快速真实地生成树的自然摇曳

快速真实地模拟树在风中的摇曳一直是图形学中的一个挑战性问题．已有的方法,或者计算速度太慢,或者所处理的模型局限在几千个面片之内,难以用较强的真实感进行动画模拟．针对复杂树在风中的自然摇曳,该文提出一种新的方法．一方面,它基于统计数据采用高斯分布来近似逼近实际风力,既可以基于物理性态很好地反映风力的影响,又可以方便树的变形计算;另一方面,根据树的层次结构特点,新方法对树的各个部分分别进行独立的变形计算,然后再根据它们的连接关系进行组合,完整地获得树的变形．新方法对于小振幅的非末梢枝条,是利用静力分析来计算它们的变形,而对于振幅大的末梢枝条则采用Newmark逐步积分法求解其振动方程,这样就可以以较少的计算开销获得变形真实感很强的结果．在对树的各种姿态进行成像时,新方法运用了基于硬件的shadow mapping技术和LOD(Level-Of-Details)技术,以快速生成高度真实感的树．实验表明,对于有近4万个控制节点、近90万个拟合外观模型的三角形的柳树模型,新方法可以对其自然摇曳进行每秒0．6帧的高度真实感的模拟．     

风场作用下的动态森林场景的实时仿真

为真实地模拟树在风中摇曳的动态效果,将风场视为一个随机过程(场),利用谱分析的方法生成给定条件下的风速矢量场;进而采用简化的动力学方程,实时计算风力作用下树的位移和形变.采用一种混合式几何和图像的表示方法对树木进行参数化建模,并在模型中内建多个细节层次,以便加速场景视点相关的绘制.综合以上算法的交互式漫游系统能实时地模拟包含数千棵树的森林场景在风场作用下的动态效果,初步满足了虚拟现实、战场仿真与数字娱乐等应用的要求.     

基于GAN 的树叶飘落模拟

为了模拟在三维渲染、虚拟现实、游戏场景、电影特效等环境中具有真实感的树 叶飘落效果,同时受当下日益成熟的深度学习算法的启发,提出了一种基于生成式对抗网络 (GAN)的树叶飘落动态效果模拟算法。首先,通过实验或实地采集不同环境条件下(风力级别、 扰动级别等)树叶飘落的6 元时间序列制作训练数据集;然后使用该数据集对双通道对抗式生成 网络模型(DACGAN)进行训练;其次,训练后的模型能够根据需求(风力级别、扰动级别等)输 出三维落叶数据;最后,将这些数据用于各种图形渲染环境中。理想状态下,相对于传统的基 于数学模型控制飘落的方法以及人为设置关键帧的动画方法,可以为捕获树叶飘落的真实感提 供可能,且随着计算机视觉技术以及深度学习技术的发展成熟,使得现实中的三维数据更易获 取,生成模型更加优化,DACGAN 算法成本更低。     

基于物理的植物叶子形态变化过程仿真造型

文中提供了一种对植物叶子造型的新方法,可以非常真实地展现叶子在干枯、老化过程中几何形态的变化.基于植物学和物理原理,文中引入了双层结构模型表达叶子的力学结构,很好地模拟了不同种类植物叶子形状的多样性.文中首先分析了叶子形状变化的原因,即在叶子枯萎过程中,叶肉和叶脉由于各自不同的组织结构,导致了收缩比例不同,从而在物理模拟中,通过建立关于叶子基本结构的双层质点-弹簧模型,并对上下两层的不同参数的合理设置,很好地表现了叶肉和叶脉的不同力学特性.双层模型的相互作用,决定了叶子最终变形的方式和效果,由此可以得到非常接近真实树叶的各种叶子形态.     

