基于物理的計算機實時動畫研究.pdf

1、近幾十年來，由于影視動畫、虛擬現(xiàn)實和計算機游戲等領域的不斷發(fā)展，基于物理的計算機動畫成為人們研究的熱點方向，它通過探索真實世界中自然現(xiàn)象的物理本質(zhì)，利用計算機為物體建立精確的運動模型，從而更加逼真的表現(xiàn)物體的形象和運動。但是，由于物理方程計算的復雜性，基于物理的計算機動畫總是存在耗時嚴重的問題，滿足不了許多對時間要求較高的圖形學應用領域的要求。本文以基于物理的計算機動畫作為研究目標，試圖在物理模擬的真實感和效率之間尋求一個良好的平衡點，

2、從而滿足計算機游戲領域的需求。 本文對這一課題的研究主要集中在以下兩個方面： 第一，提出了一種基于物理模型的布料動畫仿真方法。本文通過分析真實布料的物理機械原理，在質(zhì)點．彈簧模型的基礎上，提出用可變長度的細長桿代替彈簧的策略來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動方程。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，為了達到實時效果，

3、本文針對發(fā)生碰撞的具體對象設計了簡單易行的碰撞檢測方法，并且采用效率較高的投射法來處理碰撞；同時針對布料的自碰撞，介紹了一種有效避免布料發(fā)生自碰撞的方法以及相應的加速處理方法。最后，在GPU上加速實現(xiàn)了布料模擬算法，利用最新的頂點紋理拾取技術(shù)建立布料的幾何模型，并利用GPU的通用計算能力進行數(shù)值積分，大大提高了系統(tǒng)的性能。實驗證明，本文實現(xiàn)的布料動畫模擬系統(tǒng)是穩(wěn)定而快速的，它兼顧了系統(tǒng)對真實感和實時性兩方面的要求。 第二，研究基

4、于物理的水流動畫技術(shù)。本文通過利用最新圖形硬件的通用計算能力加速求解二維波動方程，從而獲得水流表面的高度圖，然后利用最新的頂點紋理拾取技術(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畫，本文還實現(xiàn)了幾種增強水面真實感的技術(shù)：根據(jù)不同視點下的場景動態(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