基于GPU加速的實時虛擬魚系統(tǒng).pdf

1、逼真地在計算機上實時模擬魚類的運動一直是圖形學領(lǐng)域的一個研究熱點，尤其是游戲、電影特效及電子娛樂產(chǎn)品的強力需求推動著這一方向的研究。人們不僅需要形象的真實感，也需要運動的真實感和實時性。而真實的魚類運動是一個比較復雜的過程，其復雜度往往使得人們難以用一些簡單過程來表述。如何發(fā)現(xiàn)這些規(guī)律并通過計算機來重現(xiàn)真實魚類的運動成為關(guān)鍵問題。然而一方面圖形領(lǐng)域中對于魚類運動缺乏比較合適的描述和建模，另一方面物理計算的復雜性往往帶來性能的嚴重損失，滿

2、足不了許多對時間要求較高的應用領(lǐng)域的需求，因此如何在視覺誤差范圍內(nèi)對其計算處理進行加速就顯得尤為重要。本文以在普通PC機上真實而又流暢地模擬魚類運動為研究目標，以圖形處理單元(Graphics Processing Unit，GPU)為工具，通過圖形硬件的加速處理，試圖在保證一定真實感的前提下提高計算效率，從而滿足眾多應用領(lǐng)域的需求。 在計算機仿真動畫系統(tǒng)中，運動模擬、碰撞檢測和紋理處理是三個關(guān)鍵的技術(shù)。本文以虛擬魚系統(tǒng)為實驗平

3、臺，對上述技術(shù)進行了研究。研究工作著重集中在以下三方面： 1．研究基于物理的計算機動畫技術(shù)，設(shè)計了基于通用運動模型和GPU加速軸變形的魚類運動模擬方法，實現(xiàn)了普通PC上魚類運動的實時仿真。 2．研究變形物體的碰撞檢測技術(shù)，提出了基于粒子群優(yōu)化和GPU加速的碰撞檢測算法，提高了變形物體碰撞檢測的速度。 3．研究三維建模中的紋理處理方法和顏色傳遞算法，提出了一種基于GPU加速的快速顏色傳遞算法，并使用該算法較方便地生

4、成豐富多彩的魚類皮膚紋理。 本文的主要貢獻和創(chuàng)新點在于如下工作： (1)針對傳統(tǒng)魚類運動仿真方法通用性差，處理網(wǎng)格模型時計算量大，很難在普通PC機上實時模擬的問題，設(shè)計了基于通用運動模型和GPU加速軸變形的魚類運動模擬方法。首先在生物力學分析的基礎(chǔ)上，對魚的運動進行模塊化分解和參數(shù)化處理，設(shè)計了通用魚類運動模型。然后，提出基于GPU加速的網(wǎng)格模型軸變形動畫方法，并使用通用運動函數(shù)進行軸線變形。與現(xiàn)有的魚類運動仿真方法相比

5、，該方法具有較好的擴展性，可以方便地模擬不同種類魚的運動，同時提高了網(wǎng)格模型運動處理的計算速度，實現(xiàn)了在普通PC上魚類運動的實時模擬。 (2)針對變形物體碰撞檢測方法計算復雜度高，實時性差的問題，提出了一種基于粒子群優(yōu)化和GPU加速的變形物體碰撞檢測算法。首先實現(xiàn)了基于GPU加速的并行粒子群算法(GPUPSO)，通過GPU提高并行粒子群算法的運算速度。然后把空間物體間距離計算轉(zhuǎn)化為兩組離散三角面片中最近三角面片對的尋優(yōu)問題，并使

6、用GPUPSO 算法對其進行求解。與傳統(tǒng)層次包圍盒檢測方法相比，該算法速度快，準確性較好，同時可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)來平衡碰撞檢測速度和精度之間的關(guān)系。 (3)針對傳統(tǒng)的魚類皮膚紋理處理方法中手工工作量大，自動化程度低，無法適應魚類皮膚色彩變化的問題，提出了應用快速顏色傳遞算法的魚類皮膚紋理生成方法。首先實現(xiàn)了基于GPU加速的圖像顏色傳遞算法，通過GPU提高顏色傳遞算法處理速度。然后將該方法引入到魚類皮膚紋理的生成過程中，采取固定紋理