层次结构树木物理运动的实时仿真

提出一种在GPU上实现基于力学运动原理的层次结构树木运动的并行仿真技术。该技术通过分析物理运动原理与多层次的矩阵结构(HMSM)算法的并行性,来达到将树木动画在图形硬件CUDA平台上进行加速的目的。首先介绍层次结构树木在外力诸如风力等作用下的物理运动原理;然后,针对树木的物理运动以及层次结构叠加算法详细地进行并行性分析;之后着重阐述CUDA框架下树木运动的并行结构设计过程与并行算法的详细设计方法;最后在GPU上执行树木物理运动仿真。实验结果表明,该技术不但能够生成真实感较强的树木动画序列,还能够实时模拟基于物理的树木运动。同时,该技术给计算机动画的加速算法提供了很好的思想。     

基于物理及数据驱动的流体动画研究

主要针对近年来流行的基于物理及数据驱动的各种流体动画模拟算法及其应用给出了一个全面的前沿性综述.首先,对传统的基于物理的流体模拟加速方法进行了综述和总结,同时给出了此类方法中各种算法的优劣性分析;其次,对现有的基于数据驱动的多种算法进行了综述和分析.特别地,将现有的数据驱动方法归结为3类,即数据插值法、数据预计算方法和基于深度学习的方法.并且,进一步讨论了基于数据驱动的流体动画模拟算法的几个关键问题以及其研究趋势与方向.     

基于质点-弹簧模型的布料仿真研究

运动微分方程的数值求解,是实现基于物理模型的织物仿真的技术关键.全面介绍了质点-弹簧模型的织物变形仿真技术,精确构建了织物的力学模型,并对几种不同的显性数值积分方法进行了详细比较,尤其是用RK-4方法对微分方程求解大大提高了解的稳定性.在此基础上,针对质点-弹簧模型在应用中存在过度拉伸的问题,指出了传统方法处理这个问题的缺陷,构造约束变形,合理解决了"超弹性"问题.此织物变形仿真技术已经应用于实际的织物动画仿真软件中,实践证明其仿真技术具有实用性和先进性.     

基于GPU的风中树木物理动画*

采用非均匀梁作为树枝物理模型,分析了梁的弯曲效应,推导出挠度曲线表达式,并对其运用多项式最小二乘法拟合,将拟合后的简洁表达式预计算于纹理中,有效降低了实时计算量。为平衡CPU与GPU的负载,设计了分层次的树木结构模型,将力学分析计算转移到GPU上进行,同时避免了将树枝分段计算导致段间断裂现象及分段过大引起模拟效果过于粗糙的缺点。实验表明,该方法能完全实时、真实地模拟出风中树木动画的物理效果,解决了目前树木物理动画速度太慢不能实时模拟的不足。     

树在风中的摇曳--基于动力学的计算机动画

树木森林在自然场景的构成中占有很重要的地位，尤其是树在风中的摇曳更是组成了一个幕幕动人的景象。但是由于树结构的高度复杂性，给这一问题的研究工作带来了极大的困难。     

一种基于物理的雨打树枝动态仿真方法

提出了一种应用物理学原理的树枝和雨滴交互作用的真实感动态仿真技术.树枝和叶柄被描述为一种方便由4种弹簧控制的三棱柱弹簧模型(extended three-prism spring model,简称ETPSM).树枝、树叶的运动源于树枝系统与雨滴相互之间能量的双向转换.二者之间的交互作用可以通过一种高效的技术很好地模拟.该技术被专门设计用来模拟液体在具有亲水性的非刚体表面上运动.当雨滴撞击树枝后,树枝会发生震动与转动;雨滴会沿着树叶表面流动,合并成一个更大的雨滴或者悬挂在叶片边缘;当雨滴从树叶边缘落下后,树枝会弹起并恢复到原来的位置.实验结果表明,该技术能够高效、真实地仿真雨滴撞击树枝系统后的相互作用效果,同时可以简单而有效地模拟杆状物体在外力作用下的弹性形变,诸如旋转、震动等.     

电子对抗的仿真与实现

针对无线电引信与电子干扰机之间的电子对抗，探讨了对其进行计算机仿真的原理和实现方法。在此基础上，构建了一个实际的电子对抗仿真系统。该系统可以在实验室条件下模拟与实际战斗情况相仿的战斗环境和战斗过程，对引信与干扰机之间的电子对抗过程进行仿真、测试并记录引信与干扰机的工作情况。最后以动画仿真的方式在计算机上实现了引信与干扰机之间电子对抗的仿真。     

最多叶子生成树问题的核化算法

对算法领域的最多叶子生成树问题进行了深入研究,提出了对简单连通图2度节点的化简规则,并证明了不含2度节点的图的生成树的叶子节点数的下限为(N+6)/4,给出了构造这样一棵生成树的构造性方法.基于上述化简规则和所证明的结论,给出了最多叶子生成树问题的核化算法,该核化算法可以在O(n2)时间内得到一个4k-6大小的线性核.对于这样一个较小的核,将大大提高相关的参数算法和近似算法的性能.     

