基于GPU的布料實時運動仿真研究.pdf

1、柔體仿真技術(shù)是計算機動畫領(lǐng)域中非常重要的研究方向。由于柔體在運動中涉及較多的形變，加上內(nèi)力形狀約束以及與碰撞體的位置約束，因此其實際研究工作比較復雜。其中織物是最具代表的柔性物體。隨著圖形學軟件和硬件技術(shù)不斷的更新?lián)Q代，越來越多的虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域?qū)τ诳椢锓抡娴膶崟r性以及真實感提出了進一步需求。
　　本文結(jié)合有關(guān)布料仿真的經(jīng)典理論，研究出一套穩(wěn)定快速且真實感較強的布料仿真系統(tǒng)。其中主要涉及工作包括：
　　改進傳統(tǒng)的質(zhì)點-彈簧布料模

2、型，采用受限制的彈簧內(nèi)力對布料進行整體形狀約束，通過給布料中的彈簧設置拉伸上限，解決了布料仿真中在強大外力作用下“超彈性”的非真實效果。另外為了解決動力方程的剛性問題，并避免彈簧系數(shù)的顯式選取，其中彈簧內(nèi)力部分并不加入微分方程中，而是作為質(zhì)點位置的后期校正條件。
　　在布料運動微分方程的求解上采用Verlet數(shù)值積分法。由于該積分法并不顯式計算速度項，因此其總體性能穩(wěn)定且快速。在布料碰撞方面，主要實現(xiàn)了布料與幾類簡單幾何體的碰撞檢

3、測。在碰撞響應階段采用更加快捷易用且穩(wěn)定的投射法，直接將存在碰撞的質(zhì)點沿其法線方向移到碰撞體表面以外。由于本系統(tǒng)采用了Verlet積分法，在布料質(zhì)點軌跡的運算上不用顯式計算質(zhì)點速度項。因此在采用投射法處理碰撞響應的過程中不用考慮繁瑣的質(zhì)點速度修正問題，而且還有效避免了“懲罰力法”在響應碰撞過程中容易產(chǎn)生的“慣性力”問題。
　　本論文結(jié)合以上研究工作，實現(xiàn)了一個快速穩(wěn)定的布料仿真系統(tǒng)。其功能包括帶有真實感光照模型的動態(tài)窗簾，隨風飄動

4、的旗子以及布料落在障礙物上的動太過程。但通過實驗測試我們發(fā)現(xiàn)，當布料粒子增加到1000以上或者在場景中增加多個障礙物，整個系統(tǒng)運行就比較緩慢了。
　　為提高布料仿真性能，本系統(tǒng)同時提供了基于GPU加速處理布料仿真的計算方案。GPU中具有多個渲染通道，而且內(nèi)存帶寬性能好，運算速度快。另外由于布料本身具有粒子系統(tǒng)特征，因此適合于做分布的并行運算?；贕PU的布料算法與前述的基于CPU的算法相同，只是數(shù)據(jù)的存儲方式有所變化，這里采用紋理