ISSN 1000-9825 Jo ur nal o f Softw ar e 软 件 学 报 2000, 11( 9): 1228~ 1236
基于物理模型的窗帘运动实时动画
成迟薏
1
石教英
1
徐迎庆
2
沈 向洋
2
1
(浙江大学
CA D& CG
国家重点实验室 杭州 310027)
2
(微软中国研究院 北京 100080)
E-mail: yqx u@ micro so ft. co m
摘要 提出了一个基于物理的窗帘实时动 画模型 .该模型不仅大大地减少了绘制的时间 ,而且保证了画面的视觉
效果 .通过把描述非 刚体运动的半刚性杆 相互连接来得到窗 帘的模型 .在该模型中 ,首先在经线和纬线 的方向上
分别进行处理 ,然后再把它们组合起来 ,从而得到窗 帘的模型 .
关键词 基于物理的建模 ,窗帘 ,计算机动画 ,虚拟现实 ,碰撞检测 ,半刚体 ,电子商务 .
中图法分类号
T P
391
在人们的生活中 ,织物无处不在 ,时时可见 .如何在计算机上有效和逼真地 模拟织物的运动一直 是计算机图形
学研究中的一个富有挑战性的课题 .此外 ,日益发展的计算机辅助设 计及电子商务系统 也要求有快速、逼真的织物
模拟算法 ,以帮助设计师利用计算机来高效地设计和生产 ,并把 这些产品放到 Internet 上 ,使网上选 购织物真正成
为可能
[1]
.
传统
CAD
系统采用刚性模型 ,能精确 模拟机械零件的 运动 ,刚性物体的 模拟技术已经非常成 熟 .但这种刚性
模型对织物并不合适 .作为一种柔性体 ,在外 力作用下 ,织物会产生很大 的形变 ,不同的材 料、制造 方法 ,乃至不同
的裁剪、缝制方法的衣料的形变各不相同 .科学家和研究人员做了大 量的实验和研究 ,获得了织物在 外力作用下形
变的精确物理参数 ,并试图开发一些模型来描述这 些形变 ,但由于织 物的内在特性 ,这些模型并未 得到广泛应用.
其主要的困难有 3个: ( 1) 织物本身的物理机械性能非常复杂 ,其材料的多样性、结构的复杂性、形状的不规则性以
及个性化产品所产生的密度分布不均匀性等 ,都给织物的动态模拟带来很大的困难 ; ( 2) 虽然大量的实验给出了 精
确的织物形变参数 ,但不同方向、不同性质的力涉及不同的 形变规则 .如何对 这些参数进行总结分 类 ,采用一种简
化模型概括所有的形变规则 ,是一个难 点.现有 的模型大都 比较复杂 ,即便是 在高性能 的工作站上 ,计算一帧图像
也需要数秒乃至数天时间 ,这显然无法满足实时绘制的需要 ; ( 3) 碰撞检测是动画中的经典问题 .在织物模拟中 ,织
物一般表示为一张网格曲面 ,由于它是一个柔性体 ,曲面的不同部分具有不同的运 动 ,彼此没有严格的约束 ,因此 ,
除了检测织物与周围物体的相交之外 ,还必须检测织物 不同部分之间的相交 ,即自碰撞问题 .碰撞检测和自碰撞检
测必须进行大量的几何运算 ,成为系统的瓶颈之一 .
由于以上原因 ,虽然 研究人员在这方面 开展了很 多工作 ,但至今使用计算机对 织物进行模 拟的技术 仍未获得
广泛应用 .
W eil
[2]
最早采用余弦曲线及其几何变换模拟悬垂织物 .之后 ,
Hinds
等人
[3, 4 ]
、
N g
等人
[5]
采用纯几何变换
模拟特殊情况下织物的变形 . Hadap等人
[6]
采用纹理与几何相结合的方法模拟衣服上的褶皱 .
纯几何方法需要用户的干预 ,并仅 能适用于一 些特殊情况 ,因此 ,大多数 织物模拟系统都是基 于物理的 建模 ,
或将物理建模与几何方法结合起来 .基于物理的建 模通过引入 质量、力、能量等物理量 ,将织物各个部分的运动看
成是各种力的作用下质点运动的结果 . T er zo po ulo s等人
[7, 8]
把柔性物体的变形描述成柔性物体内部组织抵抗形变
作者成迟薏 ,女 , 1976年生 ,硕士生 ,主要研 究领域为虚拟现实 ,计算机图形学. 石教英 , 1937年生 ,教授 ,博士生导师 ,主要研究领域为系
统结构 ,计算机图形学 ,分布式虚拟现实,多媒体 . 徐迎庆 ,博士 ,研究员 ,主要研究领域为计算机图形 ,基于物理的模拟和动画 ,基于图像的模型、纹理
生成和处理等 .沈向洋 ,博士 ,高级研究员 ,主要研究领域为计算机视觉,计算机图形学 ,机器人 ,虚拟环境模型设计 .
本文通讯联系人: 徐迎庆 ,北京 100080,北京市海淀区知春路 49号北京希格玛大厦五层 ,微软中国研究院
本文 2000-02-28收到原稿, 2000-04-24收到修改稿
DOI : 10. 13328 /j . cnki . jos . 2000. 09. 013