移動(dòng)設(shè)備硬件的高速發(fā)展，讓游戲行業(yè)發(fā)生翻天覆地的變化，許多酷炫的游戲效果不再局限于電腦端，玩家在移動(dòng)端就能享受到場景更逼真、畫質(zhì)更清晰、體驗(yàn)更流暢的游戲服務(wù)。但由于移動(dòng)設(shè)備算力不足，為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)感的水體效果，很多游戲廠商采用預(yù)計(jì)算的方法減少實(shí)時(shí)仿真的計(jì)算開銷，但水體場景在移動(dòng)端的流體效果仍然不佳。
真實(shí)感水體的模擬一直是圖形學(xué)和游戲開發(fā)領(lǐng)域的難點(diǎn)問題，對硬件算力要求也很高，因此大多數(shù)真實(shí)的水體模擬場景只出現(xiàn)在PC和主機(jī)游戲中。為了解決移動(dòng)端水體流動(dòng)真實(shí)感的問題，提升開發(fā)者應(yīng)用開發(fā)的效率，HMS Core圖形引擎服務(wù)（Scene Kit）推出了3D流體仿真技術(shù)，有效解決3D流體動(dòng)效在移動(dòng)設(shè)備上的實(shí)時(shí)性和功耗的問題。
圖1
3D流體仿真技術(shù)
圖2 歐拉描述與拉格朗日描述
模擬真實(shí)的流體效果需要大量的粒子或者網(wǎng)格，數(shù)量可達(dá)到十萬、百萬級別，但使用CPU串行計(jì)算的方式仿真需要幾秒才能完成一幀數(shù)據(jù)的計(jì)算，無法滿足實(shí)時(shí)性要求。而GPU在高性能并行計(jì)算領(lǐng)域有著巨大優(yōu)勢，因此在HMS Core圖形引擎服務(wù)中，我們利用GPU加速技術(shù)在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)流體仿真。
不過，僅通過GPU硬件加速不能完全滿足移動(dòng)設(shè)備上流體實(shí)時(shí)仿真的要求，還需要提升GPU的運(yùn)行效率，以及減少仿真的計(jì)算量，從而降低GPU的負(fù)載以及帶寬的使用，避免高負(fù)荷高帶寬運(yùn)行導(dǎo)致的設(shè)備發(fā)燙等體驗(yàn)問題。在流體運(yùn)動(dòng)的兩種描述方法中，拉格朗日方法由于粒子狀態(tài)受周圍其它粒子的影響，計(jì)算時(shí)需要先搜索鄰域粒子，這個(gè)過程對并行計(jì)算不夠友好，難以發(fā)揮并行計(jì)算的優(yōu)勢。而歐拉描述中的每個(gè)網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)據(jù)的計(jì)算過程都是相同的，更適合并行計(jì)算。因此為了提升GPU的并行效率，HMS Core圖形引擎服務(wù)采用歐拉方法進(jìn)行流體仿真。
采用歐拉方法構(gòu)建流體模型，先將仿真區(qū)域劃分成均勻的網(wǎng)格，構(gòu)造出流體的速度場、密度場等數(shù)據(jù)。如圖3所示。
圖3 紅點(diǎn)表示密度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)的存儲位置，紅色箭頭表示速度場數(shù)據(jù)
黑色網(wǎng)格是密度場網(wǎng)格，速度場網(wǎng)格在密度場網(wǎng)格基礎(chǔ)上沿x、y方向進(jìn)行半個(gè)網(wǎng)格偏移（藍(lán)色網(wǎng)格），密度存儲在密度場網(wǎng)格中心點(diǎn)，速度場數(shù)據(jù)存儲在密度場網(wǎng)格頂點(diǎn)上，同時(shí)也是速度場網(wǎng)格中心點(diǎn)，這種形式可以很方便的實(shí)現(xiàn)中心差分計(jì)算，實(shí)際計(jì)算時(shí)需要將速度場按維度拆分。再引入有向距離場（SDF）數(shù)據(jù)描述流體的邊界，實(shí)現(xiàn)流體與邊界的碰撞效果。如圖4所示。
圖4 密度場網(wǎng)格，棕色區(qū)域表示固體邊界，藍(lán)色區(qū)域表示流體，白色區(qū)域表示空氣。
在流體模型構(gòu)建完成后，再利用前面提到的納維-斯托克斯（NS）方程進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算過程包括求解重力、壓強(qiáng)、粘度、對流4步，分別對應(yīng)公式（1）中等號右邊的四項(xiàng)。
壓強(qiáng)和粘度求解過程復(fù)雜，通過大量優(yōu)化將求解過程簡化為線性方程組的求解，從而降低計(jì)算復(fù)雜度，減少計(jì)算量。方程組求解采用快速收斂的解法，同時(shí)進(jìn)行精度取舍從而降低計(jì)算開銷。數(shù)據(jù)存儲格式的優(yōu)化，也達(dá)到降低GPU帶寬使用、提高GPU cache命中率的效果。
求解對流項(xiàng)時(shí)，需要考慮流體與固體邊界的碰撞，圖形引擎服務(wù)采用一種統(tǒng)一建模的方式描述空氣、流體、固體網(wǎng)格，如圖5所示。
圖5紅色表示在邊界外部，灰色區(qū)域表示邊界，綠色區(qū)域表示邊界內(nèi)部
這樣在計(jì)算時(shí)可以統(tǒng)一處理全部網(wǎng)格，無需對流體、固體區(qū)域分別計(jì)算，可以減少計(jì)算邏輯，提升GPU線程的運(yùn)行效率。
通過以上多種技術(shù)方法，HMS Core圖形引擎服務(wù)實(shí)現(xiàn)了GPU運(yùn)行效率的提升以及流體仿真計(jì)算量的降低，從而在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了較低功耗的3D流體實(shí)時(shí)仿真。再結(jié)合圖形渲染的其他能力，最終在移動(dòng)設(shè)備上能夠?qū)崿F(xiàn)3D流體的流動(dòng)、飛濺、反射、折射等效果，讓用戶手機(jī)不發(fā)燙，還能擁有實(shí)時(shí)流暢的流體體驗(yàn)。
3D流體仿真技術(shù)來自華為2012實(shí)驗(yàn)室，通過HMS Core圖形引擎服務(wù)向開發(fā)者開放。HMS Core圖形引擎服務(wù)致力于為開發(fā)者提供高性能、低功耗的引擎服務(wù)，幫助開發(fā)者制作高品質(zhì)的3D應(yīng)用，賦能更多應(yīng)用走入數(shù)字世界。
