓夕法尼亞大學(xué)蔣陳凡夫老師的指導(dǎo)下完成。

水流的效果，讓胡淵鳴本人都覺得驚艷，稱贊作者代碼功底強(qiáng)。

而且，不少同行開發(fā)者看到之后也都贊嘆不已，impressive、awesome，各種好詞輪流夸：

他們覺得，能在單個(gè)的CPU核心上跑起來，簡直驚人。

MLS-MPM是什么

胡淵鳴團(tuán)隊(duì)發(fā)表在SIGGRAPH 2018上的一篇論文，介紹了MLS-MPM算法。

MLS-MPM，全稱是Moving Least Squares Material Point Method，移動(dòng)最小二乘材料點(diǎn)方法。

用移動(dòng)最小二乘法，將APIC（The Affine Particle-In-Cell Method）和動(dòng)量方程弱形式一致的力計(jì)算統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了新的應(yīng)力散度離散化，使MPM的運(yùn)行速度快了兩倍，還成功模擬了MPM此前并不支持的各種新現(xiàn)象，包括材料切割、動(dòng)態(tài)開放邊界和剛性體的雙向耦合。

它的基本步驟是這樣的：

（1）從粒子到網(wǎng)格。使用APIC將質(zhì)量和動(dòng)量從粒子轉(zhuǎn)移到網(wǎng)格上。

（2）更新網(wǎng)格動(dòng)量。用半隱式歐拉法或隱式歐拉法更新網(wǎng)格動(dòng)量。

（3）從網(wǎng)格到粒子。使用APIC將網(wǎng)格中的速度和仿射/多項(xiàng)式系數(shù)傳遞給粒子。

（4）粒子變形梯度。利用速度梯度的MLS近似更新粒子變形梯度。

（5）更新粒子塑性。預(yù)測粒子變形梯度的塑性（如果有的話）。

（6）粒子平移。用新速度更新粒子位置

與傳統(tǒng)MPM唯一的區(qū)別是步驟（2）中力的表達(dá)和步驟（4）中粒子變形梯度的更新。

MLS-MPM在這兩個(gè)步驟中均比MPM更容易實(shí)現(xiàn)，可以輕松實(shí)現(xiàn)性能的提升。

另外，為了解決材料不連續(xù)和剛體耦合等問題，胡淵鳴團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了Compatible Particle-In-Cell（CPIC）算法，允許基于粒子和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的相對位置的材料點(diǎn)不連續(xù)和無限薄的邊界。

這樣就可以把MPM和剛性體雙向耦合在一起，實(shí)現(xiàn)切割的模擬。

現(xiàn)在，借助這個(gè)算法，就可以實(shí)現(xiàn)各種和符合物理規(guī)則、看起來像真的一樣的運(yùn)動(dòng)特效了。

傳送門

如果你想具體了解MLS-MPM算法，可以看這篇論文：

A Moving Least Squares Material Point Method with Displacement Discontinuity and Two-Way Rigid Body Coupling
http://taichi.graphics/wp-content/uploads/2019/03/mls-mpm-cpic.pdf

GitHub地址在此：
https://github.com/yuanming-hu/taichi_mpm

不過，由于這個(gè)項(xiàng)目比較早期，胡淵鳴本人更推薦使用「太極」：
https://github.com/taichi-dev/taichi

試一試，說不定能做出更驚艷的作品？