不同材質(zhì)的多形態(tài)布料的實(shí)時(shí)渲染仿真.pdf

1、基于物理的布料模擬和渲染方法在3D圖形學(xué)領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，但由于布料具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)地柔軟等特性，布料的模擬也成為了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一大研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。不同材質(zhì)的布料體現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特征，如何實(shí)時(shí)模擬出不同的布料材質(zhì)以及實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)的布料的運(yùn)動(dòng)特征具有重要的意義。
　　首先，實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)布料的運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵在于使用合適的模型來(lái)構(gòu)建布料的結(jié)構(gòu)。我們使用以三角形為載體的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型進(jìn)行布料建模，在這個(gè)模型中，將布料看作是一個(gè)包括質(zhì)點(diǎn)和彈簧

2、的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每?jī)蓚€(gè)質(zhì)點(diǎn)之間通過(guò)一根彈簧進(jìn)行連接。質(zhì)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，本文使用改進(jìn)后的歐拉積分法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解，在當(dāng)前時(shí)刻與下一個(gè)時(shí)刻中間再進(jìn)行一次速度與位置的計(jì)算，不僅會(huì)減小大時(shí)間步長(zhǎng)下的誤差，還會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　其次，為了模擬不同形態(tài)的布料，本文引入 Perlin噪聲函數(shù)構(gòu)建一個(gè)速度可變的隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)，真實(shí)且實(shí)時(shí)地模擬出布料在不同速度的風(fēng)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)布料與剛體發(fā)生碰撞之后，使用球體包圍盒進(jìn)行碰撞檢測(cè)，

3、根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行碰撞響應(yīng)，使其不發(fā)生穿透現(xiàn)象，實(shí)時(shí)模擬出不同硬度的布料與剛體碰撞后的形態(tài)。
　　再次，為了有效實(shí)時(shí)地模擬出不同材質(zhì)的布料，本文使用一種基于物理的光照模型—BRDF模型與法線貼圖相結(jié)合的方法對(duì)布料的材質(zhì)進(jìn)行渲染。BRDF模型可以很容易地建立出在不同光照環(huán)境下都接近真實(shí)的材質(zhì)來(lái)。其中主要是對(duì)照射到布料上的光線的反射和散射進(jìn)行計(jì)算，反射的計(jì)算為高光的計(jì)算，包括法向分布項(xiàng)、陰影-遮罩項(xiàng)以及菲涅爾反射項(xiàng)；散射的計(jì)算為漫反射計(jì)

4、算。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的獲取不同布料材質(zhì)表面反射數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行分析比較，使用法線貼圖來(lái)獲取布料材質(zhì)表面的法線，不僅不需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的方法，還可以加快材質(zhì)渲染的速度。
　　最后，本文使用Windows系統(tǒng)，在Unity3D4.6引擎平臺(tái)上結(jié)合C＃語(yǔ)言和Shader渲染，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不同材質(zhì)布料的多形態(tài)實(shí)時(shí)渲染仿真系統(tǒng)。本文的方法能夠模擬以質(zhì)點(diǎn)彈簧為布料模型的不同材質(zhì)的布料的多形態(tài)效果，且模擬的細(xì)節(jié)度、真實(shí)感都能得到加強(qiáng)，并且也滿足實(shí)時(shí)性