布料虛擬商品碰撞檢測研究概述

[摘 要] 本文對虛擬環(huán)境中布料這樣一種虛擬商品的碰撞檢測研究給與了全方位分析。

[關(guān)鍵詞] 布料 仿真 碰撞檢測

當(dāng)前，基于計算機(jī)二維圖形學(xué)技術(shù)的CAD系統(tǒng)研發(fā)已經(jīng)基本成熟，在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)被廣泛采用。但這種平面式的設(shè)計系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出交互性差、可視性差的諸多問題。一種既能滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)且又能滿足個性需求、真實(shí)表達(dá)人們對空間思維的回歸、展示出服裝與人體相互依存關(guān)系的技術(shù)，越來越受到關(guān)注。服裝行業(yè)要求一種更便捷、靈活、直觀的設(shè)計工具，能夠幫助設(shè)計師在電腦上實(shí)現(xiàn)設(shè)計創(chuàng)意，實(shí)時交互式的設(shè)計系統(tǒng)。這個系統(tǒng)應(yīng)該能夠使設(shè)計師在設(shè)計初始就可以見到虛擬布料的真實(shí)效果，逼真模擬出有質(zhì)感，花色與動態(tài)效果。因此，如何利用計算機(jī)圖形學(xué)，計算幾何以及計算機(jī)動畫等領(lǐng)域最新的科研成果，建立基于布料的3D模型和碰撞檢測與響應(yīng)方法是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。建立基于布料的3D模型研究已經(jīng)是比較成熟的領(lǐng)域，本文主要對布料碰撞檢測與響應(yīng)方法進(jìn)行研究概述。

一、布料碰撞檢測研究現(xiàn)狀分析

在布料的動態(tài)仿真過程中，碰撞問題是一個不容回避的問題，如果不能及時地進(jìn)行碰撞檢測，就會出現(xiàn)物體之間相互穿透和彼此重疊等不真實(shí)的現(xiàn)象。碰撞檢測是影響柔性布料仿真速度的重要因素，它所占用的時間通常會占到總時間的40%左右。由此可見，碰撞問題解決的優(yōu)劣直接關(guān)系到柔性布料仿真的實(shí)時性和精確性。

2001年8月魏迎梅等人中給出了一種基于固定方向凸包包圍盒樹的碰撞檢測方法， 并著重論述了利用線性規(guī)劃的思想以解決剛體自由運(yùn)動后包圍盒樹的更新以及通過一種自底向上的方法解決軟體對象變形后包圍盒樹的更新。實(shí)驗(yàn)表明， 該方法不僅能較好地解決剛體間的碰撞檢測， 而且能有效地解決剛體與軟體間的碰撞檢測。

2002年8月，為了加速檢測過程， Robert Bridson等人采用軸向?qū)哟伟鼑屑夹g(shù);Choi等人的算法則采用基于體素的算法來加速碰撞檢測。

2002年11月顧爾丹等人提出了一種面-面碰撞檢測算法的服裝動態(tài)模擬方法。其中考慮了布料的非理想彈性屬性和變化的空氣流作用力， 并針對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的瓶頸——服裝和人體的碰撞問題， 提出一種碰撞檢測算法。

2004年8月，Pascal Volino等人使用多邊形網(wǎng)格層次的方法對包括布料的柔性物體進(jìn)行了高效檢測。

2006年2月張明等人提出一種粒子系統(tǒng)，能在任何需要正確模擬碰撞的地方自適應(yīng)的生成新粒子。當(dāng)粗糙網(wǎng)格與物體發(fā)生碰撞時使網(wǎng)格自動細(xì)化。因此這種模型與一般的粒子系統(tǒng)相比，只需要少量的粒子就能獲得精確的物理仿真效果。同時，使用粗糙網(wǎng)格進(jìn)行快速仿真成為可能。

2006年8月，李文輝等提出了一種面向可變形物體快速的碰撞檢測方法。此方法將粒子群優(yōu)化算法和隨機(jī)碰撞檢測相結(jié)合，通過在物體特征域內(nèi)采樣把三維物體空間內(nèi)碰撞檢測問題轉(zhuǎn)換到二維離散搜索空間中解決。這不但可以控制算法的運(yùn)行速度和檢測質(zhì)量，更重要的是增加了算法適應(yīng)性:輸入的可以是不具有拓?fù)湫畔⒌娜我馕矬w模型。同年，周云波等人的文章講述了碰撞檢測的基本算法和碰撞檢測領(lǐng)域中經(jīng)常用到的幾大類碰撞檢測算法：包圍盒層次法、距離跟蹤法和空間剖分法，對包圍盒層次法中的AABB、包圍球、OBB、k-dop算法，距離跟蹤法中的Lin-Canny 算法、Enhanced GJK算法進(jìn)行了分析。

2006年12月馬登武等人首先對常用檢測算法的檢測效率進(jìn)行了分析和比較。然后重點(diǎn)針對復(fù)雜虛擬場景中含有大量物體的特點(diǎn)，提出了混合包圍盒碰撞檢測算法。該算法利用幀與幀之間的時間和幾何相關(guān)性，把對(c2n+m)個對象的動態(tài)跟蹤轉(zhuǎn)化為它們在三個坐標(biāo)軸上的投影的排序問題，把時間復(fù)雜度由O(n2)降低為O(n)。理論分析和仿真計算都表明，該算法能夠滿足多達(dá)幾百個運(yùn)動物體的實(shí)時交互碰撞檢測。

2007年1月王季等人結(jié)合層次包圍盒和基于圖形硬件的方法，以帶深度紋理的包圍盒替代物體的幾何模型，利用圖形硬件在紋理映射時進(jìn)行深度比較，以實(shí)現(xiàn)碰撞檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與CULL IDE 算法相比，文中算法執(zhí)行效率更高且執(zhí)行時間固定，具有較高的實(shí)時性。

二、總結(jié)

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外目前急需一種易實(shí)現(xiàn)的碰撞檢測綜合方法，這也是我們今后很長一段時間的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

焦新伏:柔性織物動態(tài)仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[D].燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007