[發明專利]一種基于位置的層次化動態模擬方法

有效

• 申請號: 201810821225.1
• 申請日: 2018-07-24
• 公開（公告）號: CN109118561B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 李書琴;鄭華;王美麗;張宏鳴
• 申請（專利權）人: 西北農林科技大學
• 主分類號: G06T13/20
• 分類號: G06T13/20
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 俞曉明

本發明公開了基于位置的層次化動態模擬方法，涉及計算機圖形學技術領域，該方法包括：創建一副布料網格，構造網格的特征信息并保存；根據網格的特征信息構造屬于該網格的網格層次化系統；對布料模擬環境進行設置；根據基于位置的動態模擬方法PBD，結合網格層次化系統和布料模擬環境進行收斂加速。本發明的方法相對現有技術來說更加簡單明了，不但在模擬效果上得到了提升，并且在收斂速度上也有很大提升。

技術領域

本發明涉及計算機圖形學技術領域，特別是涉及一種基于位置的層次化動態模擬方法，通過本發明模擬的動態布料或者動畫將能更快更高效的達到收斂狀態，為圖形學動態模擬方面提供了一種高效的解決方案。

背景技術

在計算機動畫中，布料動畫模擬是重要的研究方向之一，受到了很多研究者的關注。如何讓一個平面真實的反應出其自身的連貫性，拉伸性，碰撞性和收到外力的反應成為了研究的重點。目前已有的眾多算法在效果、效率以及真實性上的差異性較大，所以研究一個綜合性更強，效果更好，效率更高的模擬算法是當前布料模擬的重點研究方向，同時也為后續其他材質的模擬奠定基礎。布料動畫模擬包括了對于布料建模、數值計算與模擬方法三個方面。

對于布料模擬的建模有以下三種比較典型的方法，第一種就是根據一些經驗性的幾何方程來表示材質特有的物理特性，其優點是可以高效生成的良好的模擬效果。典型的模型有懸鏈線模型，純幾何變換形變模擬模型，基于紋理生成皺褶模型與雙層幾何模型(衣服層、皮膚層)。第二種是基于布料的摩擦、彈性系數等物理特征，通過構造三角網格或矩形網格的結構力學模型和能量狀態模型，然后根據動力學方程進行數值求解，優點是可以更加逼真的顯示布料。該方法又分為連續體模型和離散體模型，連續體模型典型的有彈性形變模型，線性應變力模型，非線性應變力模型和細分有限元模型。目前對于離散型模型研究最為深入，典型的代表有Breen等提出的粒子模型，Provot等提出的質點-彈簧模型，Kikuuwe R等提出的通用粒子模型。第三種就是綜合以上兩種方法的優點，即幾何模型的高效性和物理模型的逼真性。除了以上幾種典型的模型外，LuJia等提出了一種基于NURBS的物理模型，該模型在布料仿真程度上達到了新的高度，但是仍然存在模擬效率低和布料收斂速度慢等問題。

對于數值計算有以下4種典型的求解模型，第一種是顯式Eluer積分方法，該方法相較于其他方法算法效率更高；第二種是隱式Eluer積分方法，主要應用于解決剛性材料的模擬；第三種是4階Runge-Kutta積分框架，該方法的優點是模擬精度高，模擬效果良好，缺點是算法效率較低，不能實時顯示結果；第四種是Verlet積分框架，該方法針對幾種方法的缺點進行了改進，耗時少且模擬效果精度較高。

在布料模擬的過程中，力學模型中傳統的方法是利用牛頓力學方程求解，通過利用加速度與質點質量對動態物體的運動軌跡進行求解，其中存在與真實相差較大的模擬誤差，因此基于此方法研究的主要目的是盡可能降低誤差，以此提高模擬效果。在傳統的計算模型中，大量的計算問題導致了顯示模擬結果時出現卡頓和逼真性下降等問題，而基于位置的方法能較好的解決這些問題。