小麦群体叶面积的动态模型

根据作物生理生态学原理,建立了小麦群体叶面积指数动态模型,用小麦品种８９５００４在南京叶区种植时的试验和当年气象资料对其进行检验,表明小麦群体叶面积动态模型是可行的。     

RTR-trees for space robotics behavior simulation and visualization

New types of trees of structures and linked lists with variable order relations (RTR-trees and RTR-lists) are discussed. Using them enables application of the direct kinematic scheme for simulation of 3D-objects with reorderable structure, making behavior simulation more natural.     

树木的整体性运动及树内部风场的研究

树木的结构和物理性质的复杂性使得人们很难对其进行动态模拟.该文提出一个深度优先的数值积分遍历算法,把树作为一个整体考虑,求得整棵树协调一致的位移,较好地表现了树的整体动感.此算法作为一个整体性算法也可推广用于其他树种的模拟.另外,文章还分析了枝条对风的遮挡关系,包括过遮挡、孔洞、狭长缝隙及透射.基于Z-buffer算法思想对这些遮挡关系进行了处理,取得了令人满意的效果.     

有机化学综合设计型实验的计算机模拟

利用Flash动画和Director多媒体技术,开发制作了有机化学实验计算机模拟软件。在系统模拟有机化学实验的基本知识和单元实验的基础上,重点对一些综合型、设计型实验进行了仿真模拟,内容包括12项单元实验、42项综合实验和2项示范性设计实验。     

Visual Simulation of Leaf Arrangement and Autumn Colours

The representation methods of botanical trees have been presented so far by several researchers in recent years. A great deal of effort has been dedicated mainly to designing a procedural modelling method, especially a growth model of a tree/plant skeleton. However, few previous works have treated the problems of appropriate leaf arrangement and autumn colour evolution of a leaf which are essential to giving natural and seasonal impressions in a close-range view of a tree. In this paper, we will present the simulation methods for these attractive problems based mainly on the estimation of the amount of sunlight and the brightest direction of each part of every leaf.     

Generic personality and emotion simulation for conversational agents

This paper describes a generic model for personality, mood and emotion simulation for conversational virtual humans. We present a generic model for updating the parameters related to emotional behaviour, as well as a linear implementation of the generic update mechanisms. We explore how existing theories for appraisal can be integrated into the framework. Then we describe a prototype system that uses the described models in combination with a dialogue system and a talking head with synchronized speech and facial expressions. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

Low damped cloth simulation

This paper proposes a new implicit integration technique that reproduces a stable cloth without introducing excessive damping forces. Semi-implicit integration methods have been widely used in cloth simulations because of their high stability and speed. Artificial internal damping forces are generated during the linearization process of the semi-implicit integration. The simulations become extremely stable due to the artificial forces; however, the forces significantly degrade the realism of cloth simulations, since they are generated with respect to rotational rigid motions, as well as internal deformations. Hence, we propose a new method to decrease the damping artifacts. The artificial internal damping forces are computed solely for pure internal deformations, and are stably incorporated into the dynamical system. Experiments show that our simulator can reproduce various cloth materials without excessive damping artifacts even in real-time.     

A deformable body model for surgical simulation

We propose a deformable body model in order to simulate the dynamic behaviour of human organs in surgical simulators. It is based on a spring surface mesh, fitted with a virtual rigid component which does not interact with the environment and provides the structure with a rigid behaviour. This specific structure is intended to be physically based and interactive but also to support dynamic alteration such as incisions, under several constraints: mechanical realism, robustness and real time. Moreover, interactions are taken into account by a 4D collision detection algorithm between polygonal objects, and reponse is computed analytically. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.