2D动画的中级烟雾控制
阿尔弗雷德巴纳特
卡内基·梅隆大学
李泽阳
斯坦福大学*
詹姆斯麦肯
Adobe Systems，Inc。*
南希S.波拉德
卡内基·梅隆大学
图1：我们的中级流体控制系统允许艺术家通过提供密度图案来指定局部烟雾行为（左图）。生成的流体可以与2D动画集成（左中）。在这种情况下，我们重新着色烟雾以匹配魔杖的颜色。我们的系统可以生成的其他效果（中间右侧）包括全局纹理，例如让人想起Katsushika Hokusai印刷品（右图）中发现的那些。本文介绍了艺术家应该能够通过提供预期的局部流体行为的示例来控制流体模拟的概念。 （例如，艺术家可能会指定魔法经常形成星形）。由于我们的想法适合高级，全局姿态控制和低级参数调整，我们认为中级控制。我们通过展示两个提供风格化烟雾效果的中级控制器来使我们的观念具体化
二维动画。通过这两个控制器，我们允许艺术家指定密度模式或粒子图案，这些模式应该在流体和流体应该符合的整体纹理图案中经常出现。每个控制器负责构建当前流体状态的程式化版本，其反馈到全局姿势控制方法中。这个反馈
机制允许烟雾保持类似流体的行为，同时也获得适合与2D动画集成的风格化外观。我们将这些中级控件与交互式动画系统集成，用户可以使用交互式时间轴视图控制和关键帧化动画参数。索引条款：I.3.4 [计算机图形]：GraphicsUtilities-Graphics包;I.3.7 [计算机图形]：三维图形和现实主义 - 动画1引言用于控制流体模拟的当前方法属于两个类：低级和高级。低级控制，例如Foster和Metaxas [6]，为艺术家提供了调整基本模拟参数或创建局部效果的工具。这些方法在艺术家时非常有用
试图模拟特定的流体（例如蜂蜜而不是水），或者获得一般行为（爆炸，飞溅）。相反，高级控制，例如Treuille等。[18]，修改流体行为
达到目标姿势。这些技术可以给艺术家和直接的全局控制流体姿态，可能是以牺牲
现实主义。*在卡内基梅隆大学进行的工作。图2：Katsushika Hokusai的标志性木版画印刷品具有引人注目且一致的局部外观，使用当前的高级或低级流体控制方法难以复制。但是什么的一个艺术家谁有一个特定的局部流体行为的概念，但只是希望全球流体姿势自然演变？例如，Hokusai（图2）的经典木版画中出现的水和云具有引人注目的外观
超越简单的程式化，很难在aclassic高级或低级控制框架中复制。为此，需要一种新型的流体控制：中级控制。我们认为中级控制方法可以保持艺术家意图的模糊性 - 控制特定的局部流体行为，同时允许全局流体姿势自然演变。物理学。因此，任何中级控制方法都必须如此
做出两个选择：首先，艺术家应该能够指定什么样的本地属性;第二，如何保持这些属性。当然，这些问题有许多有效的答案，但是
- 在本文中 - 我们将描述一个特定的中级烟雾控制框架，旨在与二维动画集成（图1）。我们选择让艺术家指定流畅的行为
通过提供在模拟过程中经常出现的局部密度模式或粒子图案（例如，在危险的m气中的头骨，或在强大的魔法光环中的螺旋和星星），以及全局应用但局部强制的纹理图案，控制流体的整体外观（如Hokusai云的外观）。我们通过使用当前密度场的连续更新的程式化版本作为全球烟雾控制方法的目标来使这些密度模式出现（图3）。这个基本前提 - 使用当前流体状态的程式化版本作为全局控制方法的目标 -
两者都在我们的特定系统中运行良好，似乎是实现未来中级控制器的强大蓝图。我们通过与交互式动画系统集成来展示我们方法的适用性。通过设置控制参数的关键帧值来控制动画，系统会在用户工作时自动渲染动画。通过在几个2D动画中添加controlsmoke来展示该系统的有效性.2背景技术图形中的流体动画具有丰富的历史。下面，我们强调一下
一些与我们的中级控制方案最相关的作品。关于图形中模拟流体的一般信息，我们将读者引用到最近的一篇调查论文[17]。我们的烟雾模拟使用Fattal和Lischinski [5]的全局控制方法作为基元。Fattal和Lischinskide通过用户指定的关键帧演示了这种方法，我们自动生成并不断更新流体目标。存在几种替代的全局控制方法，但没有一个区域能够很好地满足我们的需求。一种方法，由特雷伊尔等人提出。[18]后来使用伴随方法[10]进行了改进，通过找到允许烟雾的最佳驱动力（或
liquid）匹配一系列用户指定的关键帧。由于这些方法需要在未来几个框架中了解目标，因此它们不能很好地满足我们的需求。Lin和Yizhou [15]提出的另一种方法定义了目标形状和电流密度场的隐含表面，并增加了速度以将密度表面推向目标。该方法并不特别适合与我们的目标密度场一起使用，因为它们不一定定义离散对象，而是定义要匹配的密度值的范围.Schpok等人的控制方法。允许用户使用从模拟中提取的中级特征词汇表来操纵流程[13]。通过使用模拟速度场的简化基础可以实现类似的控制，如在Angelidis等人的方法中那样。[1]。这里，速度场表示为涡旋细丝的一组，允许动画师更容易理解任何修改的效果。然而，在这两种情况下，用户仅限于他们未选择的局部结构。艺术流体控制中的另一个考虑因素是能够在低分辨率和高分辨率模拟之间保持整体行为。Nielsen和Christensen通过使用低分辨率模拟来指导全球行为，为此提供了解决方案
一个相应的高分辨率模拟，同时允许出现高频细节[12]。解剖流体渲染方法试图呈现出的输出
给定风格的流畅动画。一种这样的方法是使用广告牌颗粒进行卡通烟雾渲染[9,14]。另一个
