等几何连续介质弹性模型的带厚度布料仿真方法

目的 布料仿真是计算机动画领域的一个研究热点和难点,基于粒子系统的模型快速高效却难以准确描述布料真实的物理特性,这些物理属性可以由连续介质的弹性模型利用有限元方法来实现,但所需网格单元较多,求解复杂且耗时。现有方法通常将布料建模为曲面和壳模型,对较厚布料的仿真能力较弱。针对这些常用模型在几何建模、物理真实性和仿真速度上难以兼顾的问题,提出了一种带厚度的布料仿真模型,能够更真实地表达不同厚度布料的形变行为,并利用等几何分析方法进行基于物理的快速动态仿真模拟。方法 将有厚度的布料建模为三变量B样条体表示的薄板模型,利用等几何—伽辽金方法,推导出在给定边界条件下三维连续介质线弹性力学方程的弱形式,将B样条体的控制网格作为计算网格进行仿真分析,最后在隐式动力系统框架下对线性方程组直接求解。结果 对本文布料模型进行了多方面的讨论和分析。首先,与几种主流的离散模型下的模拟效果进行了光滑度的对比,本文方法的NURBS(nonuniform rational B-splines)建模有着明显的光滑性优势;并在不同自由度下比较了与经典有限元连续介质模型的计算时间,结果表明模拟结果的平方根误差（root ...     

纤维可控的质感布料三维建模与服装仿真

传统布料和服装动态仿真主要通过网格模型进行模拟,并通过光照、材质和颜色设置进行渲染,布料与服装质感效果通常不能体现.本文提出一种新的基于纤维的质感布料建模与服装仿真算法.首先使用集合球约束粒子扰动的方法模拟纤维轮廓,然后根据纱线加捻的动力学和运动学原理模拟基于纤维的纱线构造方法,接着将纱线经纬编织组织结构与弹簧-质点模型结合起来,构造基于纤维块的织物布料模型,最后通过建立人体混合层次包围盒进行快速碰撞检测,实现由质感布料生成的服装动态仿真.实验结果验证了该方法可靠,有效,生成的布料能体现织物外观纤维级别的细节,对应的服装几何纹理和质感效果得到增强.     

物理与凸凹贴图结合的实时布料褶皱模拟方法

介绍了一种物理计算与凸凹贴图相结合实时模拟布料褶皱的方法.基于质点一弹簧模型建模,根据模型的空间状态通过几何插值的方法为布料表面实时计算凸凹贴图高度纹理.在此过程中,通过对高度纹理进行平滑或噪声处理,以获得更佳效果,同时给出试验条件与结果,作为参考.     

实时的流体布料碰撞检测方法

为了实现流体与布料的碰撞效果,提出一种布料边界快速采样的方法.首先在预处理的过程中对布料三角形的边和内部进行分析采样;然后计算流体粒子以及采样粒子受到的作用力,并将采样粒子受到的力作用于布料三角形的每个质点上;最后更新流体粒子与布料质点的位置和速度.为使动画效果更加地真实,采用GPU并行计算来加速仿真.实验结果表明,该方法实现了流体和布料的双向耦合,并可以高效、稳定地模拟不同状态的布料与流体的交互,具有较强的适用性.     

基于弹簧质点模型的布料仿真及碰撞处理方法

该文对布料仿真方法进行了研究。首先运用弹簧——质点系统建立布料的面模型，将柔性布料离散为分布均匀的质点，进而对整个系统进行了动力学分析。为获得高效的算法，采用了显式欧拉方法对微分方程进行数值积分。碰撞问题是布料仿真研究中的重要内容，该文针对具体碰撞对象设计了高效的碰撞检测方法，采用二分法作为碰撞响应算法，最后进行了布料产生碰撞后趋于稳定及滑落的动态仿真演示。该方法在达到较高计算效率的基础上，确保了仿真系统的稳定性。     

基于实例数据分析的多精度网格布料动画

在布料动画领域,细节变形褶皱的快速逼真模拟是一个具有挑战性的问题.多精度网格布料动画技术,在不同变形区域采用不同密度的网格,由此保证布料运动的丰富细节和更高的动画合成效率.已有的研究工作,主要针对多精度网格布料动画的可计算问题,即在动画过程中动态获取顶点或面片曲率,依据手工设定的阈值进行动态迭代精化,而对于有效性问题,即如何预测布料运动趋势并据此合理修改网格精度,未深入研究.针对该问题,在对布料运动过程中弯曲变形特征进行分析的基础上,提出一种基于实例数据分析的多精度网格布料动画方法.首先,选取一段持续的高精度布料动画作为实例数据,分析并提取弯曲变形模式;其次,以弯曲变形模式作为启发信息,结合有效的精化策略以及精化原则,对相应低精度布料模型进行逐层精化,从而构建多精度网格布料几何模型;最后,建立多精度网格各层质点的受力关系,并通过增加边界约束和质量约束,构建可适用于多精度网格的布料动画模型.实验结果显示,文中预构建的多精度网格模型可用于同类相似运动驱动下的布料动画计算,能够在保持较多细节变形的前提下,有效提高计算效率.     

