等几何连续介质弹性模型的带厚度布料仿真方法

目的 布料仿真是计算机动画领域的一个研究热点和难点,基于粒子系统的模型快速高效却难以准确描述布料真实的物理特性,这些物理属性可以由连续介质的弹性模型利用有限元方法来实现,但所需网格单元较多,求解复杂且耗时。现有方法通常将布料建模为曲面和壳模型,对较厚布料的仿真能力较弱。针对这些常用模型在几何建模、物理真实性和仿真速度上难以兼顾的问题,提出了一种带厚度的布料仿真模型,能够更真实地表达不同厚度布料的形变行为,并利用等几何分析方法进行基于物理的快速动态仿真模拟。方法 将有厚度的布料建模为三变量B样条体表示的薄板模型,利用等几何—伽辽金方法,推导出在给定边界条件下三维连续介质线弹性力学方程的弱形式,将B样条体的控制网格作为计算网格进行仿真分析,最后在隐式动力系统框架下对线性方程组直接求解。结果 对本文布料模型进行了多方面的讨论和分析。首先,与几种主流的离散模型下的模拟效果进行了光滑度的对比,本文方法的NURBS(nonuniform rational B-splines)建模有着明显的光滑性优势;并在不同自由度下比较了与经典有限元连续介质模型的计算时间,结果表明模拟结果的平方根误差（root ...     

基于物理仿真的布料动画研究综述

随着计算机图形技术的发展,布料动画成为3D游戏和动画电影相关领域研究者共同关心和研究的课题,并呈现蓬勃发展的趋势.布料动画的主要目标是表现布料丰富的运动细节,获得细腻、逼真的动画效果,可广泛应用于游戏、动画和虚拟现实等众多领域.论述了国内外基于物理仿真的布料动画建模的研究现状,总结了基于物理仿真的布料动画基本理论和方法.通过对近年来该领域相关文献的分析和归纳,发现其中存在的优缺点和相互间的联系,力图为3D游戏和动画中布料动画仿真技术的研究提供系统的思路.     

布料仿真中的自适应各向异性应变限制研究

布料仿真技术旨在通过计算机生成逼真的布料动态效果,在虚拟现实、服装动画等领域有着广泛的应用前景. 为了避免仿真过程中布料的过度形变并且提高布料应变的准确性,在布料模拟过程中为布料添加了自适应的各向异性应变限制约束. 首先将布料模型离散化为三角形网格,在每一帧都对布料进行网格重划的基础上,通过定义内积倒数映射,将规定的布料全局应变限制转化为各个三角形形变主轴的局部应变限制,保证了在每次网格重划之后局部应变限制仍然能够和全局应变限制保持一致. 另外在求解过程中,提出了结合罚函数与拉格朗日乘子法的改进方法求解算法得到的约束非线性规划方程. 实验表明,本文所提出的方法有效地提高了应变限制的准确性.     

基于Jack的虚拟维修样机交互行为建模方法研究

虚拟维修仿真是近年来出现的一种新的采用计算机动画、虚拟现实等技术,进行维修设计和维修训练等的方法,其基本思路是建立设备的虚拟样机,在虚拟环境中模拟特定的维修活动,如产品或部件的拆卸分解、更换、装配等;从运动行为建模、约束关系建模与拆装顺序描述3个方面详细讨论了虚拟样机交互行为建模的方法与过程,最后在Jack环境下设计了交互特征建模软件模块,利用数据库管理样机的交互特征;基于特征的交互行为模型能够满足虚拟维修仿真的需要,设计的软件模块能够较好地与仿真系统集成,对虚拟维修仿真实现具有重要意义.     

注射机运动与工艺仿真技术研究

研究虚拟注射成型系统中如何使机构运动仿真和工艺仿真达到统一的关键问题。针对虚拟注射成型系统只能实现简单的运动仿真的现状,提出了一种新颖的建模方法与仿真技术:采用OpenGL图形显示技术结合三维建模软件,通过引入骨骼动画和骨骼蒙皮动画逼真地实现了复杂的注射机运动仿真。同时,为了提高工艺仿真的实时性,采用注射成型过程仿真软件和成型工艺窗口相结合的方法实现工艺仿真。开发出了虚拟塑料成型仿真系统,可以对HTL160等多种型号的注射机以及各种类型的模具成形过程进行仿真,在实际教学中获得了成功应用。     

融合QPSO算法的多精度布料仿真建模方法

在布料建模领域，如何快速模拟布料形变之后的褶皱细节是研究的热点。通过使用多精度布料建模方法，在布料的不同形变区域使用不同精度的网格，可以有效平衡建模的精度和速度，已有的工作主要是在布料形变过程中，动态计算出布料质点邻域的曲率，依据人为设定的阈值，划分出布料的多精度区域，而在大部分场景中，布料的变形模式没有规律，固定不变的阈值可能会影响布料的仿真效果。针对该问题，首先将基于量子行为的粒子群算法引入建模过程，通过粒子群算法对布料表面的搜索，提高了布料弯曲部位的搜索效率，优化了多精度布料的建模速度和精度，其次针对布料仿真运动过程进行研究，参考布料受空气阻力的数学模型，以及粒子动力学中的数值积分方法，优化布料运动的仿真计算方法。实验证明，与现有布料多精度方法相比，该方法能较快检测到布料褶皱区域并判断是否需要细化，且能较好地表现出布料仿真过程中空气阻力对布料造成的形变。     

