基于质点-弹簧模型的冰雹打击树叶的模拟方法

为了实现有别于布料破碎模拟的冰雹打击树叶过程的模拟，研究并提出了一种应 用物理学原理的树叶和冰雹相互作用的真实感动态仿真技术，为后续进一步研究叶脉对叶片受 力的影响提供了基础。树叶的破碎是源于冰雹受到地面重力的吸引，在下落时与树叶进行能量 的传递，二者之间的交互作用可以利用一种高效的技术很好地模拟。该技术被专门设计用来模 拟弹力较小的物体，例如树叶的撕裂。当冰雹与树叶进行交互时，由冰雹速度带来的作用力转 换为树叶上的横向和纵向的弹簧力从而导致树叶破碎。实验结果表明，该技术能够高效、真实 地仿真冰雹撞击树叶后的作用效果，并且在一定程度上还原冰雹自然灾害的情况。     

强风作用下树木运动的可视化模拟

树枝摆动和树枝断裂是常见的自然现象之一,为了快速真实地模拟这种自然现象,提出了一套模型和方法.首先分析强风作用下树叶脱落和树枝断裂现象发生的机理条件以及树叶下落后和树枝发生断裂后的受力,建立了树叶下落以及断枝的运动模型;然后针对树叶脱落以及树枝断裂后下落过程中的碰撞问题,提出简单高效的碰撞检测算法;最后在此基础上设计了...     

基于隐式积分的树叶形变快速仿真

针对秋天树叶形变过程的仿真问题,在双层质点-弹簧模型的基础上,提出一种半过程半物理的树叶形变快速仿真算法.由于同时调节叶肉和叶脉弹簧系数会使得树叶形变不易控制,因此对叶脉和叶肉分开进行模拟:为叶脉设计一种目标形态,叶脉形变序列的中间形态可以通过对初态和终态的插值得到,叶肉会在叶脉形变引发的弹簧力的牵引下发生相应的形变,质点-弹簧系统会在阻尼的作用下趋于稳定,上述过程是一个不断循环迭代的过程;针对显式积分求解器求解时间过长和不稳定的缺点,采用大时间步长的隐式积分求解器以显著地提高系统的稳定性和求解效率.算法分析和实验结果表明,该算法可以稳定、快速、逼真地模拟秋天树叶老化过程中几何形态的变化过程.     

一种无线动态位移在线监测系统的研究与设计

研究设计了一种动态位移在线监测系统,可以测量物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点之间的距离或位置的变化,广泛应用于物体容积形变、橡胶生产中橡胶厚度以及容积表面形变等的在线监控.位移传感器由安装伸缩尺的位移探测单元、信息处理单元、无线传输单元、电源管理单元及面板控制单元组成.伸缩尺内部有弹簧,当尺头接触被测物时,尺子由于弹簧弹力缩进,当尺头离开被测物时,尺子自动伸长.信息处理单元是将尺子的伸缩信息转换成数字信息,然后通过面板显示出来,亦可通过无线传输模块将数据发送到远程监控主机.本系统的研究与设计为相关应用提供了一种新型动态位移测量的方法和设备,具有重要的经济及社会价值.     

一种受雨滴污染视频的快速分析方法

提出一种用于处理户外视觉系统中受雨滴影响的视频场景的方法. 该方法包括两个部分, 分别是检测受雨滴影响的运动目标和复原被雨滴污染的固定背景区域. 通过分析雨滴的物理成像模型, 并结合人类视觉系统对雨滴的分辨原理, 指出受雨滴影响的像素值与背景像素值具有相同的色相值. 针对成像质量退化导致色相分量不能直接用于雨滴检测这一问题, 以HSV空间的定量分析为基础提出了可区分雨滴区域与运动物体区域的度量函数. 实验结果表明此度量函数可以有效抑制雨滴产生的干扰, 克服现有模型只能通过统计方法对某些特定类型雨滴进行有效辨识的局限性, 能够快速处理视频数据, 并且对成像质量造成的退化具有很好的鲁棒性.     

改进的采用表面网格的弹簧振子模型

提出一种用于实时弹性形变模拟的弹簧振子模型.通过定义与模型对应的刚体核,并且向模型中添加一种新的广义弹簧,保持了与表面网格模型对应的几何体体积和形状等几何特征;采用形状匹配技术实现了整体性形变效果的模拟;最后使用逆向动力学方法对线弹性模型的"超弹性"现象进行修正.该模型可以对表面网格模型的弹性形变进行快速、逼真的模拟.     

