基于弹簧-质点模型的布料仿真研究

【摘要】：近十几年以来,布料仿真技术越来越成为图形学领域研究的热点。随着计算机技术的发展,布料和服装的变形仿真技术已经发展到可以通过动画进行演示的程度。即便如此,现有的仿真技术还是难以满足信息时代的要求。由于网络信息技术高速发展,电子商务、网上商店、网络游戏等迫切要求使用具有逼真效果和很高实时性的布料仿真,这对布料仿真技术的发展提出了很高的要求。 为了获得一种稳定并且具有较高实时性的布料仿真方法,本文通过对真实布料的物理机械性能的分析及对现有的多种布料仿真技术的对比,在采用弹簧-质点模型的基础上,根据牛顿经典力学理论建立了布料仿真的动力学方程。然后使用计算速度较高的显示欧拉方法作为数值积分方法,对微分方程进行数值求解。本文还对经典的龙格-库塔数值积分法进行了尝试。 布料仿真技术中的另一个关键问题是如何处理布料运动时与周围物体的碰撞。为了达到实时效果,本文针对与布料发生碰撞的具体对象设计了简单易行的碰撞检测方法,采用效率较高的二分法和惩罚力法,尤其在处理惩罚力对质点所产生的惯性作用的过程中,所采用的空气阻力法在确保仿真系统的稳定性方面取得了很好的效果。 本文的仿真实验程序在Microsoft Visual C++6.0集成环境中开发,三维图形渲染绘制与动画使用OpenGL。程序可以演示了布料与球体及桌子碰撞的全过程,较真实地反映了布料的形变以及布料与刚体的碰撞行为。