基于物理的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)研究.pdf

1、近幾十年來(lái)，由于影視動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)游戲等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，基于物理的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)成為人們研究的熱點(diǎn)方向，它通過(guò)探索真實(shí)世界中自然現(xiàn)象的物理本質(zhì)，利用計(jì)算機(jī)為物體建立精確的運(yùn)動(dòng)模型，從而更加逼真的表現(xiàn)物體的形象和運(yùn)動(dòng)。但是，由于物理方程計(jì)算的復(fù)雜性，基于物理的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)總是存在耗時(shí)嚴(yán)重的問(wèn)題，滿足不了許多對(duì)時(shí)間要求較高的圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的要求。本文以基于物理的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)作為研究目標(biāo)，試圖在物理模擬的真實(shí)感和效率之間尋求一個(gè)良好的平衡點(diǎn)，

2、從而滿足計(jì)算機(jī)游戲領(lǐng)域的需求。 本文對(duì)這一課題的研究主要集中在以下兩個(gè)方面： 第一，提出了一種基于物理模型的布料動(dòng)畫(huà)仿真方法。本文通過(guò)分析真實(shí)布料的物理機(jī)械原理，在質(zhì)點(diǎn)．彈簧模型的基礎(chǔ)上，提出用可變長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)桿代替彈簧的策略來(lái)模擬布料的壓縮和彎曲現(xiàn)象，并且采用穩(wěn)定而快速的Verlet數(shù)值積分法求解布料的運(yùn)動(dòng)方程。與別的方法相比，本文的方法更加逼真的表現(xiàn)了布料的柔軟特性。另外，在處理布料與周圍物體碰撞時(shí)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)效果，

3、本文針對(duì)發(fā)生碰撞的具體對(duì)象設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單易行的碰撞檢測(cè)方法，并且采用效率較高的投射法來(lái)處理碰撞；同時(shí)針對(duì)布料的自碰撞，介紹了一種有效避免布料發(fā)生自碰撞的方法以及相應(yīng)的加速處理方法。最后，在GPU上加速實(shí)現(xiàn)了布料模擬算法，利用最新的頂點(diǎn)紋理拾取技術(shù)建立布料的幾何模型，并利用GPU的通用計(jì)算能力進(jìn)行數(shù)值積分，大大提高了系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)證明，本文實(shí)現(xiàn)的布料動(dòng)畫(huà)模擬系統(tǒng)是穩(wěn)定而快速的，它兼顧了系統(tǒng)對(duì)真實(shí)感和實(shí)時(shí)性兩方面的要求。 第二，研究基

4、于物理的水流動(dòng)畫(huà)技術(shù)。本文通過(guò)利用最新圖形硬件的通用計(jì)算能力加速求解二維波動(dòng)方程，從而獲得水流表面的高度圖，然后利用最新的頂點(diǎn)紋理拾取技術(shù)，得到水流的幾何模型，這種技術(shù)避免了CPU和GPU之間相互傳輸數(shù)據(jù)，大大加快了水流模擬的速度。此外，為了更加逼真的模擬水流動(dòng)畫(huà)，本文還實(shí)現(xiàn)了幾種增強(qiáng)水面真實(shí)感的技術(shù)：根據(jù)不同視點(diǎn)下的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)生成水面的折射和反射紋理，然后直接從pBuffer中讀入紋理數(shù)據(jù)，利用Fresnel反射系數(shù)模擬水面的折射和反射