基于质点-弹簧模型碰撞检测算法的改进

碰撞检测技术在织物的模拟等方面中有着广泛的应用.在采用质点-弹簧模型对柔性表面进行建模,对网格曲面进行三角划分后,为环境中的物体建立各自的方向包围盒(OBB).用改进的碰撞检测和自碰撞检测算法对柔性织物及其所处三维空间中的物体进行处理,提高了柔性织物动态仿真的速度.     

结合一种面-面碰撞检测算法的服装动态模拟

实时的服装动态模拟一直是计算机动画的研究热点。在回顾弹性模型及其碰撞问题的相关研究工作的基础上，采用基于质点－弹簧模型的动态模拟方法，产生了虚拟3D模特表面的服装动态效果。其中考虑了织物的非理想弹性属性和变化的空气流作用力，并针对系统实现的瓶颈－服装和人体的碰撞问题，提出一种碰撞检测算法。     

自适应椭球包围盒改进织物碰撞检测方法

为了快速处理织物与模型的碰撞以获得仿真结果,提出一种基于自适应椭球包围盒的碰撞检测方法.该方法以法向距离和径向距离的加权平均值作为表面误差,数值化表示椭球与模型之间的拟合度,将优化K均值聚类方法用于自适应划分模型生成一系列逼近模型的最小体积包围椭球;根据表面误差的大小对椭球分类处理,误差小的椭球直接取代模型区域与织物碰撞,将三角网格之间的碰撞问题转化为质点相对于椭球的穿透测试,误差大的椭球与织物的碰撞检测仅用于排除不可能发生碰撞的三角形,再继续进行三角形之间的精确碰撞检测.实验结果表明,文中方法能快速、自适应地划分任意模型生成高度拟合的椭球,可大幅度地减少碰撞检测计算量,在提高计算速度的同时保证了仿真的真实感.     

图形硬件加速的织物自碰撞检测算法

自碰撞检测是织物实时模拟的瓶颈.利用最新的图形硬件特性,设计了织物模拟的自碰撞检测算法.该算法以质点包围球为基本计算单元,仅保存计算得到的第一次发生碰撞的信息,而不需要计算出所有的碰撞对.算法在CUDA平台上实现,通过对核函数的一次调用即可完成自碰撞检测,算法复杂度为O(n).将算法用于由大规模质点构成的织物模拟过程中,试验表明,算法的GPU实现比相应的CPU实现性能提高18倍以上,与两遍渲染算法相比,平均性能也提高了20%左右.     

动态织物与复杂模型的快速碰撞检测方法

柔性物体因为自身的物理机械性能非常复杂,并且材料的多样性、结构的复杂性、形状的不规则性都给柔性物体的造型和运动仿真带来了很大的困难。该文中,选择常见的柔性物体织物为研究对象,以质点-弹簧模型为织物结构模型,提出了一种利用OpenGL的选择模式,快速获得织物模型上所有质点到多面体模型最短距离,从而实现织物与复杂模型之间碰撞检测的方法,该方法充分利用了图形卡硬件的管道渲染功能,可以应用于织物对任意三维多面体模型间的距离测定及碰撞检测,具有较高的通用性。     

纤维可控的质感布料三维建模与服装仿真

传统布料和服装动态仿真主要通过网格模型进行模拟,并通过光照、材质和颜色设置进行渲染,布料与服装质感效果通常不能体现.本文提出一种新的基于纤维的质感布料建模与服装仿真算法.首先使用集合球约束粒子扰动的方法模拟纤维轮廓,然后根据纱线加捻的动力学和运动学原理模拟基于纤维的纱线构造方法,接着将纱线经纬编织组织结构与弹簧-质点模型结合起来,构造基于纤维块的织物布料模型,最后通过建立人体混合层次包围盒进行快速碰撞检测,实现由质感布料生成的服装动态仿真.实验结果验证了该方法可靠,有效,生成的布料能体现织物外观纤维级别的细节,对应的服装几何纹理和质感效果得到增强.     

