柔軟織物的剪切及碰撞仿真研究.pdf

1、過去數(shù)十年中，柔軟織物以其所表現(xiàn)出的獨特性質(zhì)，使對其的仿真成為計算機圖形學(xué)的一個重要領(lǐng)域，基于物理的柔軟織物各種運動狀態(tài)的仿真成為當(dāng)前的研究熱點。由于可以應(yīng)用于例如影視動畫、游戲娛樂、服裝設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)試衣間、漁船模擬器設(shè)計甚至抗?jié)O網(wǎng)纏繞的螺旋槳設(shè)計等諸多的場景，產(chǎn)生了構(gòu)建柔軟織物的碰撞及斷裂仿真的需求，這一仿真結(jié)合諸如PhysX的物理引擎可以高效進行。但是另一方面，PhysX非開源，不能進行對仿真隨意的拓展以及算法的改進，不利于后續(xù)研究的

2、進展。因此本論文旨在對仿真系統(tǒng)中的一部分底層關(guān)鍵技術(shù)算法的研究進行最初嘗試，再到結(jié)合PhysX物理引擎構(gòu)建柔軟織物的剪切及碰撞仿真系統(tǒng)，以便從原理上對其剖析。這些關(guān)鍵技術(shù)包括相關(guān)建模方法、碰撞檢測算法以及切割后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新與重組算法，并將本論文具體展開為如下部分：
　　首先，建立柔軟織物的模型。本課題在分析基本的質(zhì)點-彈簧模型并介紹其受力分析后，采用面片級別結(jié)合紗線級別的混合質(zhì)點-彈簧模型構(gòu)建柔軟織物的力學(xué)模型，以便能夠較為方便

3、地描述織物切斷后的更多細節(jié)。此外，為更快速、高效、穩(wěn)定地解決模型動態(tài)位移及織物模型形變，采用 Verlet積分結(jié)算方法，而非常見的歐拉算法。同時，本文也采用了射線法有效的利用鼠標(biāo)拾取織物的方法。最后通過實驗結(jié)果，驗證了verlet積分結(jié)算方法相較于簡單歐拉結(jié)算方法的優(yōu)越性以及采用射線發(fā)利用鼠標(biāo)拾取織物上的點的可行性。
　　其次，設(shè)計柔軟織物的斷裂過程。在對織物模型進行受力分析后，設(shè)定彈簧受力的最大范圍，當(dāng)外作用力超過閾值后，布料模

4、型由此處的彈簧斷裂，網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)改變，并設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及拓撲結(jié)構(gòu)的更新及重構(gòu)算法。
　　再次，設(shè)計新型高效的碰撞檢測算法。在利用質(zhì)點彈簧模型建立的柔軟織物初始模型的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入剪刀剛體的3D幾何模型，并利用二叉樹結(jié)構(gòu)的層次AABB包圍體對其封裝，使其轉(zhuǎn)化為物理模型，并檢測其與柔軟織物的碰撞。同時，當(dāng)柔軟織物在碰撞后產(chǎn)生折痕、褶皺時，采用加速的邊-邊檢測方法進行自碰撞的檢測。為了證明算法的可行性，最后給出了構(gòu)建包圍盒以及圖元相交測試的