[發明專利]帶剛體核的廣義彈簧振子形變仿真方法

無效

• 申請號: 200810143800.3
• 申請日: 2008-12-03
• 公開（公告）號: CN101425188A
• 公開（公告）日: 2009-05-06
• 發明（設計）人: 熊岳山;王彥臻;徐凱;陳欣;劉冬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06T17/40
• 分類號: G06T17/40
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心
• 代理人: 郭 敏

技術領域

本發明涉及一種計算機仿真領域對物體形變進行仿真的方法，尤其是一種帶剛體核的廣義彈簧振子形變仿真方法。

背景技術

計算機圖形學中基于物理的形變仿真方法從物體的物理屬性入手，對物體的形變進行仿真模擬，它主要應用于虛擬現實、電影、動畫等領域。許多模型被用于基于物理的形變仿真，例如有限元方法(finite?elementmethod)、彈簧振子模型(mass-spring?model)以及基于模態分析的精簡形變模型等。與其他模型相比，彈簧振子模型實現簡單、求解高效，因此它是最早被應用于計算機圖形學的實時形變模型之一。1987年，K.Waters在ACM?SIGGRAPH會議上發表的“A?Muscle?Model?for?AnimationThree-Dimensional?Facial?Expression”(《一種用于三維面部表情動畫的肌肉模型》)論文中采用彈簧振子模型對臉部進行建模。1994年，D.Breen等人在ACM?SIGGRAPH會議上發表的“Predicting?the?Drape?of?Woven?ClothUsing?Interacting?Particles”(《使用交互粒子預測織物窗簾行為的方法》)論文中首次將彈簧振子模型應用于布料仿真模擬中，并指出彈簧振子模型比其他連續模型能更好地模擬布料的行為。彈簧振子模型的另一個優點是易于實現模型拓撲結構的修改，可以方便地模擬物體的斷裂、切割等行為，而不像有限元方法等需要使用一些復雜的剖分方法。2003年，劉卉等人在《軟件學報》上發表的《基于改進的彈簧-質點模型的三維服裝模擬》論文中也采用了彈簧振子模型對布料進行模擬。2002年，蔡及時等人在《軟件學報》上發表的《應用于網上虛擬手術的自適應變形模型》論文中使用彈簧振子模型對人體軟組織進行形變模擬。2006年，諶海新等在《系統仿真學報》上發表的《質點-彈簧模型驅動的體數據模型快速變形模擬》論文中，使用彈簧振子模型對三維體數據模型進行快速變形模擬。2007年，王彥臻等人在《計算機輔助設計與圖形學學報》上發表的《改進的采用表面網格的彈簧振子模型》中對傳統的彈簧振子模型進行了改進，修正了線彈性彈簧引起的“超彈性”現象。

基本彈簧振子模型由質點和無質量的結構型(structural)彈簧組成。對于一個彈性物體的彈簧振子模型Ω，其質點集合為V，每個質點的初始位置為質量為m_i(1≤i≤‖V‖)。結構型彈簧集合為S，每一條結構型彈簧連接相鄰的兩個質點，用于表示模型的結構信息以及在質點間進行力的傳播，連接質點i和j之間的結構型彈簧初始長度為l_ij(1≤i，j≤‖V‖)。使用基本彈簧振子模型對彈性物體進行形變仿真的方法在每一個視覺顯示循環中，根據彈性物體受到外力的情況，使用彈簧振子模型和運動方程獲得模型中各個質點的位置和運動情況，用于對彈性物體的形變狀態進行實時繪制。每一個視覺顯示循環中，基本彈簧振子模型對彈性物體進行形變仿真的方法包括以下步驟。

第一步，根據模型中結構型彈簧的形變狀態獲得模型中質點所受到的內力。

基本彈簧振子模型使用線彈性的結構型彈簧。如果每一個質點的當前位置為x_i(1≤i≤‖V‖)，當前速度為v_i(1≤i≤‖V‖)，根據胡克定律，連接質點i和j之間的結構型彈簧施加給質點i的力為