“Target-Driven Smoke Animation”的GPU实现 (updated 2006.05.02 改进了DEMO,可以在NVIDIA显卡上运行了)

        电影魔戒首部曲前一刻钟中有这么一幕:111岁的Bilbo与魔法师甘道夫正谈论着烟草，突然Bilbo吐出一个大烟圈,而甘道夫更是了得，笑着吹出一艘美丽的帆船，航行穿过了Bilbo烟圈。接着镜头便转向了一个巨大的焰火宴会。美国的电影特技公司是如何实现这一效果的，不得而知。不过SIGGRAPH2004中的一篇文章“Target-Driven Smoke Animation”却是公开了一种烟雾动画控制技术（smoke animation control），达到了与电影中类似的效果。此论文是以色列人撰写的（The Hebrew University of Jerusalem），SIGGRAPH2003中“Keyframe control of smoke simulations”引起了他们对此方向的兴趣，提出了新的思想，方法不复杂，但是最后的结果倒是出奇的好。通过查阅文献，最初公开发表研究"烟雾动画控制技术"的论文是个中国留学生（Object Modeling and Animation with Smoke），Lin Shi，复旦的本科，现在美国读博士，成果累累。中国的精英在国外有许多，一旦有了吸引这些有真才实学的学者回国的机制，我想实现科技的腾飞是指日可待的。
      原文的实现全部使用了CPU，运用精度很高的二阶偏微分数值解法，时间步长也较小，因此最后形成的动画图像非常细腻。我使用了GPU（ATI 9600），采用了大步长，一阶隐含数值解法，能实时实现二维的烟雾动画(比如一个图像遵循流体的运动定律演化为另一种图像)，当然从视觉效果上要比论文上的差很多。原来一直打算找时间写三维形式烟的模拟，可是自从看到那论文后，心里就开始构思如何实现文中的算法，只是碰到点编程上的BUG，徘徊了好多天。现在总算有了个雏形，心中还是比较开心的。只是有时候，晚上调程序，睡不着，看看电视放松一下脑子，结果那几天影响了一位室友的睡眠，在此表示歉意。
      
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    这阵子还看了两本科普书，一本是许峰雄写的“深蓝揭密”，一本是沃森写的“双螺旋”，都是在买到后，一个晚上一口气读完的。两本书有一个共同的特点，都是科学家撰写自己亲身的科研历程，披露了很多国外一流大学学习生活的细节。沃森在他25岁时就发现了DNA的双螺旋结构,以此成果荣膺了日后的诺贝尔奖。他在一本书中自述：故事开始的时候我25岁，还没有结婚，考虑女孩（girls）多于基因（genes）。表述很大胆也很有意思。
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        又过了好多天，一直想对上面那个DEMO做优化，但是好象没了那股精气神，结果一点也没进展。两三天前的一个晚上，看了会电视，喝了杯价值一块钱的咖啡，突然来了精神，把想到的优化方法付诸实现了。用了浮点数纹理，精度一下子提高了，从效果上接近原论文一阶微分数值解法的视频。昨日晚上又将GRID SIZE加到256，图像品质大为改善。

改进版DEMO(“Target-Driven Smoke Animation”的GPU实现)下载：
http://pan.baidu.com/s/1mgnzola

可以改变源与目标的图片(在/images目录下)，以观察到不同的效果
比如：在Source Image Filename框中录入“char.jpg”,在Target Image Filename框中录入“char1.jpg”;
然后按一下“Inverse Start”会看到一个中文的“图”字以烟雾状化为另一个中文字“画”;
再按一下“Inverse Start”会看到一个中文的“画”字以烟雾状化为另一个中文字“图”。

这些DEMO均使用“October 2005 DirectX SDK Update”，要求GPU支持PS2.0