融合随机森林模型的布料分层建模

目的 在布料仿真中,针对基于物理方法计算复杂、耗时长、实时性差的缺点,提出了一种融合随机森林模型的布料分层建模方法。方法 采用基于物理的方法计算出各个质点的初始位置,连接各个质点形成最初始水平布料。然后通过使用随机森林模型的回归算法来推断质点在下一水平布料的位置,使用3细分法连接质点,再通过边翻转操作生成稳定的布料网格,重复上述过程直至产生满意的动画效果。结果 在固定共轭梯度法（CG）改进后的隐式积分方法和交替方向乘子法（ADMM）的迭代次数,保证两种传统方法计算的模拟结果具有相似误差的情况下,实验结果表明,当模拟的质点数较少时,融合随机森林模型的布料分层建模方法与两种传统基于物理的模拟方法相比,没有很大的优势,但在模拟足够数量的质点时,融合随机森林模型的布料分层建模方法的模拟速度相比于ADMM算法提高了约26%。结论 采用随机森林模型来进行分层布料模拟,省去了传统基于物理的模拟方法进行的大量数值计算,显著提升了布料模拟的效率,并且在施加外界力、与外界物体发生碰撞的情况下,融合随机森林模型的布料分层建模方法依旧可以产生稳定可靠的模拟动画,是一种高效的布料模拟方法。     

关于天空动态仿真技术研究与实现

天空的建模和渲染是计算机图形学领域的一个研究难点,对其研究有着重要的现实和理论意义。从天空的建模方法、光照模型、绘制效率三个方面对天空仿真系统进行了研究。提出了更加适合在户外大场景仿真中应用的球形天空体的建模方法;改进了Fourier合成自然纹理的方法,并将其应用于云彩模拟中;并采用多层天空盒和雾化技术来增加天空仿真的真实效果。实验结果表明,使用文中的仿真算法得到的仿真图像对于提高用户的沉浸感和真实感效果显著。     

计算机虚拟仿真技术在三维动画制作中的应用研究

三维动画带给人全新的观影体验,以一种新型的表现方式展示动画内容,在其运用过程中,计算机虚拟仿真技术的应用不可小觑。为提高三维动画制作水平,平时要加强动画制作实践,积极借鉴先进的动画制作技术,促进虚拟技术在动画制作中的有效运用,从而增强动画表现效果。本文在对计算机虚拟仿真技术进行阐述的基础上,分析计算机虚拟仿真技术在三维动画制作中的具体应用,进而提出自己的几点思考,旨在提升我国三维动画制作水平,从而推动动画行业的可持续发展。     

关于天空动态仿真技术研究与实现

天空的建模和渲染是计算机图形学领域的一个研究难点,对其研究有着重要的现实和理论意义.从天空的建模方法、光照模型、绘制效率三个方面对天空仿真系统进行了研究.提出了更加适合在户外大场景仿真中应用的球形天空体的建模方法;改进了Fourier合成自然纹理的方法,并将其应用于云彩模拟中;并采用多层天空盒和雾化技术来增加天空仿真的真实效果.实验结果表明,使用文中的仿真算法得到的仿真图像对于提高用户的沉浸感和真实感效果显著.     

基于改进质点弹簧模型下的布料实时仿真

布料模拟一直是计算机动画的研究热点.且对于虚拟现实技术有着重要意义.在以往的研究中,人们提出了许多模拟织物运动的方法,方法的一个主要缺点是复杂度高、计算效率低,无法满足交互设计和实时动画的要求.在经典质点掸簧模型的表示基础上结合Choi的布料模型,通过简化弹簧弯曲抗力的计算方法,合并了弹簧的结构力和剪切力,从而达到了简化了布料物理模型的目的,提高了模拟的速度.实验证明,采用经改进的质点弹簧模型可以得到实时稳定的布料仿真效果.     

A collision resolution algorithm for clump-free fast moving cloth

Cloth animation is an important area of computer graphics due to its numerous applications. However, so far a fast moving cloth with multiple wrinkles has been difficult to animate because of the cloth clump problem. Cloth clumps are the frozen areas where cloth pieces are clustered unnaturally — an obstacle in making a realistic cloth animation. Hence we present a novel cloth collision resolution algorithm that prevents clump formation during fast cloth motions. The goal of our resolution algorithm is to make cloth move swiftly without having any unnatural frozen cloth clumps, while preventing any cloth-cloth and rigid-cloth penetrations at any moment of a simulation. The non-penetration status of cloth is maintained without the formation of cloth clumps regardless of the speed of cloth motion. Our algorithm is based on a particular order that we found in the resolution of cloth collisions, and can be used with any structural modeling approaches such as spring-masses or finite elements. This paper includes several realistic simulation examples involving fast motions that are clump-free.     