基于复合弹簧振子模型的实时心跳模拟

本文针对心脏介入仿真系统,提出了一种实时心跳模拟方法。该方法首先根据心脏的解剖结构建立了心脏的复合弹簧振子模型,然后根据心脏跳动的基本规律,使用逆向动力学技术将心房、心室的收缩、扩张与整个模型结合起来,从而得到心脏外表面的跳动效果。在此基础上,本文还实现了冠状动脉的运动模拟。实验结果表明,本方法简单、高效,能够在视觉上提供实时逼真的心脏跳动效果。     

心房颤动导管消融手术模拟中的导管建模技术

导管的运动与变形对心房颤动导管消融模拟的真实感至关重要.在分析消融导管导向原理的基础上,提出了一种改进的混合质点-弹簧模型,并开发了一个实时的导管消融训练仿真系统.该模型将导管离散为若干个节点,相邻节点之间连接着长度相同的弹簧,模型考虑了弹簧力、阻力、弯曲力以及发生碰撞后的碰撞外力.训练仿真系统主要用于模拟导管在左心房内的运动、变形以及对左心房的采点重建过程,仿真结果表明:导管的运动与实际相符,基本满足医生训练的需求.     

基于分形模拟风吹叶脱枝折运动模型的研究

景观现象逼真再现是图形学重要研究热点.本文主要研究在一定风力吹动下叶脱枝断自然景象的逼真模拟.文中采用了L-System分形模形绘制树叶树干物体模型,采用了有限元壳方法模拟树叶模型,采用了PerLin噪声函数模拟风力,提出并阐述了一种模拟在较大风力吹动下出现的叶脱枝折运动模拟模型,并利用该模型模拟一定风力吹动下叶脱枝断自然景象.经实验证明,该运动模型能够较好模拟自然界树木的形态特征及动态交互,所设计的算法是合理的,达到了高效逼真的模拟效果.     

一种风吹树动模拟的新方法*

目前已有的关于树在风中运动的模拟方法存在两个缺点：计算量太大,难以实时模拟;成像粗糙,真实感不强。基于此,提出了一种新的模拟树木在风中运动的方法。本方法对树的基本模型进行抽象表示,采用材料力学知识详细分析树枝的受力及运动过程,并推导出空间位置的动态变化公式;选用向量表示风和节间,通过向量的运算定型模拟树枝因受力引起的运动。该模拟方法的时间复杂度仅为O(n)。实验表明,其运算速度快,模拟结果真实,可应用于实时模拟的虚拟场合中。     

卡通动画雨模型

给出了一个能自动生成卡通风格的小雨和大雨效果的计算机模型.首先介绍如何从手工绘制的卡通雨动画序列中分析并提取雨滴降落轨迹的静态结构与动态结构,以此为基础生成它们的骨架模型.在小雨模型中,只采用单层骨架,在大雨模型中,则采用多层雨滴以表示降雨的深度感,并添加溅落到地面的雨滴,以进一步强调效果.由于在模型中采用了随机分量控制,因而在生成的下雨效果中避免了在手工绘制动画里重复使用周期序列画面带来的机械感.在手工绘制动画中若想改变下雨轨迹的方向和速度,以烘托动画气氛,则需要分别绘制不同的下雨动画序列,工作量很大.采用该模型只需通过控制少量几个参数便可以十分容易地改变下雨的方向与速度.该模型不仅能再现传统二维卡通下雨的效果,而且能在三维空间生成卡通风格的下雨动画.     

一种受雨滴影响的运动目标检测方法

提出一种在户外受雨滴影响的视频场景中检测运动目标的方法.在R,G,B空间构建雨滴在视频中的成像模型,该模型可以计算受雨滴影响像素的亮度变化值.能够有效克服现有模型只能针对某些特定类型雨滴进行辨识的局限性.在使用基于颜色信息的雨滴成像模型基础上,提出运动目标检测函数,此函数可以有效抑制雨滴产生的干扰.实验结果表明,提出的雨滴成像模型和相应的检测函数与现有模型比较,能够适用于多种不同受雨滴影响的图像序列采样环境,对于运动目标具有更好的分辨能力,并有更强的鲁棒性.     

Fur simulation with spring continuum

We propose a practical method for generating and animating fur on parametrized surfaces using a spring continuum. Springs are physically simulated at the vertices of the polygon mesh, and spring behavior is interpolated across the mesh to provide realistic dense fur animation. Our method handles collisions between furry surfaces using a procedural model and self-collisions with a statistical model. The goal of this method is to make it easy for an animator to generate realistic dynamic fur which is efficient to simulate. The technique is most applicable to short fur, rather than long hair. Electronic supplementary material  Supplementary material is available in the online version of this article at and is accessible for authorized users.     

