[发明专利]一种基于细节编码及重构的物理变形方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实和计算机图形学技术领域，特别是计算机动画中基于物理的物体变形技术。

背景技术

长期以来，物体变形始终是计算机图形学领域的研究热点，现实世界中有许多物体是柔软的、可变形的，因此物体变形的模拟在计算机动画、计算机辅助设计、视频游戏和手术仿真等领域都有着广泛的应用。

在计算机图形学领域，现有的实现物体变形的方法主要分为两类：基于几何的方法和基于物理的方法。基于几何的方法将控制点集的目标位置或微分属性作为约束条件，通过几何运算将物体调整为预想的姿态或形状。如传统的自由变形技术通过操纵控制框架来使物体发生变形，其基本思路是将要变形的物体线形地嵌入控制框架中，并假设物体和控制框架由同一种材料做成，移动控制顶点使控制框架产生变形，物体也随之产生变形。自由变形技术非常直观，算法效率高，但它不能很好地保持物体表面的几何细节。为了更好地解决这个问题，学者们提出了多分辨率网格编辑技术。该技术将原始模型分解为一个模型序列，序列中的每个模型都代表原始模型的一个不同频率下的版本，这样原始模型就可表示为一个基础模型和附加的一系列细节编码。用户可以在较低频率的模型上进行交互，通过重建技术将细节编码在变形后的较低频率的模型上重建，即可获得最终的变形效果。基于微分属性的网格编辑技术是最近两年比较热的网格编辑方法，它将传统的改变物体空间坐标的问题转化为对物体网格局部几何微分属性的操纵。基于此方法，用户只需采用很少的编辑操作即可实现网格的高效编辑，避免多分辨率技术所必需的模型分解工作，并且在变形过程中能较好地保持表面几何细节。总体来说，基于几何的方法往往不依据物理学原理，设计者根据对真实物理世界的直观感觉来改变物体的形状，这使得它虽然计算速度快，但逼真度不高，需要设计者反复调整。

基于物理的方法遵循客观的物理规律对物体进行变形计算，更容易对变形对象进行合理的控制，真实感强，但计算代价高昂，多应用于动画、视频游戏和虚拟手术等领域。目前广泛采用的物理变形方法是将可变形物体视为连续性固体，采用有限元法(finite elementmethod)数值求解其本构方程。有限元法更符合真实的物理规律，然而计算代价高昂，在最新的消费级图形硬件上一般只能实时模拟具有几百个单元的物体变形。Pentland等人(参见A Penland，J Williams.Good vibrations：model dynamics for graphics and animation.In：Procof the 16th annual conference on Computer graphics and interactive techniques.New York：ACM Press，1989，215-222)引入的模态分析法(modal analysis)较大地简化了计算工作量。它利用类似频域分析的思路，通过预计算并存储物体的固有模态，将微分方程组转换为一组互不耦合的方程，实时计算每个模态的模态坐标，利用线性叠加的方法得到结点位移。但方法的缺点是：实时性差，不易保留复杂物体的弹性。

总的来说，基于几何的变形方法计算速度快，较适合实时交互应用，但逼真度不够；基于物理的方法，特别是有限元法逼真度高，但计算代价高昂，在目前的消费级图形硬件上尚无法实时模拟复杂物体的变形。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种实时的、能够保留复杂物体几何细节的基于细节编码及重构的物理变形方法，该方法用户只需简单指定物体的材质参数，即可交互模拟复杂物体的弹性变形过程，在保证物体的变形质量的前提下较好地保持物体表面的几何细节。

本发明采用的技术方案是：一种基于细节编码及重构的物理变形方法，其特点在于：

(1)在预处理阶段，对原始的精细网格模型进行自适应的简化以建立其基网格表示，生成的基网格供运行时物理变形计算使用；

(2)基于基网格对精细网格顶点的位置及法向量进行细节编码；

(3)在运行时阶段，对基网格模型进行物理变形计算；

(4)根据变形后的基网格模型和细节编码重构精细网格模型，最后进行真实感绘制。

本发明的原理：在预处理阶段，本发明使用自适应的网格简化算法对原始的精细网格模型进行简化，从而得到基网格模型。

为了充分保留原始网格模型表面的局部细节特征并在变形后进行恢复，本发明给出了一种细节编码方法，该方法分为顶点位置编码和顶点法向量编码两部分：