基于改进质点弹簧模型下的布料实时仿真

布料模拟一直是计算机动画的研究热点.且对于虚拟现实技术有着重要意义.在以往的研究中,人们提出了许多模拟织物运动的方法,方法的一个主要缺点是复杂度高、计算效率低,无法满足交互设计和实时动画的要求.在经典质点掸簧模型的表示基础上结合Choi的布料模型,通过简化弹簧弯曲抗力的计算方法,合并了弹簧的结构力和剪切力,从而达到了简化了布料物理模型的目的,提高了模拟的速度.实验证明,采用经改进的质点弹簧模型可以得到实时稳定的布料仿真效果.     

通用三维服装模型的强约束动态仿真方法

随着三维游戏和虚拟试衣要求的不断提高,服装仿真已经从布料模拟向服装动态模拟的方向发展,具有真实性、实时性、通用性与交互性的服装仿真技术有很强的研究和实用价值。针对目前算法研究中普遍存在的实时性与通用性不足,提出了一种针对任意三维服装模型的实时仿真方法,将模型顶点和三角面映射为质点的弹簧模型,以克服传统的布料解算器对三维模型的网格限制。利用简便易行的Verlet积分器提高运算效率,并对质点间的形变进行强约束补偿,防止过拉伸(超弹)现象的发生,提高了系统的稳定性。通过实验验证了算法的高效性和可靠性,并可方便地以插件或模块形式与其它软件整合。     

快速的布料碰撞检测和有效的接触摩擦算法

为了快速处理布料的碰撞检测并获得真实的接触摩擦仿真效果,提出一种基于罚函数的碰撞/接触解决方案.首先,采用质点-弹簧模型进行布料的仿真模拟,在弹簧形变方向添加改进的阻尼力,以减少粒子之间的振荡来保证系统稳定性;其次,采用代数非穿透滤波器对连续碰撞检测算法进行简化求解,快速判断是否存在方程根,提高布料每帧运行的仿真效率;最后,采用库仑约束和接触约束对每个碰撞/接触对进行约束,并结合改进的罚函数法有效地响应所有的碰撞/接触对.实验结果表明,该算法在CPU仿真环境下能快速有效地处理布料的碰撞和接触摩擦,模拟出布料复杂的物理行为,适用于实时的交互应用.     

一种用于实时模拟布料与流体交互的算法研究

针对目前布料与流体交互时出现的流体穿透和布料自碰撞问题,提出一种用于实时模拟布料与流体交互的方法.首先,根据布料的网格拓扑结构引入拉伸约束和弯曲约束对弯曲力以及拉伸力进行建模;其次,采用膨胀式连续碰撞检测方法检测布料与流体间的碰撞,并使用基于惩罚的接触力来处理碰撞响应,解决了高速度流体与布料发生碰撞时的穿透问题;最后,引入交互因子记录布料与流体的首次接触时间,采用扩张的k-DOPs层次包围体结构对布料上的所有几何元素进行相交检测,并采用施加约束的方法处理发生碰撞的质点的位置和速度,保证了检测速率并解决布料自碰撞的问题.实验结果表明,该方法能够准确检测到流体穿透和布料自碰撞的问题,并对交互时的相互作用做出正确的碰撞响应,且该方法具有实时性、效率高和通用性等优点.     

基于质点约束算法的窗帘动态模拟

针对传统质点位置修正方法在处理超弹性现象时的布料抖动问题,提出一种基于质点—弹簧模型的质点约束方法。在每次迭代中只对拉伸最长的弹簧进行位置修正,其余过度拉伸的弹簧只作质点速度调整。算法以窗帘动态模拟为例,快速逼真地模拟了窗帘在外力作用下的飘动效果。实验结果表明,该方法能够抑制超弹性现象的发生,并能有效地避免布料不切实际的抖动,具有较强的稳定性。     

基于PhysX物理引擎的布料仿真技术的研究与实现

运用布料仿真技术中的物理方法来实现对布料印制效果的三维展示.首先对布料建立弹簧-质点模型,分析弹簧-质点模型的受力状况,以牛顿第二定律作为理论基础,用PhysX物理引擎中的模拟函数模拟布料的运动,并解决了仿真中与刚体的碰撞问题与布料自身的碰撞问题.最后通过生成多个仿真效果和加入多种交互功能,构建了适用于印花图案设计产品的虚拟展厅.     

