大规模场景中刚体破坏实时模拟研究与实现

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计算机图形学作为数字媒体技术的核心,随着近年来计算机硬件性能的提升和虚拟现实领域的强大需求,日趋成为了工程界、学术界关注的热点领域。数字游戏、影视动画等领域的快速发展,对高真实感、沉浸感计算机动画的需求也日益增大,同时要求计算机动画能够模拟诸多更加复杂的物理现象。使用计算机来模拟现实世界中纷繁复杂的物理现象一直以来都是计算机图形学领域的研究热点,而诸多产业界对计算机动画的需求也与日俱增,其中尤以电子游戏产业最为突出。实时刚体的破坏现象模拟在图形学的研究以及虚拟现实的应用中扮演着重要的角色。然而由于刚体破碎现象的高自由度、复杂的物理规律,为模拟破坏现象带来一定的难度。刚体破碎的现象具有较大的自由度,若采用传统的,使用一个固定过程来对破坏现象描述,将需要庞大的数据量,且无法实现破坏的交互。而由于破碎现象复杂的物理规律,在采用基于物理的方法进行模拟时,要到达精确、逼真的模拟效果,常常需要以牺牲实时性为代价,因而如何解决真实性与实时性之间的矛盾一直是图形学领域长期探讨的问题。本文以研究实时刚体断裂为目标,在基于物理模拟的思想上进行了如下工作:第一,对已有多种模拟破坏的算法进行了全面和深入的分析,总结各种算法已经达到的效果和存在的问题;第二,针对核心问题,提出了基于物理实时模拟刚体碎裂的改进算法;第三,实现了实时刚体破坏算法,将算法的结果进行了比较分析,并对进一步的工作进行展望。本文进行的主要工作和研究成果包括:1、采用四面体逼近实体模型的方法,将可破坏物体建模为使用四面体填充的实体模型,从而实现对连续物体的离散化处理。2、根据线-弹性断裂力学机制,度量物体受力形变之后内部应力场的分布情况,在应力最集中地位置生成断裂面,使用断裂面剖分物体,使得断裂情况更为真实。3、对生成的碎片进行重构,并对表面采取一定的渲染措施,使得碎片的表面更加平滑;使用基于动力学的方法对碎片在断裂之后的运动进行模拟,极大地提高了模拟效率。
摘要第4-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 引言第11-22页
    1.1 课题背景第11页
    1.2 论文研究意义第11-15页
        1.2.1 学术意义第11-12页
        1.2.2 应用前景第12-15页
            1.2.2.1 电子游戏第13-14页
            1.2.2.2 数字影视第14-15页
    1.3 国内外现状第15-17页
        1.3.1 国内外研究现状第15-16页
        1.3.2 国内外应用现状第16-17页
    1.4 本文解决问题第17-21页
        1.4.1 研究目标第17-18页
        1.4.2 研究内容第18-20页
        1.4.3 论文工作及创新特色第20-21页
    1.5 论文组织结构第21-22页
第二章 刚体破坏模拟研究现状第22-37页
    2.1 刚体破坏理论概述第22-24页
        2.1.1 基本概念第22-24页
            2.1.1.1 应力第22-23页
            2.1.1.2 应变第23-24页
        2.1.2 断裂的强度理论第24页
            2.1.2.1 最大拉应力理论第24页
            2.1.2.2 最大拉应变理论第24页
    2.2 破坏物体模拟方法研究第24-34页
        2.2.1 破坏模拟方法第27-34页
            2.2.1.1 弹簧-质子模型第27-29页
            2.2.1.2 基于三维体素的有限元建模第29-34页
            2.2.1.3 点模型建模物体第34页
    2.3 刚体破坏模拟需解决的问题第34-36页
    2.4 本章小结第36-37页
第三章 刚体实时破坏模拟系统架构第37-44页
    3.1 Phusis Engine 系统结构第37-40页
        3.1.1 环境子系统第39页
        3.1.2 碰撞检测子系统第39页
        3.1.3 物体子系统第39-40页
        3.1.4 单步模拟控制子系统及基础控制模块第40页
    3.2 Phusis Engine 整体系统流程第40页
    3.3 可破坏物体模块第40-43页
        3.3.1 可破坏物体类与刚体类的相互关系第41-42页
        3.3.2 可破坏物体类的设计思路第42-43页
    3.4 本章小结第43-44页
第四章 破坏物体的建模第44-55页
    4.1 连续物体形变机制第44-49页
        4.1.1 应变与应变率张量第44-46页
        4.1.2 应力张量第46-48页
        4.1.3 形变能量分析第48-49页
    4.2 连续模型的离散化第49-54页
        4.2.1 离散化的问题分析及解决方法第49-50页
        4.2.2 离散化的具体实现第50-54页
    4.3 本章小结第54-55页
第五章 刚体实时破坏模拟算法设计第55-65页
    5.1 断裂准则第55-59页
        5.1.1 作用力的分解第56-57页
        5.1.2 分离张量的计算第57-58页
        5.1.3 分离后四面体的处理第58-59页
    5.2 断裂扩散以及终止第59-60页
    5.3 网格重构与渲染第60-62页
    5.4 碎片动力学模拟第62-63页
    5.5 本章小结第63-65页
第六章 大规模场景刚体实时破坏模拟效果实现第65-76页
    6.1 可破坏物体模拟系统框架及流程第65-72页
        6.1.1 可破坏物体的主要数据结构第66-70页
        6.1.2 可破坏物体建模第70-71页
        6.1.3 可破坏物体形变计算第71页
        6.1.4 可破坏物体断裂计算第71-72页
        6.1.5 碎片的重构与动力学模拟第72页
    6.2 实验结果与分析第72-75页
        6.2.1 实验结果第72-73页
        6.2.2 结果对比与分析第73-75页
    6.3 本章小结第75-76页
第七章 总结与展望第76-79页
    7.1 工作总结第76-77页
    7.2 未来展望第77-79页
致谢第79-80页
参考文献第80-84页
攻读硕士期间的科研成果第84-85页
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