基于虚拟环境中织物碰撞检测仿真研究

研究织物碰撞检测真实性问题.碰撞检测应体现织物碰撞真实性.织物仿真方法普遍存在实时性不高、真实感不强等问题.针对传统的质点-弹簧模型容易产生超弹性现象,特别是在织物动感仿真中,为了实现真实性和快速性,提出了一种改进型的建模方法.先采用质点弹簧的方法对织物进行建模.首先对织物采用质点弹簧建模,然后采用混合层次包围盒的碰撞检测算法进行碰撞检测,对检测到得碰撞加以响应,用改进算法建模简单,充分利用包围球计算简单和紧密性好的优点来构建物体的混合层次包围盒结构.仿真结果表明,算法是有效可行的,提高了实时性和鲁棒性,性能优于传统碰撞检测算法,并实现了较强的真实感.     

基于简化的质点-弹簧模型织物变形仿真研究

研究织物变形特定性优化问题,针对织物形状动态改变提出了一种基于物理模型方法仿真织物变形,对织物采用质点-弹簧模型进行建模,解决织物变形在实际中的真实特用性,对质点-弹簧模型作了简化,即在模型中减少一部分剪切弹簧.在求解模型中,采用简单的显式欧拉积分法来求解织物的变形方程.同时对织物与环境之间进行了碰撞检测与处理.仿真结果表明,设计的模型稳定性和实时性好,为实际实现提供了参考.     

基于完全二叉树BVH的自碰撞检测算法

计算机图形学与虚拟现实应用的一个主要任务是对柔性物体的动态实时模拟。这类仿真任务需要能够快速计算的模型与动力学仿真算法,特别是高效的碰撞、自碰撞检测算法。尽管研究者们针对刚体的碰撞检测已经做了大量工作,但柔性物体对碰撞检测提出了更高的挑战。给出一种基于完全二叉树的包围盒层次结构,并运用基于此结构的构建、更新算法,优化仿真系统中数个环节,实现复杂场景中布料类柔性物体的自碰撞检测与物理模拟。     

虚拟穿衣中织物模型的建立和碰撞检测的处理

结合实现静态虚拟穿衣中的实际问题，详细地介绍了基于弹簧基质点模型的织物变形模型和基于AABB层次包围盒的碰撞检测算。借助层次空间分解法的思想，将缝合衣片的相对位置同人模自身的结构信息结合，灵活地构造人模AABB树，减少了不相交元素的碰撞检测次数，从而提高了算法的效率。最后还给出了实现整个虚拟穿衣过程的具体步骤。     

基于弹簧质点模型的布料仿真及碰撞处理方法

该文对布料仿真方法进行了研究。首先运用弹簧——质点系统建立布料的面模型，将柔性布料离散为分布均匀的质点，进而对整个系统进行了动力学分析。为获得高效的算法，采用了显式欧拉方法对微分方程进行数值积分。碰撞问题是布料仿真研究中的重要内容，该文针对具体碰撞对象设计了高效的碰撞检测方法，采用二分法作为碰撞响应算法，最后进行了布料产生碰撞后趋于稳定及滑落的动态仿真演示。该方法在达到较高计算效率的基础上，确保了仿真系统的稳定性。     

融合神经网络的布料碰撞检测算法

目的 针对当前在虚拟环境中布料柔体碰撞检测效率慢和准确性低的问题,提出一种根节点双层包围盒树结构和融合OpenNN （open neural networks library）神经网络加速预测碰撞检测的算法。方法 首先改进了碰撞检测常用的包围盒技术,提出根节点双层包围盒算法,减少包围盒的构造时间。其次使用神经网络优化碰撞检测技术,利用神经网络可以处理大量数据的优势,每次可以检测大量基本图元是否发生碰撞,解决了碰撞检测计算复杂性高的问题。最后准确地找到碰撞粒子并做出碰撞响应。结果 在相同的复杂布料模型情况下,根节点双层包围盒算法在运行速度上比传统混合包围盒算法快,耗时缩减了5.51%~11.32%。基于OpenNN算法的总耗时比根节点双层包围盒缩减了11.70%,比融合DNN （deep neural network）的自碰撞检测算法减少了6.62%。随着碰撞检测难度的增大,当布料模型的精度增加84%时,传统物理碰撞检测方法用时增加96%,融合DNN的自碰撞检测算法用时增加90.11%,而本文基于神经网络的算法用时仅增加了68.37%,同时表现出更高的稳定性,满足使用者对实时性的要求。结论 对于模拟场景中简单模型的碰撞,本文提出的根节点双层包围盒算法比传统的包围盒方法耗时短。对于复杂模型,基于OpenNN神经网络的碰撞检测算法在效率上优于传统的包围盒算法和融合DNN的自碰撞检查算法,而且模拟效果的准确性也得以保证,是一种高效的碰撞检测方法。     