方法是使用由模拟[2,7,8,11]产生的速度场控制的纹理合成技术。或许与我们自己相似的这些技术是Ma等人的。[8]，它使用纹理合成来顺序地将速度范例或主题应用于动画的每个帧。该技术的相似之处在于，通过从前一帧中提取纹理场来对每帧的纹理化速度场进行播种。然而，对速度场而不是密度场进行纹理化会限制艺术家指定所需密度配置的能力，更重要的是，纹理不能影响任何底层模拟。在所有这些方法中，没有反馈循环 - 在我们的系统，程式化不仅仅是化妆品，它实际上改变了长期的流体行为.3贡献我们介绍了一种艺术家指导的流体风格化技术，并将其反馈到底层模拟中。我们使用当前的流体状态来确定图案在流体中的显示方式和位置，目标是逐渐移动流体以匹配艺术家所需的外观（图3）。通过这些图案在流体中引起的变化反过来又反馈到所使用的选择机制中。图3：我们通过添加程式化反馈来实现中级控制
（实线边框）到现有的烟雾控制方法[5]（虚线边框）。将图案放在未来的框架中。我们开发了两种使用这种反馈机制的中级流体控制技术。这些技术中的第一种放置了主题粒子，表示艺术家希望出现在流体中的形状。这些颗粒的初始放置和它们的运动都由流体状态决定。然后这些颗粒的存在会影响局部行为
流体，反馈到底层模拟。我们的第二种技术贯穿整个流体，尝试移动流体以匹配艺术家指定的纹理图案。这是通过使用纹理转移技术来构建流体状态的风格化转换来实现的。然后使用这种程式化的流体来指导底层模拟，从而完成反馈循环.4方法我们使用Fattal和Lischinski的全局烟雾控制方法构建我们的系统[5]。我们不是使用预定的关键帧，而是将密度字段的程式化版本反馈为smoketarget（图3）。可以使用图案粒子的集合或图案纹理来生成风格化的密度场。图案颗粒引起流体的局部区域，其已经与一组用户定义的图案中的一个相对应，以更紧密地匹配图案。Motif纹理全局工作，使流体与用户定义的样本图像中出现的模式相符.4.1烟雾控制由于我们的系统使用目标驱动的烟雾[5]作为基元，我们简要总结了它的操作。目标驱动的smoketo的目标是将电流密度场rho;驱动到某个目标密度场rho;
lowast;.为此，驱动力F（rho;，rho;
lowast;
）和阻尼力vdu被引入流体运动方程：ut = -u·nabla;u-nabla;p vf F（rho;，rho;）
lowast;
）-vdu f（1）nabla;·u = 0（2）这里，u是流体速度，p是压力，f是外力，和vf
和vd是给出控制和阻尼强度的常数。驱动力F（rho;，rho;
lowast;
）沿着模糊目标密度rho;的标准化梯度移动流体
lowast;
:F(rho;,rho;
lowast;
) equiv; rho;tilde;
nabla;rho;tilde;
lowast;rho;
〜*（3）（rho;~因子用于减少不存在密度的力。）另外，聚集项G（rho;，rho;）
lowast;
引入密度平流方程来对抗数值耗散：rho;t= -u·nabla;rho; vgG（rho;，rho;）
lowast;
）（4）其中G（rho;，rho;
lowast;
）被定义为减少匹配目标时的错误
密度（即rho;-rho;
lowast;
），在目标附近存在密度的地方（因此rho;rho;〜
lowast;
因子）：G（rho;，rho;
lowast;
[rho;rho;tilde;）equiv;nabla;·
lowast;nabla;(rho; minus;rho;
lowast;
）（5）4.2 Motif Particles图4：左，一个使用我们的motif粒子方法的动画帧。盒子中的中间，图案粒子位置。右边，stylizeddensity字段（用作下一帧的控制目标）。我们的motif粒子方法产生一个目标密度场，
将导致艺术家指定的图案在流体中自然出现。艺术家将这些图案或图案指定为一组所需流体密度的小图像。我们的主题粒子方法的工作是选择这些图案将出现的位置和方向。为此，我们的方法使用图案粒子来匹配和跟踪类似这些图案的localsmoke特征（图4）。这些主题
将粒子与电流密度场混合以产生控制目标。这具有在烟雾中形成图案并持续直至被湍流破坏的效果.4.2.1图案匹配对于图案粒子仅在与其图案外观相似的区域中出现是重要的。我们分两步找到这些职位。首先，我们通过使用由环投影启发的简化旋转不变匹配方案找到可能的良好匹配[4]：我们通过计算四个半径的平均密度来计算流体网格中每个点的描述符（图6）。将该描述符与在每个基元上计算的类似描述符进行比较，并且丢弃高于距离阈值的位置。然后，对于那些通过旋转不变量的位置
匹配时，我们使用不透明度加权的欧几里德距离算子检查32个旋转对主题中的所有像素，以查看它们之间是否存在与流体相匹配的情况。如果我们发现任何匹配是goodenough（即在用户定义的阈值下），我们引入一个主题
粒子跟踪匹配的位置和旋转。为了
为了避免产生重叠的粒子，我们不认为在这个匹配过程中区域已经被图案粒子覆盖。在实践中，必须根据图案的复杂性仔细调整初始匹配阈值。如果图案是一个简单的形状，偶尔可能会在没有帮助的情况下出现，那么阈值可能很低。对于更复杂的形状，需要更高的阈值。还可以使用alpha;通道掩盖图案图像的部分，使得它们对图案没有贡献
匹配。例如，如果一个图案均匀地着色，而该图形仅由alpha通道创建，则它将匹配任何区域
图6：在我们的第一个motif匹配阶段，我们使用一个旋转不变描述符，由四个半径中的每个的32个样本组成，如图所示。样品位置由小圆圈表示，匹配的区域（例如粒子图案）由方形背景表示。流体具有正确的颜色，无论流体与其形状的符合程度如何.4.2.2 Motif Particle BlendingWe初始化控制目标，rho;
lowast;
