基于圖形硬件的織物動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬研究.pdf

1、織物動(dòng)態(tài)模擬在角色動(dòng)畫(huà)、路徑規(guī)劃、三維游戲、醫(yī)學(xué)手術(shù)以及人機(jī)交互等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。大量應(yīng)用表明,實(shí)現(xiàn)織物動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬的關(guān)鍵在于加速物理模擬過(guò)程和碰撞檢測(cè)過(guò)程。然而,基于CPU的算法改進(jìn)加速程度有限,很難達(dá)到實(shí)時(shí)。隨著圖形硬件的飛速發(fā)展,基于GPU的并行算法設(shè)計(jì)成為圖形學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文工作正是基于GPU的特性,研究并提出織物模擬和自碰撞檢測(cè)的并行算法,進(jìn)而在GPU平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了織物動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)。
　　 在織物模擬算

2、法中,采用彈簧-質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)織物建模,并通過(guò)顯式歐拉迭代更新質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)。算法定義每個(gè)線程計(jì)算一個(gè)質(zhì)點(diǎn),線程與質(zhì)點(diǎn)——對(duì)應(yīng)并行計(jì)算。由于模型結(jié)構(gòu)中每個(gè)彈簧連接兩個(gè)質(zhì)點(diǎn),為了避免每根彈簧被計(jì)算兩遍,我們?cè)O(shè)計(jì)了彈簧力矩陣。另外,模型中邊界質(zhì)點(diǎn)和非邊界質(zhì)連接彈簧的個(gè)數(shù)并不相同,我們利用權(quán)值矩陣統(tǒng)一了所有質(zhì)點(diǎn)的計(jì)算公式,使其更加符合GPU高并行、低判斷的特性。
　　 針對(duì)碰撞檢測(cè)問(wèn)題,本文提出了一種基于質(zhì)點(diǎn)的并行自碰撞檢測(cè)算法。算法以質(zhì)點(diǎn)而非

3、三角形作為自碰撞檢測(cè)的基本單元,用球體包圍以質(zhì)點(diǎn)為中心的局部區(qū)域,再用AABB包圍球體的運(yùn)動(dòng)軌跡,在GPU上進(jìn)行包圍盒的相交測(cè)試。為了平衡每個(gè)線程的計(jì)算量,文中設(shè)計(jì)了平攤算法,使每個(gè)線程進(jìn)行相同數(shù)量的相交測(cè)試。本文的檢測(cè)算法只需通過(guò)一遍“渲染”即可完成自碰撞檢測(cè):線程在進(jìn)行相交測(cè)試時(shí),僅保存計(jì)算所得的第一次碰撞信息,而不需要計(jì)算出所有的碰撞對(duì)。在一遍“渲染”后,每個(gè)線程都得到了當(dāng)前圖元第一次發(fā)生碰撞的時(shí)間和對(duì)象信息,進(jìn)而輸出結(jié)果到碰撞響