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
魚羊只要【一塊CPU】，就能【實(shí)時】運(yùn)行200萬粒子的水流特效，還能適應(yīng)各種多變的地形……天哪，這效果什么時候能做到游戲里啊
郭一璞 魚羊 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
還沉醉在《黑神話：悟空》精細(xì)的3D計算機(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，頓時就有了靈動的江南感。
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，能在單個的CPU核心上跑起來，簡直驚人。
MLS-MPM是什么
胡淵鳴團(tuán)隊發(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，移動最小二乘材料點(diǎn)方法。
用移動最小二乘法，將APIC（The Affine Particle-In-Cell Method）和動量方程弱形式一致的力計算統(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)量和動量從粒子轉(zhuǎn)移到網(wǎng)格上。
（2）更新網(wǎng)格動量。用半隱式歐拉法或隱式歐拉法更新網(wǎng)格動量。
（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，由于這個項目比較早期，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？
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