[發(fā)明專利]柔性繩索的仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110398616.5
• 申請日: 2011-12-05
• 公開（公告）號: CN102495752A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田嵐;亓國強;陸冬雨
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455;G06T17/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種繩索的仿真方法，尤其涉及一種柔性繩索的仿真方法。

背景技術(shù)

柔性繩索的仿真是計算機仿真研究中的難點之一，繩索的動力學(xué)行為非常復(fù)雜，過去的仿真一直是程序設(shè)計者人為設(shè)定的行為腳本來實現(xiàn)的，這種方法的缺點是繩索仿真逼真度不夠，代碼復(fù)雜，程序可移植性差：

1.逼真度不夠表現(xiàn)在人為設(shè)定的行為腳本不能完全涵蓋繩索運動特征，而在仿真系統(tǒng)中繩索的運動及碰撞情況具有不可預(yù)測性，這就更加大了編寫行為腳本的難度。再者還有行為腳本是基于動力學(xué)公式編寫出來的，理論性太強，情景太過理想化，尤其是繩索的運動為非線性運動，繩索之間的力的約束為變力(沒有現(xiàn)成的物理學(xué)公式可以利用)，這樣編寫出的行為腳本就更難具有真實性了。

2.代碼復(fù)雜體現(xiàn)在繩索的動力學(xué)行為是靠有限的行為腳本來執(zhí)行，而行為腳本的編寫是個復(fù)雜的過程，需要考慮非常多的情況來一一作出判斷，執(zhí)行不同的行為，繩索的受力及運動情況的復(fù)雜性決定了行為腳本代碼編寫的復(fù)雜度。

3.程序的可移植性差體現(xiàn)在編寫的行為腳本僅僅是針對仿真環(huán)境里的特殊場景而言的，繩索的受力及運動情況是事先人為設(shè)定好的，無法處理編程人員沒有想到的情景(系統(tǒng)bug繁多，且不易發(fā)現(xiàn))，在新的場景下，繩索的行為腳本需要重新編寫，程序不具有通用性。

隨著計算機運算能力及圖形渲染處理能力的增強，為更好地仿真現(xiàn)實，基于物理引擎的仿真勢在必行。物理引擎突破了以往按照預(yù)定腳本執(zhí)行的方式，利用實體的物理屬性來描述實體的行為。借助于專業(yè)的物理引擎，仿真系統(tǒng)能模擬真實世界中物體各種運動規(guī)律，而且易于理解和實現(xiàn)，具有良好的擴展性。基于物理引擎的計算機仿真已經(jīng)被證明是一種代價低廉且行之有效的系統(tǒng)分析手段。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供一種柔性繩索的仿真方法，在物理引擎ode和三維圖形渲染引擎ogre的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將兩者相結(jié)合，采用多節(jié)繩段相連接的方法來構(gòu)建繩索的仿真模型，節(jié)數(shù)越多，繩索越柔軟，仿真度越高。繩索的受力及運動情況靠操控相應(yīng)位置上的繩段來實現(xiàn)，繩索的其他部位的運動情況則有物理引擎內(nèi)部自動計算得出，三維圖形渲染引擎則負責(zé)渲染計算結(jié)果，這樣就在計算機中仿真了繩索的運動規(guī)律。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

步驟一：制作3D繩索模型；

步驟二：在引擎仿真場景中加載制作好的3D模型文件，并創(chuàng)建繩段實體，繩段實體為引擎仿真場景中繩段的模型，它包含繩段的幾何信息；

步驟三：創(chuàng)建對應(yīng)繩段實體的節(jié)點，該節(jié)點用來修改設(shè)置繩段實體的幾何信息和空間坐標；

引擎中模型的關(guān)聯(lián)是靠節(jié)點的繼承即創(chuàng)建其子節(jié)點來實現(xiàn)的，引擎中有一個整個仿真場景的根節(jié)點供其他節(jié)點繼承，繼承后的節(jié)點創(chuàng)建繼承它的子節(jié)點；

步驟四：設(shè)定該創(chuàng)建的繩段實體的空間坐標、放大比例、旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)；

步驟五：依次創(chuàng)建其他繩段實體；

步驟六：依次為所創(chuàng)建的每一段繩段實體創(chuàng)建具有物理屬性的仿真體，稱之為繩段body；

步驟七：為創(chuàng)建的繩段body設(shè)定其物理屬性即設(shè)定質(zhì)量、設(shè)定繩段body在物理引擎中的阻尼系數(shù)，包括線性阻尼和角度阻尼；

創(chuàng)建好的繩段body其引擎里默認值不滿足要求時，則根據(jù)實際需要調(diào)整繩段body的設(shè)定質(zhì)量來仿真質(zhì)量不同的繩索，或調(diào)整繩段body的阻尼系數(shù)來仿真不同材質(zhì)的繩索在空氣中擺動幅度的不同；

步驟八：為每一段繩段實體創(chuàng)建碰撞盒，碰撞盒用于檢測繩段實體在物理引擎仿真環(huán)境中與其他物體的物理碰撞；

步驟九：在各節(jié)仿真繩段之間創(chuàng)建關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)選用物理引擎中的球形關(guān)節(jié)，球形關(guān)節(jié)的空間坐標設(shè)定在各節(jié)繩段的連接處，從而連接各仿真繩段；

步驟十：設(shè)定關(guān)節(jié)的空間坐標及其屬性；

步驟十一：為每節(jié)繩段實體的添加伸縮控制；

步驟十二：最終形成了一條柔性的仿真繩索。

所述步驟一3D模型制作過程為，由3D模型制作人員使用3DMax軟件制作出格式為.mesh的模型文件，該類型的模型文件包含了在引擎仿真場景中模型的本地坐標系及其貼圖信息。

所述步驟五的過程為，首先創(chuàng)建各個繩段實體，在上節(jié)繩段的末端依次創(chuàng)建其他繩段，利用繩段之間的空間坐標不同，使它們之間首尾相連。