然后，利用电流密度场，一次一个地混合图案颗粒M.混合函数是用户指定的过度混合的组合（当beta;= 1，gamma;= 0时）和添加混合（当beta;= 0，gamma;= 1时）。结果
夹紧到密度值的有效范围，[0,1]：rho;
lowast;
（x）larr;（1-beta;Malpha;（x））rho;
lowast;
（x） （gamma; beta;）Malpha;（x）Mrho;（x）（6）这里，由图案粒子M表示的图案在平移并旋转到M时在位置x处具有密度Mrho;（x）和不透明度Malpha;（x）重要的是要注意，粒子图案永远不会直接混合到密度场中，无论是在模拟过程中还是在输出密度场之前。相反，它们被混合成一份
密度场用作当前帧中目标驱动烟雾的目标，然后丢弃.4.2.3主题粒子平流当密度场平流时，我们也根据流体运动更新我们的主题粒子。为此，我们求解与烟雾运动最佳匹配的线性和角速度，然后根据这些速度更新主题粒子位置。那
给定一个以c为中心的主题粒子，其中x点的不透明度由Malpha;（x）给出，我们计算线性速度v和角速度omega;，它们在不透明度加权平方差中接近流体速度u：argminomega;，vSigma;x
Malpha;（x）（omega;perp（x-c） v-u（x））2（7）这里，perp（x）是x旋转90度。我们发现在方程式7中使用最小二乘逼近速度给定与我们尝试的其他方法相比，产生了更加视觉上令人愉悦的结果，例如简单地平均小点数的速度，特别是在图4中的日本平假名等不对称粒子的情况下。我们的最小平方评估方法也避免了粒子布鲁斯高的区域的不准确性速度.4.2.4基元粒子重新验证过了一段时间，基序粒子可能不再与下面的流体相匹配（例如，如果湍流破坏了图案）。我们在每个步骤开始时重新检查每个主题粒子的距离函数。我们使用与初始匹配相同的旋转不变描述符，以便在初始匹配和重新验证之间的距离是一致的。如果发现距离高于某个用户定义的阈值，则标记粒子
去除。该阈值独立于初始匹配阈值，并且可以设置得更高，以便允许流体被破坏而不会导致颗粒被移除。此外，我们必须按顺序移除任何重叠的颗粒
防止颗粒团块在流体的会聚区域形成。为此，我们跟踪粒子年龄，并检查与旧粒子重叠的任何粒子。这可以在图案混合期间通过跟踪每个像素来完成
已经绘制了一个覆盖像素的粒子。如果我们发现任何粒子与已经绘制的粒子重叠，我们将其标记为
去除。标记为要移除的颗粒最后被检查，因此它们将永远不会导致另一个颗粒被标记为移除。我们不会立即移除颗粒，因为这会产生明显的“爆裂”效果。相反，我们在用户指定的持续时间d：Malpha;（x）larr;线
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Mid-level Smoke Control for 2D Animation
Alfred Barnat
Carnegie Mellon University
Zeyang Li
Stanford Universitylowast;
James McCann
Adobe Systems, Inc.lowast;
Nancy S. Pollard
Carnegie Mellon University
Figure 1: Our mid-level fluid control system allows artists to specify local smoke behavior by providing density motifs (left). The resulting fluidcan be integrated with 2D animations (center left). In this case, we have recolored the smoke to match the wand colors. Other effects our systemcan generate (center right) include global textures such as clouds reminiscent of those found in Katsushika Hokusairsquo;s prints (right).ABSTRACTIn this paper we introduce the notion that artists should be ableto control fluid simulations by providing examples of expected local fluid behavior (for instance, an artist might specify that magicalsmoke often forms star shapes). As our idea fits between high-level,global pose control and low-level parameter adjustment, we deemit mid-level control. We make our notion concrete by demonstrating two mid-level controllers providing stylized smoke effects for
