HMS Core 3D流體模擬技術，打造移動端PC級流體動效

HMSCore發表於2022-12-26

移動裝置硬體的高速發展，讓遊戲行業發生翻天覆地的變化，許多酷炫的遊戲效果不再侷限於電腦端，玩家在移動端就能享受到場景更逼真、畫質更清晰、體驗更流暢的遊戲服務。但由於移動裝置算力不足，為了實現真實感的水體效果，很多遊戲廠商採用預計算的方法減少實時模擬的計算開銷，但水體場景在移動端的流體效果仍然不佳。

真實感水體的模擬一直是圖形學和遊戲開發領域的難點問題，對硬體算力要求也很高，因此大多數真實的水體模擬場景只出現在PC和主機遊戲中。為了解決移動端水體流動真實感的問題，提升開發者應用開發的效率，HMS Core圖形引擎服務（Scene Kit）推出了3D流體模擬技術，有效解決3D流體動效在移動裝置上的實時性和功耗的問題。

3D流體模擬技術

流體力學中流體的運動可以用偏微分方程表示，該方程稱為納維-斯托克斯（NS）方程，如公式（1）所示

█((∂ u ⃗)/∂t=g ⃗-1/ρ ∇p +ν∇⋅∇u ⃗ -u ⃗⋅∇u ⃗#

(1) )該方程描述了流體動量變化與流體內部的壓力(1/ρ ∇p)、粘滯力(ν∇⋅∇u ⃗)以及重力( g ⃗)之間的關係。流體力學中對流體運動有拉格朗日和尤拉兩種描述方法，拉格朗日描述用粒子方式對流體建模，每個粒子上攜帶流體的狀態資訊在空間中流動；尤拉描述把模擬區域劃為空間中的網格，每個網格上儲存流過該位置的流體的狀態資訊。如圖2所示。

圖2 尤拉描述與拉格朗日描述

模擬真實的流體效果需要大量的粒子或者網格，數量可達到十萬、百萬級別，但使用CPU序列計算的方式模擬需要幾秒才能完成一幀資料的計算，無法滿足實時性要求。而GPU在高效能平行計算領域有著巨大優勢，因此在HMS Core圖形引擎服務中，我們利用GPU加速技術在移動裝置上實現流體模擬。

不過，僅透過GPU硬體加速不能完全滿足移動裝置上流體實時模擬的要求，還需要提升GPU的執行效率，以及減少模擬的計算量，從而降低GPU的負載以及頻寬的使用，避免高負荷高頻寬執行導致的裝置發燙等體驗問題。在流體運動的兩種描述方法中，拉格朗日方法由於粒子狀態受周圍其它粒子的影響，計算時需要先搜尋鄰域粒子，這個過程對平行計算不夠友好，難以發揮平行計算的優勢。而尤拉描述中的每個網格狀態資料的計算過程都是相同的，更適合平行計算。因此為了提升GPU的並行效率，HMS Core圖形引擎服務採用尤拉方法進行流體模擬。

採用尤拉方法構建流體模型，先將模擬區域劃分成均勻的網格，構造出流體的速度場、密度場等資料。如圖3所示。

圖3 紅點表示密度、壓強資料的儲存位置，紅色箭頭表示速度場資料

黑色網格是密度場網格，速度場網格在密度場網格基礎上沿x、y方向進行半個網格偏移（藍色網格），密度儲存在密度場網格中心點，速度場資料儲存在密度場網格頂點上，同時也是速度場網格中心點，這種形式可以很方便的實現中心差分計算，實際計算時需要將速度場按維度拆分。再引入有向距離場（SDF）資料描述流體的邊界，實現流體與邊界的碰撞效果。如圖4所示。