三维服装仿真中的"服装-人体"快速冲突检测及响应算法

维胆装仿真可以为三维人体动画生成逼真的服装动态效果，但其中的冲突检测与仿真计算的时间复杂度太高，其实用性一直受到很大限制．提出了一种快速的“服装-人体”冲突检测友响应算法，在人体运动状态下，快速检测服装与人体之间的位置冲突，其时间复杂度仅为O（n）（n为服装模型上的顶点数目）．在此基础上，提出一种合理有效的冲突响应机制，并实现快速稳定的三维服装仿真，取得了真实的仿真结果．     

快速的布料碰撞检测和有效的接触摩擦算法

为了快速处理布料的碰撞检测并获得真实的接触摩擦仿真效果,提出一种基于罚函数的碰撞/接触解决方案.首先,采用质点-弹簧模型进行布料的仿真模拟,在弹簧形变方向添加改进的阻尼力,以减少粒子之间的振荡来保证系统稳定性;其次,采用代数非穿透滤波器对连续碰撞检测算法进行简化求解,快速判断是否存在方程根,提高布料每帧运行的仿真效率;最后,采用库仑约束和接触约束对每个碰撞/接触对进行约束,并结合改进的罚函数法有效地响应所有的碰撞/接触对.实验结果表明,该算法在CPU仿真环境下能快速有效地处理布料的碰撞和接触摩擦,模拟出布料复杂的物理行为,适用于实时的交互应用.     

基于FDH包围盒的布料碰撞检测

在布料仿真中,碰撞检测与响应十分复杂,很难同时具备真实感和实时性。针对此问题,采用质点弹簧模型进行建模,基于FDH包围盒提出一种快速的检测基本几何元素间碰撞的方法。通过分析点的位置向量与三角平面的夹角,利用向量内积的性质来判断点与三角形的位置关系,同时进行了相应的碰撞响应处理。实验结果表明,采用该方法进行碰撞检测既保证了模拟的真实性,同时又提高了系统的实时性。     

布料仿真技术在游戏中的设计和实现

近几年来,布料仿真技术广泛应用于游戏开发中,本文针对游戏在实时性和交互性方面的特殊需求,结合“网络游戏公共技术平台关键技术研究”项目,对布料的物理模型、模型求解以及碰撞检测和处理等方面进行了分析和设计,并在此基础上实现了几种布料动画的模拟。     

基于简化的质点弹簧模型的布料模拟

首先运用质点弹簧系统建立布料的面模型,针对布料模拟中经典的质点弹簧模型效率不高的问题,提出了简化的质点弹簧模型,通过减少弹簧的数量来简化模型提高效率;为提高数值求解的计算效率,用显式欧拉法对模型进行数值求解;针对模拟过程中存在过度拉伸的问题,通过构造约束变形进行了合理解决,选用层次包围盒法对布料进行碰撞检测;最后在确保模拟的稳定性的基础上,高效.逼真的模拟出了布料.     

服装动态效果的仿真技术

真实性和实时性一直是服装动态效果仿真所追求的目标.为了对服装的动态效果进行真实的仿真,就必须对织物的所有主要参数进行精确的模拟,如弹力和粘力.实时服装动画的一个难点就是对服装褶皱的模拟,以及相应的碰撞检测问题.对服装动态效果仿真技术的现状进行了介绍,并对未来的发展提出了一些看法.     

CAMA: Contact‐Aware Matrix Assembly with Unified Collision Handling for GPU‐based Cloth Simulation

We present a novel GPU‐based approach to robustly and efficiently simulate high‐resolution and complexly layered cloth. The key component of our formulation is a parallelized matrix assembly algorithm that can quickly build a large and sparse matrix in a compressed format and accurately solve linear systems on GPUs. We also present a fast and integrated solution for parallel collision handling, including collision detection and response computations, which utilizes spatio‐temporal coherence. We combine these algorithms as part of a new cloth simulation pipeline that incorporates contact forces into implicit time integration for collision avoidance. The entire pipeline is implemented on GPUs, and we evaluate its performance on complex benchmarks consisting of 100 – 300K triangles. In practice, our system takes a few seconds to simulate one frame of a complex cloth scene, which represents significant speedups over prior CPU and GPU‐based cloth simulation systems.