基于球面调和函数的柔性体力触觉建模研究

为了提高虚拟柔性体力触觉交互中物体形变与力的准确描述及计算效率,提出一种基于球面调和函数表达的柔性体力触觉建模方法。利用球面调和函数的多尺度性进行物体碰撞检测实现,在变形体的密度、杨氏模量、泊松比等参数已知的情况下,根据在力作用下的物体形变使用简化后的波动方程计算变形量和反馈力生成。实验结果表明,采用该方法可以准确描述柔性体的形变过程,其所需的计算成本在可接受的范围之内,可被应用到各种力交互辅助的医学应用中。     

虚拟柔性体实时形变仿真模型研究

为了在虚拟现实柔性体力触觉交互研究中得到稳定、连续、真实的力触感,提出一种基于球面调和函数表达的虚拟柔性体实时形变仿真模型,利用球面调和函数的正交归一、旋转不变、多尺度等特性实现物体的快速准确表达.在变形体的密度、杨氏模量、泊松比等参数已知的情况下,基于径向基函数神经网络模型预测柔性体受力形变后的SH模型.仿真结果表明,该方法不仅可以准确表达柔性体的实时形变,而且使得基于SH表达的柔性体形变的视觉刷新描述与柔性体反馈力的触觉刷新描述同步,从而满足虚拟手术仿真训练等虚拟柔性体力触觉交互研究要求.     

一种新型球面调和函数的柔性体仿真方法

提出一种新型的球面调和函数及有限元思想的仿真模拟方法,用于分析柔性体或非刚性物体在受到外力作用如碰撞过程中,受力而导致的形变。该方法考虑了柔性体形变大、可拉伸等特性,利用把柔性体离散化成有限个单元的方法,把柔性体分割成数量一定的六面体或四面体;然后使用不同的球面调和函数拟合被分割的柔性体不同单元,以此定量仿真模拟出柔性体的受力变形;最后将所有单元拼接起来而构成柔性体的整体仿真模拟模型。     

柔性体力触觉形变模型研究

针对虚拟现实力触觉交互中柔性体受力与形变的复杂关系,提出一种基于球面调和函数(SphericalHarmonic,SPHARM))的柔性体力触觉仿真模型。利用SPHARM的正交归一、旋转不变、多尺度等特性完成柔性体几何模型的准确表达;将柔性体在不同作用力下的形变模型映射到共同的参照系统中,在共同的参照系统中,利用主成分分析方法(Principal Components Analysis,PCA)完成柔性体在不同作用力下的形变比较,根据简化后的波动方程计算物体形变后的反馈力。实验结果表明,该方法可以准确表达柔性体的形变过程,适用于柔性体力触觉实时交互研究。     

基于球面调和函数的漫反射表面快速光照技术的研究

基于图像的光照是计算机图形学中一个新的研究领域。本文研究了一种基于球面调和函数理论的快速光照技术,此方法采用三阶球面调和函数近似估计理想漫反射物体表面的光亮度,以此实现物体表面光亮度的计算。实验结果表明,本算法能够实现真实感图像的实时绘制。     

基于球面增长的粒子系统左心室容积建模

针对左心室三维容积建模与估算问题,本文提出了一种基于球面增长的粒子系统左心室容积建模方法。通过对粒子系统动力学平衡原理的研究,结合球面增长原理以及粒子系统方法对形变物体建模的特点,设计和实现了一个适应于不规则物体三维建模的球面增长粒子系统初始化算法,重建左心室三维模型,为左心室动态容积估算奠定了基础。实验结果表明,该方法建模精确且效率高。     

基于物理的图形建模研究

逼真性是虚拟现实的重要特性,也是虚拟现实研究的难点。基于物理的图形建模是实观虚拟环境中物体逼真运动的基本方法,它构建动画角色的动力学模型并通过仿真计算它们的运动。该方法在视频制作、虚拟仿真、虚拟漫游等领域中具有重要的应用价值。与其它运动表示方法相比,可以实现虚拟环境中多种更为逼真的物体运动效果。该文分别以不变形物体（刚体）和变性物体（柔体）为例,介绍了虚拟现实系统中实现逼真物体运动的基于物理的建模思想,分析了它们的特点以及各自存在的问题和局限性。最后指出了要想理想解决物体建模问题所必须进一步研究和突破的若干技术。     

基于图形硬件的辐照度环境纹理图的计算方法

辐照度环境纹理图是绘制任意光照环境下漫反射物体表面的一种有效的方法。为了实现动态光照环境下辐照度环境纹理图的实时绘制,基于当前的通用图形硬件,提出了一种采用顶点着色器快速计算辐照度环境纹理图的方法。该方法从分析球面调和函数入手,首先得出环境贴图的二次多项式表达形式;然后用顶点着色程序对多项式系数和球面调和函数进行加速计算,以快速生成辐照度环境纹理图;最后对于动态光照环境,则通过对环境纹理图的分级细化来加快光照系数的计算,进而实现了动态光照环境下辐照度环境纹理图的重新绘制。实验表明,在动态光照条件下,采用该方法在获取真实感光照效果的同时,其运算速度也能满足交互系统的需求。     

基于压力模型的柔性物体仿真

现有的方法都不能很好地模拟具有内在体积的柔性物体。针对这种现状,将虚拟气体添加到改进的质点弹簧模型之上。通过内部的气体压力约束及改进的质点弹簧模型的约束实现了对这种柔性物体的模拟。实验表明,该方法真实地模拟了有内在体积的柔性物体,并且具有较强的实时性。     

VRML网络交互性研究及其在石油管道设计中的应用

以构建石油管道虚拟场景为例,系统分析虚拟现实建模语言(VRML) 交互功能及其实现过程,包括VRML的基本交互、VRML与JavaScript、VKML与Java的交互,使得VRML具有强大的编程能力,更加灵活、方便地对场景和造型进行交互和控制,同时实现在Web页上对VRML场景进行有效控制.     

