基于GPU的布料實(shí)時(shí)運(yùn)動仿真研究.pdf

1、柔體仿真技術(shù)是計(jì)算機(jī)動畫領(lǐng)域中非常重要的研究方向。由于柔體在運(yùn)動中涉及較多的形變，加上內(nèi)力形狀約束以及與碰撞體的位置約束，因此其實(shí)際研究工作比較復(fù)雜。其中織物是最具代表的柔性物體。隨著圖形學(xué)軟件和硬件技術(shù)不斷的更新?lián)Q代，越來越多的虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域?qū)τ诳椢锓抡娴膶?shí)時(shí)性以及真實(shí)感提出了進(jìn)一步需求。
　　本文結(jié)合有關(guān)布料仿真的經(jīng)典理論，研究出一套穩(wěn)定快速且真實(shí)感較強(qiáng)的布料仿真系統(tǒng)。其中主要涉及工作包括：
　　改進(jìn)傳統(tǒng)的質(zhì)點(diǎn)-彈簧布料模

2、型，采用受限制的彈簧內(nèi)力對布料進(jìn)行整體形狀約束，通過給布料中的彈簧設(shè)置拉伸上限，解決了布料仿真中在強(qiáng)大外力作用下“超彈性”的非真實(shí)效果。另外為了解決動力方程的剛性問題，并避免彈簧系數(shù)的顯式選取，其中彈簧內(nèi)力部分并不加入微分方程中，而是作為質(zhì)點(diǎn)位置的后期校正條件。
　　在布料運(yùn)動微分方程的求解上采用Verlet數(shù)值積分法。由于該積分法并不顯式計(jì)算速度項(xiàng)，因此其總體性能穩(wěn)定且快速。在布料碰撞方面，主要實(shí)現(xiàn)了布料與幾類簡單幾何體的碰撞檢

3、測。在碰撞響應(yīng)階段采用更加快捷易用且穩(wěn)定的投射法，直接將存在碰撞的質(zhì)點(diǎn)沿其法線方向移到碰撞體表面以外。由于本系統(tǒng)采用了Verlet積分法，在布料質(zhì)點(diǎn)軌跡的運(yùn)算上不用顯式計(jì)算質(zhì)點(diǎn)速度項(xiàng)。因此在采用投射法處理碰撞響應(yīng)的過程中不用考慮繁瑣的質(zhì)點(diǎn)速度修正問題，而且還有效避免了“懲罰力法”在響應(yīng)碰撞過程中容易產(chǎn)生的“慣性力”問題。
　　本論文結(jié)合以上研究工作，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)快速穩(wěn)定的布料仿真系統(tǒng)。其功能包括帶有真實(shí)感光照模型的動態(tài)窗簾，隨風(fēng)飄動

4、的旗子以及布料落在障礙物上的動太過程。但通過實(shí)驗(yàn)測試我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)布料粒子增加到1000以上或者在場景中增加多個(gè)障礙物，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行就比較緩慢了。
　　為提高布料仿真性能，本系統(tǒng)同時(shí)提供了基于GPU加速處理布料仿真的計(jì)算方案。GPU中具有多個(gè)渲染通道，而且內(nèi)存帶寬性能好，運(yùn)算速度快。另外由于布料本身具有粒子系統(tǒng)特征，因此適合于做分布的并行運(yùn)算?；贕PU的布料算法與前述的基于CPU的算法相同，只是數(shù)據(jù)的存儲方式有所變化，這里采用紋理