软体多局部破碎特效研究

基于物理的软体仿真与动画是计算机图形学的研究热点之一,但大多数方法计算复杂度较高,难以获得实时性交互.文中在虚节点算法基础上,提出了一种软体多局部破碎特效行为描述算法,该算法通过判别组成软体物理模型的质点受力、弹簧结构损伤情况,对模型进行局部几何拓扑重构,较好地描述了软体局部破碎行为.此外,在闭合压力模型理论基础上,结合质点弹簧系统,实现了一个实时交互的软体仿真平台.实验证明,整个软体仿真及多局部破碎特效过程可以获得稳定、实时交互、具有物理真实感的效果.     

面向客户便捷交互的三维衣领款式参数化设计技术

由于传统二维衣领CAD不够形象直观,客户难以参与衣领款式的设计.为此提出一种支持客户便捷交互的衣领款式设计方法.通过多层次模型对三维衣领进行参数化表达,给出立领、平领、衬衫领、翻驳领等典型衣领款式的几何模型,并自动构建衣领曲面;根据轮廓曲线拖曳驱动衣领曲面造型,给出了轮廓曲线约束表达、求解方法,提高交互友好性;对轮廓曲线编码/解码,实现衣领款式存储与重用,方便设计成果共享;采用质点-弹簧模型参数化展平三维衣领曲面,生成二维裁片,结合纹理映射支持客户图纹设计.最后给出三维衣领款式设计实例,结果表明该方法适合客户便捷交互,可较好地表达衣领款式的要求和创意.     

人体头部变形模型研究

针对传统几何造型呆板静态的缺点,在人体头部模型中提出采用基于简化弹簧质点系统的物理建模技术。研究了简化弹簧质点系统的质点受力计算和方程组求解技术。根据人体头部特点,作特征参数化处理,并将头表面简化成由弹簧连接的线弹性质点系统。经实验,该变形模型能实时计算描述动态变形过程,达到了较好的仿真显示效果。     

柔软物体物理自由变形仿真

在虚拟现实和计算机动画技术中,基于几何模型和基于物理模型的方法已经得到广泛的研究。利用几何模型和物理模型相结合的方法,将质点弹簧模型加到Bezier网格上,通过控制Bezier网格上的控制点来达到物体的变形,该方法与直接在物体上建立质点弹簧模型的方法相比更加简单、快速,且更加容易达到物体的全局变形。质点的运动满足拉格朗日运动方程,采用了微分方程组来表示质点的运动规律,并给出了用数值求解法对系统进行了的实时计算的求解过程;同时还将一个简单的柔软物体碰撞处理方法应用在质点-弹簧模型中,实验表明该方法简单有效。     

基于弹簧-质点模型的不规则曲面纹理映射

针对三角网格表示的不规则曲面的纹理映射问题,提出一种基于弹簧-质点模型的简单、高效、失真小的纹理映射算法。结合调和映射的参数化方法以及弹簧-质点模型的复杂平面展开方法,保持拓扑关系地将三维曲面投影于平面内;通过建立三角网格表示的投影面的弹簧-质点模型,将不规则曲面参数化于给定大小的矩形域;利用参数化的结果计算不规则曲面各顶点的纹理坐标,进行纹理贴图。实验结果表明,该算法能够实现纹理高效、均匀、变形小地映射于任意不规则曲面上。     

基于简化的质点弹簧模型的布料模拟

首先运用质点弹簧系统建立布料的面模型,针对布料模拟中经典的质点弹簧模型效率不高的问题,提出了简化的质点弹簧模型,通过减少弹簧的数量来简化模型提高效率;为提高数值求解的计算效率,用显式欧拉法对模型进行数值求解;针对模拟过程中存在过度拉伸的问题,通过构造约束变形进行了合理解决,选用层次包围盒法对布料进行碰撞检测;最后在确保模拟的稳定性的基础上,高效.逼真的模拟出了布料.     

基于速度约束算法的动态布料模拟

针对三维布料动态模拟中质点-弹簧模型易发生超弹性现象的问题,基于速度过滤的思想,提出了质点速度约束方法。该方法建立了一个速度约束不等式,作为超弹性现象是否发生的判断依据;并对不满足约束条件的质点速度进行约束调整,进而避免了超弹性现象的发生。此外,对质点-弹簧模型的内力和外力进行了分析,并对外力中的风力模型进行改进,优化了计算流程,提高了计算速度。实验证明该方法易于实现,稳定性强,并产生了较好的视觉效果。     

水膜的快速仿真

水膜是一种自然现象,在相关的动画仿真或图像合成中有着重要作用.文中提出一种平面上水膜的快速仿真方法.首先在平面上进行一个基于粒子的液体仿真;然后提取粒子所代表液体的轮廓,并且离散轮廓所包围的区域;最后在离散化后的区域内求解一个能量最小化问题,以建立水膜的几何模型.实验结果表明,在大小合理的仿真区域,该方法可以实时地动态交互仿真;同时呈现了几个逼真的实验结果.