一种基于国标人体测量学数据的虚拟人建模方法

针对目前利用国标人体测量学数据构建的虚拟人模型,只有单一的骨骼层或皮肤层,不便于同时对虚拟人进行实时运动控制和皮肤动态变形研究的问题,提出一种利用GB 10000-88的19个人体测量学特征数据、用3ds max构造出虚拟人的皮肤网格、层级建模方法构建出虚拟人的骨骼关节运动模型与四元数球面混合插值技术相结合的虚拟人建模方法。实验结果表明,该方法构建的虚拟人双层模型有利于对准确的国标人体测量学数据的虚拟人角色进行建模、皮肤逼真变形、实时运动仿真和人机工效学分析。     

基于圆盘近似的动态场景柔和阴影实时绘制

采用圆盘对物体表面进行近似,对每个圆盘形成的遮挡使用椭圆遮挡域表示,预计算过程中根据每个椭圆遮挡域参数进行采样并用球面调和系数表示,同时将其转换为对数,对采样数据采用主元分析方法进行压缩;在绘制的过程中,根据圆盘的法线、半径以及和阴影接收点之间的相对位置确定其椭圆遮挡域的值,然后采用球面调和指数算法进行累积.该方法将圆盘近似算法和球面调和指数算法相结合,能够灵活地描述柔性物体以及较薄的物体形成的柔和阴影.     

Lighting Estimation of a Convex Lambertian Object Using Redundant Spherical Harmonic Frames

An explicit lighting estimation from a single image of Lambertian objects is influenced by two factors: data incompletion and noise contamination. Measurement of lighting consistency purely using the orthogonal spherical harmonic basis cannot achieve an accurate estimation. We present a novel signal-processing framework to represent the lighting field. We construct a redundant spherical harmonic frame with geometric symmetry on the sphere S ². Spherical harmonic frames are defined over the generating rotation matrices about symmetry axes of finite symmetry subgroups of SO(3), and the generating functions are spherical harmonic basis functions. Compared with the orthogonal spherical harmonic basis, the redundant spherical harmonic frames not only describe the multidirectional lighting distribution intuitively, but also resist the noise theoretically. Subsequently, we analyze the relationship of the irradiance to the incoming radiance in terms of spherical harmonic frames, and reconstruct the lighting function filtered by the Lambertian BRDF (bidirectional reflectance distribution function). The experiments show that the frame coefficients of spherical harmonic frames can better characterize the complex lighting environments finely and robustly.     

多管火箭发射系统虚实混合动力学建模与仿真

为减小火箭出管后的初始扰动,运用多体动力学虚实混合建模与仿真技术研究多管火箭的出管姿态。对试验数据进行频谱分析,对关键部件进行结构动态特性分析和模态试验,采用虚实混合建模方法,构建多管火箭发射系统的动力学虚拟样机模型。采用柔性连接Bushing模拟发射系统的弹性特性,经过工程计算获得燃气冲击力并以脉冲形式施加到模型中,研究弹管间隙、质量偏心、推力偏心、发射时序和发射时间间隔等因素对火箭出管姿态的影响。研究结果表明：合理的弹管间隙、质量偏心、发射时序和发射时间间隔可以减小火箭出管后的初始扰动。     

挖掘机高压轴向柱塞泵的虚拟样机

为利用虚拟样机技术预测挖掘机高压轴向柱塞泵的各项性能,基于AMESim和Virtual.Lab开展液压系统建模、一维与三维刚柔耦合联合仿真建模、缸体的系统级疲劳分析以及柱塞泵的辐射噪声分析,得到流量和压力特性曲线、缸体疲劳损伤结果以及各场点的声压曲线,为开展优化设计提供参考.     

Protein-ligand recognition using spherical harmonic molecular surfaces: towards a fast and efficient filter for large virtual throughput screening

Molecular surfaces are important because surface-shape complementarity is often a necessary condition in protein-ligand interactions and docking studies. We have previously described a fast and efficient method to obtain triangulated surface-meshes by topologically mapping ellipsoids on molecular surfaces. In this paper, we present an extension of our work to spherical harmonic surfaces in order to approximate molecular surfaces of both ligands and receptor-cavities and to easily check the surface-shape complementarity. The method consists of (1) finding lobes and holes on both ligand and cavity surfaces using contour maps of radius functions with spherical harmonic expansions, (2) superposing the surfaces around a given binding site by minimizing the distance between their respective expansion coefficients. This docking procedure capabilities was demonstrated by application to 35 protein-ligand complexes of known crystal structures. The method can also be easily and efficiently used as a filter to detect in a large conformational sampling the possible conformations presenting good complementarity with the receptor site, and being, therefore, good candidates for further more elaborate docking studies. This "virtual screening" was demonstrated on the platelet thrombin receptor.     

Automatic modeling of virtual humans and body clothing

Highly realistic virtual human models are rapidly becoming commonplace in computer graphics. These models, often represented by complex shape and requiring labor-intensive process, challenge the problem of automatic modeling. The problem and solutions to automatic modeling of animatable virtual humans are studied. Methods for capturing the shape of real people, parameterization techniques for modeling static shape (the variety of human body shapes) and dynamic shape (how the body shape changes as it moves) of virtual humans are classified, summarized and compared. Finally, methods for clothed virtual humans are reviewed.