基于自适应Runge-Kutta法的织物动态模拟

运动微分方程的数值求解，是实现基于物理模型的织物仿真的技术关键。针对具有高精度要求的织物动态仿真，提出利用显式Runge-Kutta高阶方法解决仿真过程中运动微分方程的求解问题，并采用内嵌的Cash-Karp计算格式，从自动调整步长和控制精度两方面优化算法。实验证明，基于内嵌的Runge-Kutta自适应法精度高，易实现，具备良好的稳定性，并可直接获取误差，自动调整步长确保精度，使系统的求解效率得以进一步提高。     

数值积分法在织物仿真中的应用

讨论了当前织物仿真中常用的一些积分方法。通过实验，从精度、数值稳定性以及计算时间等方面对这些方法的效率进行了定量的比较。     

多层处理在织物仿真中的应用

采用多层处理的方法将织物仿真过程分为几个阶段。在不同的阶段采用不同密度的网格划分，前一阶段的质点数比后一阶段的少，简化了计算，提高了仿真速度，而且不影响仿真的真实感。文中对织物建立了质点一弹簧模型，采用隐式积分法计算各个质点的状态。     

基于粒子系统的织物仿真模拟

以粒子系统为建模基础，根据织物悬垂变形的基本特征，通过构造弯曲、剪切等内在影响因素和重力等外部约束条件，并结合经典力学的刚休碰撞理论，计算织物模型与其它物体间的碰撞与接触，从而生成动态量垂仿真图形。     

织物仿真中的冲突检测和处理

冲突检测以及冲突处理一直是织物仿真的“瓶颈”问题。该文论述了对柔性物体如织物与刚体的冲突检测问题。通过正冲突物体表面周围建立一个很狭小的相当于防护屏的力场来避开冲突。将这个力场分割成一些连续不重迭的完全围绕着表面的小单元，一旦某个点要进入某个单元，就产生一个排斥力，这个力的大小和方向由速度、法向、点与表面的距离决定。     

基于质点-弹簧模型的布料仿真研究

运动微分方程的数值求解,是实现基于物理模型的织物仿真的技术关键.全面介绍了质点-弹簧模型的织物变形仿真技术,精确构建了织物的力学模型,并对几种不同的显性数值积分方法进行了详细比较,尤其是用RK-4方法对微分方程求解大大提高了解的稳定性.在此基础上,针对质点-弹簧模型在应用中存在过度拉伸的问题,指出了传统方法处理这个问题的缺陷,构造约束变形,合理解决了"超弹性"问题.此织物变形仿真技术已经应用于实际的织物动画仿真软件中,实践证明其仿真技术具有实用性和先进性.     

一种用于织物仿真的隐显式积分方法

在回顾现有求解方法的基础上,指出这些方法存在的问题,并引出隐显式方法.该方法提供了一种有效求解部分僵硬系统的途径.在此采用隐显式方法模拟织物悬垂,给出了运行参数和最终结果.     

基于图形硬件的显式织物模拟

凡是需要真实场景和人物动画的图形应用场合,织物模拟都是必不可少的环节之一,其模拟速度和效果往往决定应用整体的效率和真实感.以实时织物模拟为目标,利用GPU(Graphics Processing Unit)并行编程语言CUDA,设计了一种基于弹簧-质点模型的显式织物模拟并行算法.该算法将模拟过程分为计算阶段和渲染阶段.在计算阶段,通过将质点与CUDA的线程一一对应,并行更新质点的速度和位置.算法利用线性存储器纹理解决了越界问题,并通过使用CUDA的共享内存减少对全局内存的访问.为了使各线程负载均衡地填充共享内存,提出nPass方法.在渲染阶段,算法利用CUDA与OpenGL的交互性,直接在GPU上渲染,避免了将数据回传到主存的额外开销.实验结果表明,与CPU算法和传统的GPU算法相比,该算法的模拟速度分别加快了30倍和5倍.     

基于显微CT扫描的三维织物仿真

为了在纹织CAD中通过织物仿真减少产品的试织次数、降低生产成本,提出一种基于显微CT扫描的三维织物仿真方法.首先由显微CT扫描的纱线切片得到单根纱线的密度信息;然后根据真实纱线的彩色图像生成纱线的体数据模型;最后根据织物结构中经纬线的位置信息对纱线体数据进行变换和填充,得到织物的体数据模型并进行体绘制,获得真实感较强的仿真效果,可表现出纱线的毛羽、捻度等效果.实验结果表明,该方法切实可行,织物结果真实自然.     

基于虚拟现实的动态设计与仿真

该文首先介绍了虚拟现实和动态设计的概念及特点，说明了将二者结合的必要性与可靠性。然后阐述了其基本实现思想和体系框架，具体建立了虚拟环境模型，提出了大批量数据存取及图形表示方法以及驾驭式系统的跟踪与控制过程等。最后以浸水圆柱壳结构优化设计为例说明了虚拟现实与动态设计结合的可行性。     

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.     

