基于生物物理模型和硬件加速的鱼类运动仿真

摘要

计算机动画与仿真是虚拟现实技术的一个重要领域.在过去几十年里,计算机动画一直是人们研究的热点.在全球的图形学盛会SIGGRAPH上,几乎每年都有计算机动画的论文和专题.从计算机动画的发展过程看,计算机动画可以分为关键帧动画,变形物体动画,过程动画,关节动画,基于物理的动画等.本文所研究的虚拟鱼的目标是在硬件配置较低的微机上运行真实而又流畅的计算机动画.但是使用传统技术和图形学算法创作在虚拟海洋环境中活动的虚拟鱼,是十分复杂而又极其繁琐的,其运算量之巨大,很难在微机上达到实时运行的要求;但如果采用简单的关键帧技术,又无法灵活表现鱼丰富多彩的运动和行为.本文的目的是在动画的质量和实时性两者之间寻求一个较好的平衡点.本文所论述的内容是从鱼的生物物理模型出发,综合构建鱼身体各部分的运动体系,通过将鱼的运动和行为参数化,从而达到完全利用程序对鱼进行控制的目的,使虚拟鱼的运动灵活而且逼真并能与外界环境交互;同时适当地简化运动模型并使用硬件加速技术来满足实时性的要求,使整个程序能够在配置较低的微机上流畅运行.本文绪论部分讨论了计算机动画的研究意义及研究现状,然后研究了本文的理论依据——鱼的生物物理模型;第三章简单介绍了开发本虚拟鱼的Direct3D平台:第四章从整体上分析了虚拟鱼的实现过程;第五章讨论了两个关键的技术:模拟运动函数和硬件加速(HLSL);最后是结论和一点展望.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明

1绪论

1.1研究的理论意义和应用价值

1.2计算机动画研究的进展情况

1.2.1关键帧动画

1.2.2形变物体动画

1.2.3过程动画

1.2.4关节动画和人体动画

1.2.5基于物理模型的动画

1.3本文的主要工作

2鱼的运动模型的研究

2.1鱼游动过程中的受力分析

2.2鱼的运动模式及BCF模式下鱼的运动分类

2.3鱼身体形状、肌肉活动与运动的关系及波动推进理论

2.4鱼运动动画的数学描述

3 Direct3D开发平台简介

3.1 DirectX简介

3.1.1 DirectX出现的意义

3.1.2 DirectX的组件

3.1.3 DirectX的编程接口——组件对象模型(COM)

3.2 Direct3D简介

3.2.1 Direct3D三维渲染管道及其特点

3.2.2硬件抽象层概念的提出

3.2.3 Direct3D与计算机图形学

3.2.4 Direct3D 设备

3.2.5 Direct3D的资源和状态

3.2.6顶点声明和灵活顶点格式(FVF)

3.2.7固定流水线变换

3.2.8可编程流水线

4虚拟鱼的整体设计和实现

4.1 Direct3D流程

4.1.1创建Windows窗体程序

4.1.2创建Direct3D设备

4.1.3初始化三维物体模型

4.1.4世界坐标，视点坐标和投影坐标变换

4.1.5渲染三维物体

4.1.6接口对象清除

4.2虚拟鱼实时性的实现

4.2.1鱼模型的简化

4.2.2平衡不同系统间实时性的差异

4.3虚拟鱼对象的建立

4.3.1虚拟鱼的整体架构

4.3.2鱼抽象基类的建立

4.3.3不同鱼类对象的建立和组织

4.3.4鱼的运动和行为的分离

4.4虚拟鱼的运动控制

4.4.1虚拟鱼的坐标变换控制

4.4.2虚拟鱼的正常运动

4.4.3虚拟鱼的随机运动

4.5虚拟鱼的交互

4.5.1虚拟鱼之间的碰撞检测与规避

4.5.2鼠标点击和虚拟鱼的交互

5运动模拟和硬件加速实现机制

5.1鱼模型的分离构建

5.1.1模型的分块构造与重组

5.1.2模型分块的技术实现

5.2模拟运动函数的建立

5.2.1运动过程的分析和描述

5.2.2运动函数的定义

5.3硬件加速技术

5.3.1 Vertex Shader简介

5.3.2 HLSL简介

5.3.3 Effects对HLSL的封装和整合

5.3.4虚拟鱼中硬件加速的运用

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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