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布料模拟的实时碰撞检测研究与实现

唐林顿  
【摘要】:本文主要研究了虚拟现实技术中,在处理布料与人体交互时,对碰撞检测算法的几点改进措施。布料模拟在电脑游戏,计算机动画,影视特效制作,网上购物,虚拟时装展示及服装设计等领域有着广泛的应用前景,因此这一课题的研究有着重要的意义。 布料的模拟涉及到各种复杂的数学物理问题,可以简单的将其分为模拟,更新,碰撞检测三个比较大的模块。模拟和更新主要涉及的是动力学方面的问题,通过建立物理模型,得到微分方程,然后通过数值分析的方法解对应的微分方程。这两方面虽然也涉及到大量的计算,但并非限制布料模拟速度的主要瓶颈。 真正限制布料模拟性能和效果的是碰撞检测,整个模拟算法的大部分时间是花在碰撞检测这一部分,因此一个高效的碰撞检测算法将大幅度地提升布料模拟的整体性能,同时增进布料与人体的交互式场景中的真实感与交互性。 将刚体碰撞检测算法移植到涉及诸如布料的变形体的场景中时并不顺利,因为一个重要的问题——变形——将极大的影响算法的效率。除此之外,布料还有比一般变形体更为复杂的问题——自碰撞,这就更加限制了传统碰撞检测算法在布料模拟中的应用。 传统的碰撞检测算法中,BVH结构因为其可以快速过滤掉大量明显不相交的物体和物体间不相交的部分而被广泛采用,但是很多基于BVH的碰撞检测算法在处理变形体问题时都有一个共同的缺点——数据结构更新慢。BVH碰撞检测算法也有其他方法无可比拟的优点——结构清晰,快速收敛,方便计算。这就促使我们考虑是否可以结合传统BVH的优点而又避免其更新缓慢的缺点。融合AABB的OBB结构即是在这一理念下产生的。 另外,对传统的计算OBB的方式也实现了基于近似凸包的改进方法来加快计算速度同时避免退化情况。


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