Detection and Synthesis of Full-Body Environment Interactions for Virtual Humans

We present a new methodology for enabling virtual humans to autonomously detect and perform complex full-body interactions with their environments. Given a parameterized walking controller and a set of motion-captured example interactions, our method is able to detect when interactions can occur and to coordinate the detected upper-body interaction with the walking controller in order to achieve full-body mobile interactions in similar situations. Our approach is based on learning spatial coordination features from the example motions and on associating body-environment proximity information to the body configurations of each performed action. Body configurations become the input to a regression system, which in turn is able to generate new interactions for different situations in similar environments. The regression model is capable of selecting, encoding and replicating key spatial strategies with respect to body coordination and management of environment constraints as well as determining the correct moment in time and space for starting an interaction. As a result, we obtain an interactive controller able to detect and synthesize coordinated full-body motions for a variety of complex interactions requiring body mobility. Our results achieve complex interactions, such as opening doors and drawing in a wide whiteboard. The presented approach introduces the concept of learning interaction coordination models that can be applied on top of any given walking controller. The obtained method is simple and flexible, it handles the detection of possible interactions and is suitable for real-time applications.     

真实感动态树场景的研究与实现

树木的动态显示在自然场景模拟中有着重要的地位。采用Cook-Torrance光照明模型和预计算的半透明贴图实现了叶片的绘制,使用梁模型导出的拟合多项式结合偏移修正实现枝干的快速形变计算,通过索引枝干层级数据贴图实现GPU中多级枝干的形变。预计算和GPU的使用使得模拟过程中真实感和实时性得以平衡。实验结果表明,该方法实现了快速真实的动态树场景渲染。     

基于SPH 的雨滴打击不规则边界的模拟方法

为实现对雨滴打击树枝等不规则边界过程的模拟,研究了流体粒子在网格表示的 固体边界处的受力情况,提出了一种不需要粒子采样的边界受力模拟方法。采用高斯积分法则 对网格模型的三角面片进行积分,并就此对固液边界的粒子的密度进行修正,以积分的方法对 固体边界处的压力、粘性力等参数进行计算,从而保证边界粒子受力的连续性。同时,还提出 了一种吸引力模型,用来控制粒子在沿着物体表面滑落时的运动。实验结果表明,该方法在模 拟水滴铺展、收缩、沿着边界流动等现象时达到了较为真实的效果。     

3维卡通水与物体交互作用的动画建模

为了生成水与物体交互作用的卡通动画,提出一个混合式的3维卡通水模型。先构造出复杂的各种卡通水波模型,然后在2维工作区上对它们进行结构上的组合并映射到3维水面上进行绘制;障碍物在3维水面上的覆盖区域被检测出来之后,将其逆映射到2维工作区并在工作区内实现流水波形和障碍物所在区域的碰撞检测,根据碰撞检测结果触发障碍物附近的激起浪花波形。该方法的特点在于既表现了卡通流水与障碍物的碰撞,又保持了手工绘画的艺术感。此外,用户还可以方便地对波形的形态、位置、速度等进行设置与调控。系统利用GPU（图形处理器）硬件处理能力实现了对3维卡通水与物体交互的实时绘制。     

Modeling Dynamic Hair as a Continuum

In this paper we address the difficult problem of hair dynamics, particularly hair-hair and hair-air interactions. To model these interactions, we propose to consider hair volume as a continuum. Subsequently, we treat the interaction dynamics to be fluid dynamics. This proves to be a strong as well as viable approach for an otherwise very complex phenomenon. However, we retain the individual character of hair, which is vital to visually realistic rendering of hair animation. For that, we develop an elaborate model for stiffness and inertial dynamics of individual hair strand. Being a reduced coordinate formulation, the stiffness dynamics is numerically stable and fast. We then unify the continuum interaction dynamics and the individual hair's stiffness dynamics.     

Generation of tree movement sound effects

This paper presents a method for automatically generating sound effects for an animation of branches and leaves moving in the wind. Each tree is divided into branches and leaves, and an independent sound effect generation process is employed for each element. The individual results are then compounded into one sound effect. For the branches, we employ an approach based on the frequencies of experimentally obtained Karman vortex streets. For the leaves, we use the leaf blade state as the input and assume a virtual musical instrument that uses wave tables as the sound source. All computations can be performed independently for each frame step. Therefore, each frame step can be executed on completion of the animation step. The results of the implementation of the approach are presented and it is shown that the process offers the possibility of real‐time operation through the use of parallel computing techniques. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.