two-dimensional animations. With these two controllers, we allowthe artist to specify both density patterns, or particle motifs, whichshould emerge frequently within the fluid and global texture motifsto which the fluid should conform. Each controller is responsiblefor constructing a stylized version of the current fluid state, whichwe feed-back into a global pose control method. This feedback
mechanism allows the smoke to retain fluid-like behavior, whilealso attaining a stylized appearance suitable to integration with 2Danimations. We integrate these mid-level controls with an interactive animation system, in which the user can control and keyframeall animation parameters using an interactive timeline view.Index Terms: I.3.4 [Computer Graphics]: GraphicsUtilities—Graphics packages; I.3.7 [Computer Graphics]: ThreeDimensional Graphics and Realism—Animation1 INTRODUCTIONCurrent approaches for controlling fluid simulation fall into twobins: low-level and high-level. Low-level controls, e.g. Foster andMetaxas [6], give artists tools to tweak basic simulation parameters or create local effects. These methods are useful when an artist
is trying to model a specific fluid (honey instead of water, for instance), or get a general behavior (explosion, splash). In contrast,high-level controls, e.g. Treuille et al. [18], modify fluid behavior
to attain target poses. These techniques give artists and directorsexplicit global control over fluid pose, perhaps at the expense of
realism.lowast;Work performed while at Carnegie Mellon University.Figure 2: Katsushika Hokusairsquo;s iconic wood-block prints feature fluidswhich have a striking and consistent local appearance that wouldbe hard to duplicate with current high-level or low-level fluid controlmethods.But what of an artist who has a specific notion of local fluid behavior, but simply wishes for the global fluid pose to evolve naturally? For instance, the water and clouds appearing in classic woodblock prints by Hokusai (Figure 2) have a striking appearance that
goes beyond simple stylization and would be hard to duplicate in aclassic high- or low-level control framework. For this, a new typeof fluid control is needed: mid-level control.We consider a mid-level control approach to be one that maintains the ambiguity of an artistrsquo;s intent – controlling specific localfluid behaviors while allowing the global fluid pose to evolve naturally due to physics. Thus, any mid-level control approach must