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。     

基于实例数据分析的多精度网格布料动画

在布料动画领域,细节变形褶皱的快速逼真模拟是一个具有挑战性的问题.多精度网格布料动画技术,在不同变形区域采用不同密度的网格,由此保证布料运动的丰富细节和更高的动画合成效率.已有的研究工作,主要针对多精度网格布料动画的可计算问题,即在动画过程中动态获取顶点或面片曲率,依据手工设定的阈值进行动态迭代精化,而对于有效性问题,即如何预测布料运动趋势并据此合理修改网格精度,未深入研究.针对该问题,在对布料运动过程中弯曲变形特征进行分析的基础上,提出一种基于实例数据分析的多精度网格布料动画方法.首先,选取一段持续的高精度布料动画作为实例数据,分析并提取弯曲变形模式;其次,以弯曲变形模式作为启发信息,结合有效的精化策略以及精化原则,对相应低精度布料模型进行逐层精化,从而构建多精度网格布料几何模型;最后,建立多精度网格各层质点的受力关系,并通过增加边界约束和质量约束,构建可适用于多精度网格的布料动画模型.实验结果显示,文中预构建的多精度网格模型可用于同类相似运动驱动下的布料动画计算,能够在保持较多细节变形的前提下,有效提高计算效率.     

Anisotropic Strain Limiting for Quadrilateral and Triangular Cloth Meshes

The cloth simulation systems often suffer from excessive extension on the polygonal mesh, so an additional strain‐limiting process is typically used as a remedy in the simulation pipeline. A cloth model can be discretized as either a quadrilateral mesh or a triangular mesh, and their strains are measured differently. The edge‐based strain‐limiting method for a quadrilateral mesh creates anisotropic behaviour by nature, as discretization usually aligns the edges along the warp and weft directions. We improve this anisotropic technique by replacing the traditionally used equality constraints with inequality ones in the mathematical optimization, and achieve faster convergence. For a triangular mesh, the state‐of‐the‐art technique measures and constrains the strains along the two principal (and constantly changing) directions in a triangle, resulting in an isotropic behaviour which prohibits shearing. Based on the framework of inequality‐constrained optimization, we propose a warp and weft strain‐limiting formulation. This anisotropic model is more appropriate for textile materials that do not exhibit isotropic strain behaviour.     

一种有效的隐式约束动力学布料动画方法

布料动画中,通常采用施加约束的方式限制布料的过度拉伸.已有的研究工作没有充分考虑拉伸约束与弯曲形变之间的关系,构造的动画模型并不完善,无法模拟布料无拉伸而多褶皱的“刚柔”相混的复杂变形效果.针对此问题,提出一种基于隐式约束力的布料动画方法.首先,建立有效的布料弯曲受力模型,并提出一种动态适应性约束方法,能够同时处理布料运动过程中结构和剪切2种不同类型的拉伸,避免单一结构拉伸约束导致的“过剪切”变形或者过约束导致的“刚性”失真效果;建立碰撞约束,避免局部调整穿透质点引起的过度拉伸问题.其次,将各种约束以隐式约束力的形式增加到动力学系统中,采用约束型迭代精化的方法进行求解.实验结果表明,该方法稳定有效,能够在保持布料弯曲形变的前提下,将拉伸控制在合理范围内,真实地刻画布料“易弯抗拉”的变形特征,实现逼真的布料变形动画模拟.     

结合动力学模拟的手绘服装动画生成

手绘服装动画是艺术化绘制风格与服装运动规律的结合体,将手绘风格与服装运动模拟相融合,提出一种高效生成具有手绘效果的服装动画方法.通过手绘图来指定服装动画的艺术效果,并基于逆向动力学原理,采用非线性优化方法从用户输入的手绘图中恢复出服装运动的动力学参数;在此基础上,设计实现了基于广义的中间帧插值方法和结合显式动作数据的外推方法,自动生成用户所期望的、与手绘图风格一致的服装动画序列.实验结果表明,该方法可有效地生成融合服装物理运动属性并保留动画师手绘风格的服装动画,显著提高了手绘服装动画的制作效率.     

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.     

布料运动模型参数学习方法

为了在布料运动仿真中通过调整其中的模型参数表现不同材质布料的运动差异,提出一种基于实例的布料运动模型参数学习方法.该方法利用运动捕获设备获取布料样本的运动实例数据;通过仿真数据与实例数据对比,利用遗传算法逐步进化、学习得到布料运动模型的全部参数.采用文中方法对6种不同材质布料的运动模型参数进行学习,并利用学习结果合成相应的布料运动模拟数据.实验结果表明,每段布料运动模拟数据(时间长度为5 s)与实例数据间的相对位置误差小于6%;在相同外力驱动下,不同材质布料的运动模拟结果能够较好地反映不同材质布料的运动特性.     

基于机器学习合成高分辨率布料褶皱

为了精化布料网格得到逼真的布料模拟效果,提出了一种基于机器学习的方法合成高分辨率布料褶皱.首先模拟真实的布料运动,获取布料运动的帧数据信息,将布料运动的帧数据信息转换为图像信息的形式进行存储.然后将图像信息作为输入,输入到卷积神经网络(CNN)中进行训练,通过将卷积神经网络与缩小网络相结合,最终得到高分辨率布料图像.最...