织物动感模拟的研究与实现

织物的动感模拟是虚拟现实、计算机动画以及3D游戏等领域中的一个热点问题。为了实现织物动感模拟的实时性和真实感,选用质点-弹簧模型进行物理建模。然而,质点-弹簧模型在应用中存在过度拉伸的问题,针对这个现象进行了处理,提出采用平滑过度的方法来解决此类问题。同时,提出了一种风力模拟算法,简化了运算,增强了织物在风中运动的显示效果。实验证明,这些方法使织物动感模拟达到了较强的实时性和真实感。     

基于物理的角色动画合成方法综述

角色动画一直是计算机动画和虚拟现实领域的重要研究内容之一.近年来,随着3D游戏动漫以及电影特效制作产业的蓬勃发展,角色动画对物理真实性的要求日益迫切,基于物理的角色动画合成受到了研究者们越来越多的关注,催生了许多新方法与新技术.该研究问题的核心是人体运动合成方法,其旨在驱动虚拟角色运动,生成满足物理运动规律的动画.重点围绕角色动画合成方法的研究进展进行介绍.首先在对国内外研究工作全面分析与总结的基础上,根据关节力矩的计算方式不同将其分为7类:时空约束法、约束动力学优化法、低维模型法、有限状态机、数据驱动法、动力学过滤法、概率模型法,详细阐述每一类方法的原理及特点后,重点介绍每类方法中近期出现的新工作.其次,对上述各类方法的优缺点进行对照分析.最后,结合实际应用需求,针对目前工作中存在的不足,提出一些可继续深入研究的问题.     

液体采集与建模技术综述

在计算机图形学与虚拟现实技术领域中,自然现象的模拟作为一个难点得到了广泛的关注和研究.液体是一种最为常见的自然现象,对此类现象的建模具有极大的应用价值.传统的液体建模方法是基于物理的建模方法,但计算量较大.随着相机等采集设备的发展,出现了基于采集数据的液体建模方法.回顾了近年来国内外在液体采集和建模仿真方面的发展情况和研究进展;分析并总结了针对不同研究对象所采用的建模方法;最后提出液体采集与建模技术研究中存在的挑战及未来发展趋势.     

一种快速的基于物理模型的织物模拟

提出了一种基于物理模型的实时动态模拟织物的方法。模拟织物的运动一直都是虚拟仿真的重要课题,在电影、游戏和虚拟现实中大量用到,但是逼真的模拟往往需要高昂的计算代价。文章通过对织物物理和几何属性分析。构造出一个带约束的物理模型。使用一种自适应的迭代法,最大限度地利用了局部时间和空间上的模拟参数,大大提高了计算的效率。并根据织物的物理特性,优化共轭梯度法,综合各种算法的优点,不断优化算法。可以实时地并且精确地模拟织物的运动。     

Interactive virtual try-on clothing design systems

Clothing computer design systems include three integrated parts: garment pattern design in 2D/3D, virtual try-on and realistic clothing simulation. Some important results have been obtained in pattern design and clothing simulation since the 1980s. However, in the area of virtual try-on, only limited methods have been proposed which are applicable to some defined garment styles or under restrictive sewing assumptions. This paper presents a series of new techniques from virtually sewing up complex garment patterns on human models to visualizing design effects through physical-based real-time simulation. We first employ an hierarchy of ellipsoids to approximate human models in which the bounding ellipsoids are optimized recursively. We also present a new scheme for including contact friction and resolving collisions. Four types of user interactive operation are introduced to manipulate cloth patterns for pre-positioning, virtual sewing and later obtaining cloth simulation. In the cloth simulation, we propose a simplified cloth dynamic model and an integration scheme to realize a high quality real-time cloth simulation. We demonstrate the robustness of our proposed systems by complex garment style virtual try-on and cloth simulation.     

Realistic and stable animation of cloth

Researchers have proposed various techniques for cloth simulation in the last decades. The crucial problem in interactive animation for cloth is how to speed up simulation with a stable system. In this paper, we describe a realistic and stable scheme for cloth simulation based on mass‐spring system. This scheme modifies semi‐implicit integration used in cloth simulation system with an efficient damping method. Semi‐implicit integration methods have been widely used in dynamic simulation because of acceptable speed and stability. However, internal damping forces are generated with respect to rotational rigid motions, which are only depending on relative velocities. Undesirable change in global movement of dynamic cloth could result in damping artifact. We replace the internal damping forces with an optimal damping method which is based on iterative spring damping but the limit can be computed directly. The method provides simple damping parameter estimation and guarantees conservation of global movement. As a result, complex clothes can be realistically and stably simulated in real time. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.