基于物理模型的窗帘运动实时动画

作者:成迟薏;石教英;徐迎庆;沈向洋 刊名:软件学报 上传者:刘辉敏

【摘要】提出了一个基于物理的窗帘实时动画模型 .该模型不仅大大地减少了绘制的时间 ,而且保证了画面的视觉效果 .通过把描述非刚体运动的半刚性杆相互连接来得到窗帘的模型 .在该模型中 ,首先在经线和纬线的方向上分别进行处理 ,然后再把它们组合起来 ,从而得到窗帘的模型 .

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ISSN 100029825   Journal of Softw are 软 件 学 报 2000, 11(9): 1228~ 1236 基于物理模型的窗帘运动实时动画Ξ成迟薏1 石教英1 徐迎庆2 沈向洋2 1 (浙江大学CAD&CG 国家重点实验室 杭州 310027) 2 (微软中国研究院 北京 100080) E2mail: yqxu@m icrosoft. com 摘要 提出了一个基于物理的窗帘实时动画模型 . 该模型不仅大大地减少了绘制的时间, 而且保证了画面的视觉 效果 . 通过把描述非刚体运动的半刚性杆相互连接来得到窗帘的模型 . 在该模型中, 首先在经线和纬线的方向上 分别进行处理, 然后再把它们组合起来, 从而得到窗帘的模型 . 关键词 基于物理的建模, 窗帘, 计算机动画, 虚拟现实, 碰撞检测, 半刚体, 电子商务 . 中图法分类号 TP391 在人们的生活中, 织物无处不在, 时时可见 . 如何在计算机上有效和逼真地模拟织物的运动一直是计算机图形 学研究中的一个富有挑战性的课题 . 此外, 日益发展的计算机辅助设计及电子商务系统也要求有快速、逼真的织物模拟算法, 以帮助设计师利用计算机来高效地设计和生产, 并把这些产品放到 Internet 上, 使网上选购织物真正成为可能[1] . 传统CAD 系统采用刚性模型, 能精确模拟机械零件的运动, 刚性物体的模拟技术已经非常成熟 . 但这种刚性 模型对织物并不合适 . 作为一种柔性体, 在外力作用下, 织物会产生很大的形变, 不同的材料、制造方法, 乃至不同的裁剪、缝制方法的衣料的形变各不相同 . 科学家和研究人员做了大量的实验和研究, 获得了织物在外力作用下形变的精确物理参数, 并试图开发一些模型来描述这些形变, 但由于织物的内在特性, 这些模型并未得到广泛应用 . 其主要的困难有 3 个: (1) 织物本身的物理机械性能非常复杂, 其材料的多样性、结构的复杂性、形状的不规则性以及个性化产品所产生的密度分布不均匀性等, 都给织物的动态模拟带来很大的困难; (2) 虽然大量的实验给出了精确的织物形变参数, 但不同方向、不同性质的力涉及不同的形变规则 . 如何对这些参数进行总结分类, 采用一种简 化模型概括所有的形变规则, 是一个难点 . 现有的模型大都比较复杂, 即便是在高性能的工作站上, 计算一帧图像也需要数秒乃至数天时间, 这显然无法满足实时绘制的需要; (3) 碰撞检测是动画中的经典问题 . 在织物模拟中, 织物一般表示为一张网格曲面, 由于它是一个柔性体, 曲面的不同部分具有不同的运动, 彼此没有严格的约束, 因此, 除了检测织物与周围物体的相交之外, 还必须检测织物不同部分之间的相交, 即自碰撞问题 . 碰撞检测和自碰撞检 测必须进行大量的几何运算, 成为系统的瓶颈之一 . 由于以上原因, 虽然研究人员在这方面开展了很多工作, 但至今使用计算机对织物进行模拟的技术仍未获得 广泛应用 . W eil[2]最早采用余弦曲线及其几何变换模拟悬垂织物 . 之后, H inds 等人[3, 4]、 N g 等人[5]采用纯几何变换 模拟特殊情况下织物的变形 . Hadap 等人[6]采用纹理与几何相结合的方法模拟衣服上的褶皱 . 纯几何方法需要用户的干预, 并仅能适用于一些特殊情况, 因此, 大多数织物模拟系统都是基于物理的建模, 或将物理建模与几何方法结合起来 . 基于物理的建模通过引入质量、力、能量等物理量, 将织物各个部分的运动看成是各种力的作用下质点运动的结果 .

参考文献

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