刚体破碎特效模拟方法的研究

摘要

进入21世纪以来，虚拟现实技术的高速发展覆盖了例如影视、游戏、军事仿真、工程模拟等诸多领域，为了能够模拟真实世界各种复杂的物理现象，计算机图形学的一直是计算机领域的研究热点，而刚体模型的破碎特效的真实性和浸入感又在虚拟现实的应用环节中起着举足轻重的作用。本文以研究实时破碎为目标，针对刚体类模型，全面分析现有方法的效果和存在的问题。针对基于物理的方法中存在的计算结果不可控，实时性不足，无法应用于游戏行业等缺点。在基于几何建模方法的基础上进行了以下工作并取得了以下成果:
　　(1)研究并分析了基于几何和基于物理两种典型的破碎方法，并且总结了其优缺点、应用领域、实现流程、关键技术和最终效果。
　　(2)将Voronoi算法应用到刚体破碎模拟。在2维平面内，利用2DVoronoi分治算法在平面约束边界内生成了2D Voronoi裂纹。其具体过程包括插入种子点，对种子点进行迭代分组，生成Voronoi图并融合Voronoi图等步骤。在3维空间内，利用3D Voronoi Flip-Based增量算法将模型分割成3D Voronoi碎块。
　　(3)利用Havok物理引擎提供的相关接口，设计了一种基于几何建模方法的基本框架。本文以岩石类地质模型为例，具体介绍了破碎模拟方法的实现流程。该框架由模型预处理和物理仿真两部分组成。在模型预处理阶段，先将模型划分成碎块，然后在碎块之间建立可断裂线性约束力。在物理仿真阶段，当物体表面受到撞击，通过执行碰撞检测和碰撞响应，求其约束力是否到达极限从而判断是否发生断裂。该方法在满足实时性的基础上，提高了碎片的真实性。
　　(4)通过分析地质模型、石膏模型和多模型场景的破碎效果，验证了该算法的真实性和实时性。模型产生的碎片逼真，刚体动力学属性良好。实验结果表明:破碎方法具有良好的通用性，可应用于岩石、砖块、石膏等材料。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状及趋势

1．3 存在的问题

1．4 研究内容及刨新点

第二章 模拟方法分析与设计

2．1 刚体破碎特效设计方案

2．2 基于物理的建模方法

2．2．1 模型应力应变分析

2．2．2 作用力的分解

2．2．3 分离张量的计算

2．2．4 局部网格重构

2．3 基于几何的建模方法

2．3．1 分割模型

2．3．2 建立约束

2．3．3 设置参数

2．4 物理仿真

2．4．1 碰撞检测

2．4．2 碰撞响应

2．5 本章小结

第三章 Voronoi算法分析与实现

3．1 2D Voronoi分治算法

3．1．1 2D Voronoi分治算法描述

3．1．2 数据结构

3．1．3 2D Voronoi分治算法实现

3．1．4 2D Voronoi分治算法实例验证

3．2 3D Voronoi Flip-based增量算法

3．2．1 判断点的位置

3．2．2 几种典型的转化方式

3．2．3 Flip-based增量算法流程

3．2．4 3D Voronoi图和模型求交

3．3 本章小结

第四章 基于Havok的几何建模破碎模拟

4．1 Havok物理引擎

4．2 设计框架

4．3 破碎模型预处理

4．3．1 建立模型

4．3．2 3D Voronoi图的模型预处理

4．3．3 建立刚体

4．3．4 建立约束

4．3．5 生成模型

4．4 Havok环境物理仿真

4．4．1 模型导入

4．4．2 建立物理世界

4．4．3 建立外力触发

4．4．4 多级碰撞检测系统

4．4．5 碰撞响应

4．5 本章小结

第五章 应用实例分析

5．1 单模型破碎效果

5．1．1 地质模型应用

5．1．2 石膏模型应用

5．2 多模型破碎效果

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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