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基于质点—弹簧模型的实时三维布料模拟系统

作　者: 刘浩
导　师: 王景成
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 计算机图形三维图象实时三维模拟模拟算法布料模拟软件设计
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 315次
引　用: 4次
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内容摘要

计算机三维图象模拟已经被广泛应用在工程模拟、虚拟现实、影视特效制作和电脑视频游戏等领域。其中,实时三维布料模拟技术由于可以用在人机交互和虚拟现实界面等场合,在应用领域受到了越来越广泛的应用。布料模拟可以增强虚拟人物穿着的衣物,以及旗帜、横幅、窗帘和桌布等虚拟物品的受穿着、悬挂、风吹、摩擦等外力的视觉效果,带来更加真实的虚拟现实体验。在布料模拟算法中,基于质点-弹簧模型结构,通过计算通过虚拟弹簧联系的布料质点所受的外力和它们之间的相互作用力来模拟布料的受力行为和外观,相比其他布料模拟算法,有模拟真实度高,受力表现更加合理的优势。本文首先系统总结了基于质点-弹簧模型的实时布料模拟的算法,得出了在实时布料模拟中,采用隐式数值积分更为适合的结论。同时,本文也给出了经过实践有效的C++代码实现。但是,实时的三维布料模拟由于其固有的大时间步长,会导致布料过度拉伸的super-elastic现象。本文针对这个问题,在其于经典质点修正算法的基础上,提出了改进的质点位置修正算法,改进的算法通过选择和每个质点相连的最长拉伸的弹簧,消除了修正抵消效果,从而增强了修正的效果。实验证明这个算法的表现远远优于传统算法的表现,取得了非常好的抑制效果。本文还探讨了一个布料模拟实验平台的设计和实现。布料模拟平台的设计是根据软件工程的思想,将布料模拟实验中的通用模块抽象出来,形成独立的组件,并在此基础用C++编写了可扩展的布料模拟算法实验平台:在这个平台上,任何用户编写的遵循平台接口的布料模拟算法均可以被平台动态加载,并统计执行结果,从而大大减轻了用C++编写布料模拟算法的工作量。在开发这个平台的过程中,系统经过了仔细的设计以取得其在性能和扩展性之间的平衡,使其成为了一个简单易用,功能强大的布料模拟算法的开发、实验平台。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
主要符号对照表  9-10
第一章引言  10-16
  1.1 计算机三维动画简介  10-11
  1.2 布料动画的发展与分类  11-14
    1.2.1 布料建模的研究进展  11-12
    1.2.2 基于几何的布料模型  12
    1.2.3 基于质点-弹簧模型的布料模型  12-13
    1.2.4 实时布料模拟技术的难点  13-14
  1.3 本文的工作  14-16
第二章实时三维布料模拟算法  16-37
  2.1 研究实时三维布料动画的目的  16-18
    2.1.1 实时动画的应用  16-17
    2.1.2 研究实时布料模拟的意义  17-18
  2.2 布料模拟算法分类  18-33
    2.2.1 基于质点-弹簧模型的布料建模  18-20
    2.2.2 积分方法  20-33
      2.2.2.1 牛顿受力模型  23-24
      2.2.2.2 显式数值积分算法  24-28
      2.2.2.3 隐式数值积分算法  28-33
  2.3 实时布料模拟算法  33-37
    2.3.1 问题描述  33-34
    2.3.2 质点修正算法  34-35
    2.3.3 改进的质点位置修正算法(PMA)  35-37
第三章布料模拟试验平台的实现与设计  37-50
  3.1 设计需求  37-38
  3.2 系统设计  38-49
    3.2.1 系统界面  38-40
    3.2.2 系统架构  40-44
    3.2.3 动态算法框架  44-48
    3.2.4 布料生成模型  48
    3.2.5 性能监视器模型  48-49
  3.3 性能设计  49-50
第四章算法仿真实验  50-68
  4.1 实验设置  50-62
    4.1.1 弹簧过度伸长量比较  56-62
  4.2 算法性能  62-63
  4.3 算法评估  63-68
第五章结论  68-70
  5.1 论文总结  68-69
  5.2 未来工作展望  69-70
参考文献  70-73
致谢  73-74
附录A 布料模拟系统部分核心源代码  74-86
  A.1 预定义类型  74
  A.2 顶点类型  74-75
  A.3 数学工具  75-76
  A.4 Spring定义与实现  76-78
  A.5 Mass定义与实现  78-79
  A.6 布料模型的实现  79-83
  A.7 粘滞力的处理  83
  A.8 弹簧弹力的处理  83-86
攻读学位期间发表或录用的论文  86

基于质点—弹簧模型的实时三维布料模拟系统

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