基于八叉树的柔性体切割仿真中并行化的碰撞算法EI北大核心CSCD

为了提高柔性体切割仿真中碰撞处理的运行效率,并解决切割影响变形计算稳定性问题,提出基于八叉树的柔性体切割仿真中碰撞算法的并行化实施方法.该方法使用基于链接体素和自适应八叉树网格的柔性体模型,前者用于描述物质的连接性和构造用于碰撞和图形显示的面网格,后者用于变形计算;在粗略碰撞阶段对八叉树网格构造空间Hash表并构造潜在碰撞对;在精细碰撞阶段根据体素中心的距离场值,使用考虑拓扑关系的距离场插值方法检测碰撞并计算入侵深度;柔性体之间的碰撞和自碰撞处理使用独创的多级检测和约简方法在GPU上运行,同时在CPU上使用多线程运行切割工具与柔性体的碰撞处理;切割算法切断被切割工具扫过的链接,重构切口附近的面网格,递归细分并复制被切割工具扫过的八叉树单元,并使用快速行进法更新距离场.仿真实验结果表明,与3个CPU线程的实现相比,文中GPU加速的柔性体碰撞和自碰撞算法可以将处理速度提高76%~215%;而与单个CPU线程的实现相比,3个CPU线程实现的切割工具与柔性体的碰撞算法可以将处理速度提高132%~190%.     

基于八叉树的柔性体切割仿真中并行化的碰撞算法

为了提高柔性体切割仿真中碰撞处理的运行效率,并解决切割影响变形计算稳定性问题,提出基于八叉树的柔性体切割仿真中碰撞算法的并行化实施方法.该方法使用基于链接体素和自适应八叉树网格的柔性体模型,前者用于描述物质的连接性和构造用于碰撞和图形显示的面网格,后者用于变形计算;在粗略碰撞阶段对八叉树网格构造空间Hash表并构造潜在碰撞对;在精细碰撞阶段根据体素中心的距离场值,使用考虑拓扑关系的距离场插值方法检测碰撞并计算入侵深度;柔性体之间的碰撞和自碰撞处理使用独创的多级检测和约简方法在GPU上运行,同时在CPU上使用多线程运行切割工具与柔性体的碰撞处理;切割算法切断被切割工具扫过的链接,重构切口附近的面网格,递归细分并复制被切割工具扫过的八叉树单元,并使用快速行进法更新距离场.仿真实验结果表明,与3个CPU线程的实现相比,文中GPU加速的柔性体碰撞和自碰撞算法可以将处理速度提高76%~215%;而与单个CPU线程的实现相比,3个CPU线程实现的切割工具与柔性体的碰撞算法可以将处理速度提高132%~190%.     

一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画方法

实时服装动画生成技术能够为三维虚拟角色实时地生成逼真的服装动态效果,在游戏娱乐、虚拟服装设计展示等领域有着广泛的应用前景.其难点在于如何建立服装动画计算模型,在实时计算的前提下获得最佳的服装动画生成效果.在对服装模型与人体模型在运动过程中发生的位置冲突(collision,也称碰撞)进行分析的基础上,研究并提出了一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画计算模型.首先,根据服装动画样本数据中服装与人体发生位置冲突的信息,对服装与人体的运动相关性进行分析;在此基础上,提出并实现一种新的混合策略,将具有较好服装动态模拟效果的动力学计算模型与具有较高计算效率的几何变形方法进行混合,建立支持实时计算且效率可动态控制的服装动画计算模型.实验结果表明,该计算模型能够实时地生成具有较好视觉逼真性的服装动画.     

OpenCL加速的基于虚拟节点法的柔性体实时切割仿真

为了提高柔性体变形仿真运行速度并且解决切割对变形计算稳定性的负面影响,提出了能与GPU加速的变形算法协同运作的基于虚拟节点法的柔性体实时切割仿真方法.柔性体模型由真实四面体网格嵌入虚拟四面体网格中构成,前者用于碰撞处理和图形渲染,而后者则用于变形计算.切割算法首先分裂真实四面体网格;然后复制包含超过一块真实四面体连通碎片的虚拟四面体,每个复制品包含一块真实四面体碎片;再根据真实四面体之间的连接关系更新虚拟四面体之间的连接关系;最后更新真实四面体网格与虚拟四面体网格之间的镶嵌关系.为了确保仿真系统不被限制在NVIDIA公司的GPU上,GPU加速使用OpenCL实现.仿真测试结果表明,该方法可以在任意多次切割情况下保持变形计算稳定不发散,并且在NVIDIA公司和AMD公司的GPU上都可以正确运行.     

