[发明专利]一种基于约束投影的GPU并行试衣仿真方法

说明书

本发明提供了一种基于约束投影的GPU并行试衣仿真方法，通过Morton码对人体模型并行构建二叉基数树形成BVH，每次碰撞检测时直接用衣物顶点遍历BVH进行测试；衣物仿真利用Galerkin多重网格法加速基于速度求解的Projective Dynamics方法，对衣物顶点采用线性蒙皮坐标对衣物顶点进行自由度扩充，在每一帧迭代的局部求解中，对衣物顶点施加各种几何约束投影，并对与人体碰撞的衣物顶点进行Signorini‑Coulomb约束的投影，进而在不改变全局求解中的系统矩阵的情况下，仅通过局部求解迭代中的约束投影实现对试衣中衣物的碰撞响应与摩擦物理效果的仿真控制。

技术领域

本发明属于计算机图形学领域与物理仿真领域，尤其涉及一种基于约束投影的GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)并行试衣仿真方法。

背景技术

用计算机仿真试衣中的人衣交互具有广泛的应用场景，如虚拟试衣、游戏场景、VR应用等，人衣交互主要涉及到衣物的仿真以及衣物人体碰撞检测与响应两个方面的技术问题，基于物理的方法对该场景进行仿真是目前主流的方法，而该方法的核心就是求解牛顿力学指导下的运动方程。

目前主流的关于衣物的物理仿真的方法主要包含以下两类：

一、基于力学的仿真方法：该方法直接利用牛顿第二定律的相关公式作为系统数值积分求解的目标方程，常见的模型有质点弹簧模型。

二、基于能量优化的仿真方法：该方法通过将隐式欧拉积分重新进行构造，得到一个优化问题，通过求解一个能量最小化问题来得到系统在对应时间步的关于惯性势能和弹性势能之间的稳态位置。基于位置的动力学方法(PBD\XPBD)、基于投影的动力学方法(Projective Dynamics)、基于交替方向乘子的方法(ADMM)等方法都属于该方法的范畴。

衣物和人体的碰撞检测和响应是仿真出合理的试衣效果必不可少的步骤，目前碰撞检测通用的方法是对场景中的物体分别构建BVH(Bounding volume hierarchy，层次包围盒)，然后通过遍历BVH进行碰撞检测。而碰撞响应方法主要包含两类：

一、离散碰撞响应，离散碰撞响应仅仅基于当前的状态，不需要额外的历史信息。距离场方法、相交轮廓最小化方法等方法都属于离散碰撞响应的范畴。

二、连续碰撞响应，连续碰撞响应需要上一时刻无碰撞的历史状态作为输入进行参考。排斥力冲量法、碰撞区法等方法都属于连续碰撞响应的范畴。

目前关于试衣的物理仿真方法的实现，基于CPU(Central Processing Unit，中央处理器)的实现往往远远达不到实时仿真的要求。随着显卡的广泛应用，并行计算的应用普及，为基于GPU的试衣仿真得到实时的仿真结果提供了可能。

对于衣物的物理仿真的方法中，1)基于力学的仿真方法；2)基于能量优化的仿真方法。方法1较为简单，但是在仿真的稳定性以及仿真物理效果的可扩展性较弱；方法2是目前业界采用的方法，可扩展性强，但目前对实时人衣交互中如人衣摩擦、衣物材质等物理效果的仿真探索缺少GPU实现上的扩展。

人衣之间碰撞检测和碰撞响应是人衣交互中限制仿真速度提升的最大瓶颈，在每一个时间步中对变化的人体与衣物重新构建BVH并进行碰撞检测、响应时间开销很大。

发明内容

发明目的：本发明主要针对当前计算机对3D(三维)试衣仿真中对衣物人体之间交互缺乏物理效果仿真的问题，提供一种基于约束投影的GPU并行试衣仿真方法，包括如下步骤：