基于多步法数值解法的布料仿真

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近十几年来,随着计算机技术高速发展,以计算机为工具的三维动画、虚拟现实以及服装CAD得到长足的发展。但这几个领域一直以来都有一个共同的研究难点,那就是布料的计算机仿真。在三维动画和虚拟现实中,随处都可见到有布料覆盖的物体;在服装CAD中更是以布料为主要研究对象。所以布料仿真技术越来越成为图形学领域研究的热点。现有的布料仿真还很难达到实时性的要求,运算效率上还需进一步提高,所以本文提出了一种在保证一定精度的前提下能尽量提高布料仿真实时性的方法。为了逼真模拟布料的各种物理特性,在比较了布料建模的几何方法和物理方法的优缺点的基础上,作者选择了物理建模的一种——质点弹簧模型,此模型考虑了拉伸、剪切、弯曲等力学性能对布料外观的影响,有效提高了模拟的真实感效果。在所建模型基础上分析布料所受内外力,建立运动学方程。计算机求解这些动力方程的效率直接关系到系统仿真的实时性,所以有必要使用一种更快更稳的数值求解方法。作者在比较了现有数值微分方法后选用了多步法中的四步亚当姆斯方法,并采用单步法中的四阶龙格-库塔方法计算起始值。此方法是将原有方法根据布料模拟的实际情况组合使用,各取所长。最后为了验证方法的可行性,编写了布料仿真程序,并在系统中加入了碰撞物体,更充分地展示了仿真布料的动态效果。本文的物理模型和数值微分方法很好地提高了布料仿真系统的实时性与稳定性,使其更具真实感。
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