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布料运动仿真技术研究

林建贞  
【摘要】: 在过去几十年里,计算机动画一直是人们研究的热点。运动布料的计算机实时模拟作为计算机动画的一个重要组成部分,吸引了越来越多的研究。虽然布料模拟非常重要,并且已经有了大量的研究,但是快速并且理想的布料模拟直到现在仍然是一个挑战。作者分析了基于物理模型的布料模拟的基本步骤包括造型、运动控制、碰撞检测与响应处理,研究了基于矩形网格的局部自适应细分与合并的布料模拟方法。本文是对该项工作的总结和概括。文章的主要研究内容及其成果包括以下几个方面: 首先比较分析用于布料造型的几何法、物理法以及混合法各自的优缺点。在此基础上作者提出改进的基于矩形域的质点-弹簧模型,利用该模型统一建立了布料真实感模拟方程,给出方程中质点所受内力和外力的组成与表达式以及动态系统的推导和求解过程,并且描述了模拟的具体实现算法。改进的质点-弹簧模型克服了原有模型对织物的材料性能表达单一的缺点,考虑了拉伸、剪切、弯曲等力学性能对布料外观的影响,有效提高模拟的真实感效果。 本文接着分析了碰撞检测与响应算法的研究意义以及技术难点,给出碰撞检测一般算法框架和经典方法。针对碰撞检测时间耗费量大的问题,本文通过引进碰撞状态开发了适合本文模型的基于局部自适应细分的碰撞检测与响应,包括基于AABB树的层次包围盒技术和基本几何元素的碰撞检测与响应。其中,通过将布料和场景中的其他物体都由三角网格表示,从而将他碰撞和自碰撞检测归结为判断点-三角形或边-边之间是否相交的问题。同时,在自碰撞检测中,作者利用三角形表面曲率简化计算。 另外,针对布料造型与效果仿真中存在的模型复杂、模拟效率低、忽略布料细节等问题,本文提出一种基于局部自适应细分与合并的快速布料模拟方法。结合基于Catmull-Clark机制的局部自适应细分,设计了一种新算法。在布料掉落下来与硬物碰撞时,能够在局部自动细分生成新粒子加入系统,参与运动模拟。如果粗网格已经能较好模拟布料则自动合并。针对自适应细分所涉及的超弹性、裂缝以及细分层次等问题提出相应的解决办法。 最后,本文给出了这种技术的实现算法,同时将SIMD技术引入到布料模拟中,实现硬件加速。实验证明,本文的布料模拟系统可以进行高效的实时运动仿真,减少超弹性等失真现象,在效率和真实感两者间取得较好的折中效果。


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