三维服装物理-几何实时混合模拟

为了获得服装模拟的实时性和真实感效果,提出一种融合几何变形方法和物理变形方法的服装模拟混合计算模型.通过分析服装-人体动态间隙量和服装局部细节复杂度,构造服装区域划分因子;根据区域划分因子将三维服装模型划分为紧身层、浮贴层和宽松层,其中紧身层和浮贴层的变形计算分别采用蒙皮模型和近刚性模型来保证服装模拟的实时计算效率,宽松层采用具备较好服装动态模拟效果的物理模型;最后对不同的计算模型分别实施相应的碰撞处理方法.实验结果表明,文中方法能够获得较为真实高效的三维服装实时模拟结果.     

自适应椭球包围盒改进织物碰撞检测方法

为了快速处理织物与模型的碰撞以获得仿真结果,提出一种基于自适应椭球包围盒的碰撞检测方法.该方法以法向距离和径向距离的加权平均值作为表面误差,数值化表示椭球与模型之间的拟合度,将优化K均值聚类方法用于自适应划分模型生成一系列逼近模型的最小体积包围椭球;根据表面误差的大小对椭球分类处理,误差小的椭球直接取代模型区域与织物碰撞,将三角网格之间的碰撞问题转化为质点相对于椭球的穿透测试,误差大的椭球与织物的碰撞检测仅用于排除不可能发生碰撞的三角形,再继续进行三角形之间的精确碰撞检测.实验结果表明,文中方法能快速、自适应地划分任意模型生成高度拟合的椭球,可大幅度地减少碰撞检测计算量,在提高计算速度的同时保证了仿真的真实感.     

基于空间散列法的虚拟植物碰撞检测算法

根据虚拟植物模型复杂的特点,采用在精细的三角形网格模型上所创建的较粗糙的四面体网格模型,在虚拟植物模型上实现基于空间散列法的碰撞和自碰撞检测.该算法具有高效快速、无需复杂的数据结构等特点.实验结果表明,该算法能够有效地解决群体中植株的碰撞和自碰撞问题,并能够达到实时的处理要求.可同时适用于其它复杂的三维模型的碰撞检测问题.     

多线程加速的基于空间散列的柔性体碰撞算法

实现了针对手术仿真使用的柔性体碰撞检测和碰撞响应.柔性体使用四面体网格模型.碰撞检测使用空间散列表检测顶点-四面体碰撞对.碰撞响应计算发生碰撞顶点的一致性侵入深度和方向,并由此计算顶点的约束平面.变形计算使用约束平面对顶点施加惩罚力.碰撞检测使用多线程加速.变形计算单独运行在一个线程中,与碰撞处理之间使用过渡缓冲区传递运算结果.最后给出了若干测试仿真场景的运行效果,并对计算效率进行了分析和比较.     

实时毛发建模和动画

提出了基于3D晶格的毛发机械模型和机械变形方法,表现毛发串的体行为,晶格被作为粒子系统采用数学计算变形.毛发机械模型被作为与晶格模型中的各单独头发串片段弹性相关的一系列线性黏弹性晶格弹簧定义.发型足以快速实时表现,同时保留了毛发的特定行为,获得足够的多样性模拟各种复杂发型.用多项式元球模型处理毛发和身体表面之间碰撞.毛发模型具有很高的实时性能和通用性,可达到准确性和计算速度之间的最佳折中.     

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.     

服装动态效果的仿真技术

真实性和实时性一直是服装动态效果仿真所追求的目标.为了对服装的动态效果进行真实的仿真,就必须对织物的所有主要参数进行精确的模拟,如弹力和粘力.实时服装动画的一个难点就是对服装褶皱的模拟,以及相应的碰撞检测问题.对服装动态效果仿真技术的现状进行了介绍,并对未来的发展提出了一些看法.     

融合神经网络的布料碰撞检测算法

目的 针对当前在虚拟环境中布料柔体碰撞检测效率慢和准确性低的问题,提出一种根节点双层包围盒树结构和融合OpenNN （open neural networks library）神经网络加速预测碰撞检测的算法。方法 首先改进了碰撞检测常用的包围盒技术,提出根节点双层包围盒算法,减少包围盒的构造时间。其次使用神经网络优化碰撞检测技术,利用神经网络可以处理大量数据的优势,每次可以检测大量基本图元是否发生碰撞,解决了碰撞检测计算复杂性高的问题。最后准确地找到碰撞粒子并做出碰撞响应。结果 在相同的复杂布料模型情况下,根节点双层包围盒算法在运行速度上比传统混合包围盒算法快,耗时缩减了5.51%~11.32%。基于OpenNN算法的总耗时比根节点双层包围盒缩减了11.70%,比融合DNN （deep neural network）的自碰撞检测算法减少了6.62%。随着碰撞检测难度的增大,当布料模型的精度增加84%时,传统物理碰撞检测方法用时增加96%,融合DNN的自碰撞检测算法用时增加90.11%,而本文基于神经网络的算法用时仅增加了68.37%,同时表现出更高的稳定性,满足使用者对实时性的要求。结论 对于模拟场景中简单模型的碰撞,本文提出的根节点双层包围盒算法比传统的包围盒方法耗时短。对于复杂模型,基于OpenNN神经网络的碰撞检测算法在效率上优于传统的包围盒算法和融合DNN的自碰撞检查算法,而且模拟效果的准确性也得以保证,是一种高效的碰撞检测方法。     

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.     

