[发明专利]一种基于位置的层次化动态模拟方法

说明书

本发明公开了基于位置的层次化动态模拟方法，涉及计算机图形学技术领域，该方法包括：创建一副布料网格，构造网格的特征信息并保存；根据网格的特征信息构造属于该网格的网格层次化系统；对布料模拟环境进行设置；根据基于位置的动态模拟方法PBD，结合网格层次化系统和布料模拟环境进行收敛加速。本发明的方法相对现有技术来说更加简单明了，不但在模拟效果上得到了提升，并且在收敛速度上也有很大提升。

技术领域

本发明涉及计算机图形学技术领域，特别是涉及一种基于位置的层次化动态模拟方法，通过本发明模拟的动态布料或者动画将能更快更高效的达到收敛状态，为图形学动态模拟方面提供了一种高效的解决方案。

背景技术

在计算机动画中，布料动画模拟是重要的研究方向之一，受到了很多研究者的关注。如何让一个平面真实的反应出其自身的连贯性，拉伸性，碰撞性和收到外力的反应成为了研究的重点。目前已有的众多算法在效果、效率以及真实性上的差异性较大，所以研究一个综合性更强，效果更好，效率更高的模拟算法是当前布料模拟的重点研究方向，同时也为后续其他材质的模拟奠定基础。布料动画模拟包括了对于布料建模、数值计算与模拟方法三个方面。

对于布料模拟的建模有以下三种比较典型的方法，第一种就是根据一些经验性的几何方程来表示材质特有的物理特性，其优点是可以高效生成的良好的模拟效果。典型的模型有悬链线模型，纯几何变换形变模拟模型，基于纹理生成皱褶模型与双层几何模型(衣服层、皮肤层)。第二种是基于布料的摩擦、弹性系数等物理特征，通过构造三角网格或矩形网格的结构力学模型和能量状态模型，然后根据动力学方程进行数值求解，优点是可以更加逼真的显示布料。该方法又分为连续体模型和离散体模型，连续体模型典型的有弹性形变模型，线性应变力模型，非线性应变力模型和细分有限元模型。目前对于离散型模型研究最为深入，典型的代表有Breen等提出的粒子模型，Provot等提出的质点-弹簧模型，Kikuuwe R等提出的通用粒子模型。第三种就是综合以上两种方法的优点，即几何模型的高效性和物理模型的逼真性。除了以上几种典型的模型外，LuJia等提出了一种基于NURBS的物理模型，该模型在布料仿真程度上达到了新的高度，但是仍然存在模拟效率低和布料收敛速度慢等问题。

对于数值计算有以下4种典型的求解模型，第一种是显式Eluer积分方法，该方法相较于其他方法算法效率更高；第二种是隐式Eluer积分方法，主要应用于解决刚性材料的模拟；第三种是4阶Runge-Kutta积分框架，该方法的优点是模拟精度高，模拟效果良好，缺点是算法效率较低，不能实时显示结果；第四种是Verlet积分框架，该方法针对几种方法的缺点进行了改进，耗时少且模拟效果精度较高。

在布料模拟的过程中，力学模型中传统的方法是利用牛顿力学方程求解，通过利用加速度与质点质量对动态物体的运动轨迹进行求解，其中存在与真实相差较大的模拟误差，因此基于此方法研究的主要目的是尽可能降低误差，以此提高模拟效果。在传统的计算模型中，大量的计算问题导致了显示模拟结果时出现卡顿和逼真性下降等问题，而基于位置的方法能较好的解决这些问题。