[发明专利]实时可交互的高精度绳缆仿真方法及系统

说明书

一种实时可交互的高精度绳缆仿真方法及系统，包括初始化阶段和仿真阶段，初始化阶段根据待仿真绳缆的初始状态，将连续的绳缆离散处理并存储后设定仿真参数；仿真阶段采用改进后的投影力学算法，根据基于Cosserat绳杆模型推导出的运动约束，使用矩阵分解和缓存加速，在实时性的基础上输出绳缆每个逻辑帧的运动状态，实现绳缆仿真的物理精度增强。本发明基于改进投影力学算法，将朝向和角速度加入原有投影力学框架，并利用矩阵分解和缓存加速，能够实时模拟各种材料的绳缆受力、碰撞后的运行状态，且能够保证达到与商用有限元软件离线模拟相近的精度，提高在实时可交互应用中模拟绳缆拉伸、剪切、弯曲、扭转现象的真实性。

技术领域

本发明涉及的是一种材料科学领域的技术，具体是一种实时可交互且平均误差低于百分 之三的绳缆仿真方法及系统。

背景技术

绳缆是生活中最常见的设备之一。使用计算机模拟绳缆运动状态一直颇受人们关注。相 关技术中，对绳缆具有较高物理精度的仿真算法和技术已取得一系列进展，例如商业软件 Abaqus采用有限元法(FEM)等。这类经典算法的共有特征是基于力推导出运动方程，并采用有 限元法(FEM)或有限差分法(FDM)求解这些非线性的偏微分方程，通常能获得物理准确的结果。 但这类基于力的方法主要缺点在于求解刚性微分方程的计算效率很低，无法达到实时。

一些注重图形领域实时互动应用的研究，为降低计算开销，提出一些牺牲物理精度以换 去更高性能的快速模拟方法，例如基于位置的动力学方法(PBD)。该类方法常用于游戏等实时 图形应用中模拟绳缆，具有较高的计算效率，但缺点在于参数物理意义不明确，物理精度有待 提高。因此在算力资源较少的PC设备上，进行高物理精度的实时绳缆物理仿真，仍具有一定 的挑战。

发明内容

本发明针对现有实时图形应用中绳缆仿真物理精度不够高的问题，提出一种实时可交互 的高精度绳缆仿真方法及系统，基于改进投影力学算法，将朝向和角速度加入原有投影力学框 架，并利用矩阵分解和缓存加速，能够实时模拟各种材料的绳缆受力、碰撞后的运行状态，且 能够保证达到与商用有限元软件离线模拟相近的精度，提高在实时可交互应用中模拟绳缆拉伸、 剪切、弯曲、扭转现象的真实性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种实时可交互的高精度绳缆仿真方法，包括初始化阶段和仿真阶段，其中： 初始化阶段根据待仿真绳缆的初始状态，将连续的绳缆离散处理并存储后设定仿真参数；仿真 阶段采用改进后的投影力学算法，根据基于Cosserat绳杆模型推导出的运动约束，使用矩阵分 解和缓存加速，在实时性的基础上输出绳缆每个逻辑帧的运动状态，实现绳缆仿真的物理精度 增强。

本发明涉及一种实现上述方法的实时可交互的绳缆仿真系统，包括：交互模块、仿真模 块、渲染模块、输入设备和显示设备，其中：交互模块实时获取用户的输入，并以输入为依据 变更绳缆的运动状态或者整个虚拟场景中的其他对象；仿真模块根据绳缆仿真方法，实时仿真 绳缆的运动状态；渲染模块根据绳缆运动状态和参数，在虚拟场景中实时还原绳缆的几何模型 并输出渲染画面；输入设备用于接收用户输入；显示设备输出渲染后的绳缆运动动画。

技术效果

本发明通过改进的投影力学算法，将影响绳缆运动表现的约束拆分为基于Cosserat模型 推导出的势能约束和碰撞、动画等动态生成的约束，并将投影力学求解势能约束中的性能瓶颈 ——求解高维线性方程组，泛化为求解稀疏矩阵与向量积的问题，得益于上述拆分后稀疏矩阵 保持不变，可以通过分解稀疏矩阵并缓存分解结果，极大地加速求解过程，从而达到实时性； 使用基于位置的动力学算法求解剩余约束。技术效果为，得到与接近商业有限元软件非实时仿 真相近的精度，平均误差低于百分之三，而性能提升一个量级，从而满足实时性；与游戏等实 时图形应用中常用的模拟方法相比，准确度极大提高，且参数、权重等具备真实物理意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明初始化过程流程图；