基于质点-弹簧模型碰撞检测算法的改进

碰撞检测技术在织物的模拟等方面中有着广泛的应用.在采用质点-弹簧模型对柔性表面进行建模,对网格曲面进行三角划分后,为环境中的物体建立各自的方向包围盒(OBB).用改进的碰撞检测和自碰撞检测算法对柔性织物及其所处三维空间中的物体进行处理,提高了柔性织物动态仿真的速度.     

A Data‐Driven Approach for Real‐Time Clothes Simulation†

A data‐driven approach for the real‐time processing of clothes, particularly suitable for simulating dresses worn by virtual characters, is proposed. It starts, prior to real‐time simulation, by analyzing cloth behavior in relation to the underlying skeleton movement from a presimulated sequence of the cloth obtained using any high‐quality off‐line simulators. The idea is to use this analysis to find an optimal combination of physics‐based simulation and geometric approximation of the simulator; potentially colliding regions are defined on the cloth such that they will hold true for the skeleton movement that closely matches that of presimulated sequence. At runtime, using these analyses, our simulation process provides both visually pleasing results and performance, as long as the motion of the character remains sufficiently close to the original sequence used for the precomputation. The key contributions of this paper are (1) efficient collision handling that prunes out potentially colliding objects by using the off‐line simulation sequence as examples; (2) data‐driven fix‐up process for the coarse mesh simulation that deduces the gross behavior of the cloth; and (3) geometric approximation of the fine mesh deformation, responsible for details in the shape of the cloth such as wrinkles.     

三维服装仿真中的"服装-人体"快速冲突检测及响应算法

维胆装仿真可以为三维人体动画生成逼真的服装动态效果，但其中的冲突检测与仿真计算的时间复杂度太高，其实用性一直受到很大限制．提出了一种快速的“服装-人体”冲突检测友响应算法，在人体运动状态下，快速检测服装与人体之间的位置冲突，其时间复杂度仅为O（n）（n为服装模型上的顶点数目）．在此基础上，提出一种合理有效的冲突响应机制，并实现快速稳定的三维服装仿真，取得了真实的仿真结果．     

Interactive virtual try-on clothing design systems

Clothing computer design systems include three integrated parts: garment pattern design in 2D/3D, virtual try-on and realistic clothing simulation. Some important results have been obtained in pattern design and clothing simulation since the 1980s. However, in the area of virtual try-on, only limited methods have been proposed which are applicable to some defined garment styles or under restrictive sewing assumptions. This paper presents a series of new techniques from virtually sewing up complex garment patterns on human models to visualizing design effects through physical-based real-time simulation. We first employ an hierarchy of ellipsoids to approximate human models in which the bounding ellipsoids are optimized recursively. We also present a new scheme for including contact friction and resolving collisions. Four types of user interactive operation are introduced to manipulate cloth patterns for pre-positioning, virtual sewing and later obtaining cloth simulation. In the cloth simulation, we propose a simplified cloth dynamic model and an integration scheme to realize a high quality real-time cloth simulation. We demonstrate the robustness of our proposed systems by complex garment style virtual try-on and cloth simulation.     

一种快速计算三维空间中物体碰撞接触面的方法

介绍了一种利用三维空间中物体运动的时空相关性 ,以碰撞检测取得的两物体碰撞三角面为计算域 ,快速寻找凸多面体发生碰撞时接触面的方法。该方法利用特征点来描述接触面 ;根据接触面的拓扑结构计算碰撞三角面间的点 -面、边 -边的最小距离 ,从而快速确定碰撞位置、接触面特征点及接触面的法线 ,并简要叙述了点 -面、边 -边接触的计算流程。该方法通过缩小接触面的计算范围 ,简化接触面法线 ,提高了碰撞测定的实时性。通过实际应用 ,证明了该方法的可行性 ,适用于三维游戏制作、虚拟现实中的物理仿真等各项应用研究。     

利用弹簧质点模型和隐式方法的布料模拟研究

首先运用弹簧-质点模型建立布料的面模型,然后对质点进行力的分解以及受力分析并优化。提出逼近的隐式数值积分方法模拟质点的运动轨迹,这解决了显式数值积分方法的不稳定性和小时间间隔的缺点和其他隐式方法计算量大的缺点,这也是实现基于物理模型的布料仿真的关键技术。针对具体碰撞对象采用简单的包围盒方法进行碰撞检测,和利用二分法进行碰撞的处理,大大增加了碰撞处理的逼真效果。实验证明其模拟方法具有稳定性和实用性。