make two choices: first, what sort of local properties artists shouldbe able to specify; and, second, how these properties will be maintained.There are of course many valid answers to these questions, but
– in this paper – we will describe a specific mid-level smoke control framework designed for integration with two-dimensional animations (Figure 1). We choose to let artists specify fluid behavior
by providing local density patterns, or particle motifs, that shouldappear frequently over the course of the simulation (for instance,skulls in a dangerous miasma, or spirals and stars in a powerfulmagic aura), as well as a globally applied but locally enforced texture motif, which controls the overall appearance of the fluid (as inthe appearance of Hokusairsquo;s clouds). We cause these density patterns to emerge by using a continuously-updated stylized versionof the present density field as a target for a global smoke-controlmethod (Figure 3). This basic premise – using a stylized versionof the current fluid state as the target of a global control method –
both works well in our specific system and seems like a powerfulblueprint for implementing future mid-level controllers.We demonstrate the applicability of our approach by integratingit with an interactive animation system. The animation is controlledby setting keyframe values for control parameters, and the systemautomatically renders the animation as the user is working. Wedemonstrate the effectiveness of this system by adding controlledsmoke to several 2D animations.2 BACKGROUNDFluid animation in graphics has a rich history. Below, we highlight
a few works which are the most relevant to our mid-level controlscheme. For general information on simulated fluids in graphics,we refer the reader to a recent survey paper [17].Our smoke simulations use the global control method of Fattal and Lischinski [5] as a primitive. Where Fattal and Lischinskidemonstrated this approach with user-specified keyframes, we automatically generate and continuously update the fluid target.Several alternative global control methods exist, though none areas well suited to our needs as the above. One approach, given byTreuille et al. [18] and later refined using the adjoint method [10],works by finding optimal driving forces that will allow smoke (or 全文共17587字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[1536]
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