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

[關(guān)鍵詞] 布料 仿真 碰撞檢測(cè)

當(dāng)前，基于計(jì)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(jì)系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出交互性差、可視性差的諸多問(wèn)題。一種既能滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)且又能滿足個(gè)性需求、真實(shí)表達(dá)人們對(duì)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(lái)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(jì)工具，能夠幫助設(shè)計(jì)師在電腦上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)意，實(shí)時(shí)交互式的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該能夠使設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)初始就可以見(jiàn)到虛擬布料的真實(shí)效果，逼真模擬出有質(zhì)感，花色與動(dòng)態(tài)效果。因此，如何利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算幾何以及計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)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(cè)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(duì)布料碰撞檢測(cè)與響應(yīng)方法進(jìn)行研究概述。

一、布料碰撞檢測(cè)研究現(xiàn)狀分析

在布料的動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中，碰撞問(wèn)題是一個(gè)不容回避的問(wèn)題，如果不能及時(shí)地進(jìn)行碰撞檢測(cè)，就會(huì)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(cè)是影響柔性布料仿真速度的重要因素，它所占用的時(shí)間通常會(huì)占到總時(shí)間的40%左右。由此可見(jiàn)，碰撞問(wèn)題解決的優(yōu)劣直接關(guān)系到柔性布料仿真的實(shí)時(shí)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(shù)的碰撞檢測(cè)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(dòng)后包圍盒樹(shù)的更新以及通過(guò)一種自底向上的方法解決軟體對(duì)象變形后包圍盒樹(shù)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(cè)， 而且能有效地解決剛體與軟體間的碰撞檢測(cè)。

2002年8月，為了加速檢測(cè)過(guò)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(lái)加速碰撞檢測(cè)。

2002年11月顧爾丹等人提出了一種面-面碰撞檢測(cè)算法的服裝動(dòng)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(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的瓶頸——服裝和人體的碰撞問(wèn)題， 提出一種碰撞檢測(cè)算法。

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

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(shí)使網(wǎng)格自動(dòng)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(shí)，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(cè)方法。此方法將粒子群優(yōu)化算法和隨機(jī)碰撞檢測(cè)相結(jié)合，通過(guò)在物體特征域內(nèi)采樣把三維物體空間內(nèi)碰撞檢測(cè)問(wèn)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(cè)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(cè)的基本算法和碰撞檢測(cè)領(lǐng)域中經(jīng)常用到的幾大類碰撞檢測(cè)算法：包圍盒層次法、距離跟蹤法和空間剖分法，對(duì)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(duì)常用檢測(cè)算法的檢測(cè)效率進(jìn)行了分析和比較。然后重點(diǎn)針對(duì)復(fù)雜虛擬場(chǎng)景中含有大量物體的特點(diǎn)，提出了混合包圍盒碰撞檢測(cè)算法。該算法利用幀與幀之間的時(shí)間和幾何相關(guān)性，把對(duì)(c2n+m)個(gè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)跟蹤轉(zhuǎn)化為它們?cè)谌齻€(gè)坐標(biāo)軸上的投影的排序問(wèn)題，把時(shí)間復(fù)雜度由O(n2)降低為O(n)。理論分析和仿真計(jì)算都表明，該算法能夠滿足多達(dá)幾百個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)時(shí)交互碰撞檢測(cè)。

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(shí)進(jìn)行深度比較，以實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)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(shí)間固定，具有較高的實(shí)時(shí)性。

二、總結(jié)

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外目前急需一種易實(shí)現(xiàn)的碰撞檢測(cè)綜合方法，這也是我們今后很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

焦新伏:柔性織物動(dòng)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