揭秘物质点法技术：从影视特效渲染到奥运训练辅助
《黑神话：悟空》无疑是国产游戏产业一座意义非凡的里程碑，不但收获好评如潮，更是销量与奖项齐飞，许多玩家感慨游戏场景逼真程度让人虚实难辨。事实上，很多电影或游戏中那些令人惊叹的逼真场景，背后隐藏着技术的重大创新。物质点法（Material Point Method, MPM），一种前沿的数值模拟技术，它不仅能让高速物体撞击水的瞬间栩栩如生，还能揭秘奥运健儿“水花消失术”的科学原理，甚至为虚拟世界注入真实的物理特性。
麻省理工学院的高压水流撞击水珠实验
奥运健儿的“水花消失术”
MPM：拉格朗日法与欧拉法的结合
MPM采用拉格朗日质点和欧拉网格的双重描述，它将连续介质离散为一系列物质点，每个质点都携带全部的材料信息，而背景网格则用于求解动量方程。这种结合让MPM兼具了粒子类算法和网格类算法的优点，即：
每步重置背景网格，避免了网格畸变；
借助拉格朗日质点，易于追踪物质界面；
质点与网格信息映射，化解了对流项计算难题；
自动处理多体接触，无需搜索邻近粒子。
MPM单步计算流程示意图
正是这些特性，让MPM能够广泛应用于冲击侵彻、爆炸毁伤、断裂破碎、岩土地质、流固耦合等涉及结构与材料极端变形的工程问题。
子弹击水：MPM的“暴力美学”
想象一颗高速子弹射入水球的瞬间：水面先是微微凹陷，随后迅速形成冠状水花，紧接着子弹入水产生空腔、气泡。这一系列复杂的过程，MPM都能准确模拟。这种物理准确性，为数字世界注入了震撼的视觉冲击力。
MPM结合真实感渲染技术，在子弹击水时，水花的飞溅、气泡的生成，每一个细节都栩栩如生，仿佛在赛博空间重构了一个真实的物理世界。
高速子弹射入水球的真实感渲染
水车悠悠：MPM的“细腻雕琢”
除了展现子弹击水的“暴力美学”，MPM还能细腻地模拟传统机械的运转。以水车为例：MPM能够精确模拟水流的冲击、水车的转动以及水花飞溅等诸多细节。在数字空间中，每块水体微元（粒子）都被赋予物理属性，遵循真实的物理规律。飞溅的水花不再是插画师的脑补，而是真实物理作用的照片级呈现。
水流冲击水车
借助真实感渲染技术，MPM带来的不仅是视觉上的逼真，更是对物理规律的再现。通过细致地模拟光与介质的相互作用，对每一帧画面都进行全局光照计算，并充分考虑直接光照、间接光照、阴影、反射、折射等多种光学效应，使得最终渲染出的水车场景呈现出照片级的真实感。水面波纹根据物理规律生成，甚至波纹间的干涉现象都被精确捕捉，让人仿佛身临其境。
侧面展示高转速水车对水运动的影响
侧面展示低转速水车对水运动的影响
就连水车木材质感的渲染也细致入微，木材纹理清晰可见。
正面展示高转速水车对水运动的影响
正面展示低转速水车对水运动的影响
从影视特效到奥运科学：MPM的广泛应用
基于物理引擎的数值仿真，是计算机图形学从追求视觉真实迈向物理真实的重要一步。MPM不仅能够重现水车等传统机械的运转、子弹击水的复杂物理现象，还能揭秘奥运健儿上演“水花消失术”背后的流体力学机理。
水花控制：通过模拟跳水运动员入水时的角度和速度，MPM可以揭示如何减少水花飞溅；
科学训练：运动员可以利用这些模拟结果优化动作，提升比赛表现。
结构体入水的真实感渲染
虚拟与现实的边界正在消失
随着计算机软硬件环境的不断发展迭代，CAE计算在向两个方向发展：其一是求解问题的复杂度和精确度不断提升，其二则是和真实物理世界的交互程度日益加深。MPM引擎 + 真实感渲染引擎的融合，是对未来仿真形式和结果呈现的进一步探索。
云道智造伏图（Simdroid）平台的物质点法引擎（Simdroid-MPM），具备强大的有限元-物质点一体化建模、离散、求解及后处理的全流程仿真能力，在兼顾效率与精度的同时，还兼备易学易用的特性。
前处理建模
后处理结果展示
同时，伏图平台的真实感渲染引擎已完成基础路线的探索。在即将推出的新版本中，该引擎基本实现了传统精确工程结果的逼真效果展示。通过在传统的后处理流程之后引入新流程，嵌套高级渲染器功能，既兼顾了传统仿真数据，也满足了新渲染需求，实现了全新的真实感渲染效果。
对MPM分析结果进行真实感渲染的参数设置
可登陆Simapps网站，申请试用仿真工具Simdroid-MPM。
