隨著人們對游戲、影視動畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等清晰度和真實(shí)感需求的日益提高,傳統(tǒng)的以關(guān)鍵幀為基礎(chǔ)的仿真技術(shù),已經(jīng)無法滿足用戶的視覺需求�；谖锢淼挠�(jì)算機(jī)仿真技術(shù)主要研究如何對真實(shí)世界進(jìn)行有效的模擬,已成為計(jì)算機(jī)仿真研究的熱點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的以關(guān)鍵幀為基礎(chǔ)的仿真技術(shù),基于物理的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅可以提供逼真的視覺特效,同時還能降低制作成本和周期。為了設(shè)計(jì)出豐富的仿真效果,研究者們提出了各種各樣的材料模型設(shè)計(jì)方法。然而現(xiàn)有的材料模型設(shè)計(jì)方法存在仿真效果難以控制,模型參數(shù)過多,以及模型不穩(wěn)定等問題。針對上述問題:1、本文提出一種基于有限元的多個材料軸的非線性材料模型,將材料的應(yīng)變能密度函數(shù)拆分成多個材料軸部分。該模型可以對各向同性和各向異性的非線性材料進(jìn)行統(tǒng)一的建模,并能和真實(shí)的物理材料對應(yīng)上。通過在不同的材料軸方向,設(shè)置不同的應(yīng)變能密度函數(shù),來控制材料軸在不同方向上的特性,符合真實(shí)的物理意義。同時該模型允許設(shè)計(jì)者對各個材料軸上的應(yīng)變能函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)方法非常直觀,參數(shù)較少。2、針對本文的多個材料軸的非線性材料模型,我們提出相應(yīng)的材料軸設(shè)計(jì)方法。通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),材料軸的方向設(shè)置具有對稱性。在半個材料空間里面設(shè)計(jì)材料方向和在整個材料空間里面設(shè)計(jì)材料方向能達(dá)到同樣的效果。不僅減少了材料軸的設(shè)計(jì),更重要的是減少了大量的計(jì)算時間,提高了仿真的時間效率。3、針對仿真過程出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題。本文提出一種應(yīng)變能密度函數(shù)基底設(shè)計(jì)方法。通過使用本文設(shè)計(jì)基底A和B,可有效解決仿真設(shè)計(jì)過程中剛度矩陣不對稱或不正定的問題,進(jìn)而避免仿真過程產(chǎn)生不穩(wěn)定的結(jié)果。最后,本文與基于主拉伸方向的非線性材料模型進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的方法直觀、易于控制、參數(shù)較少,可以有效的模擬各向同性和各向異性材料,并且有著較高的時間效率。同時對比了不同基底函數(shù)的模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用本文提出的基底函數(shù),可以穩(wěn)定的仿真出各種豐富的動態(tài)效果。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB115;TP391.9
【部分圖文】：

圖像著色以及渲染等，所采用的計(jì)算方法涉及幾何學(xué)，光學(xué)和物理學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)�；谖锢淼挠�(jì)算機(jī)仿真技術(shù)（Physically-based Simulation）是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個重要的分支，主要研究如何對真實(shí)世界進(jìn)行有效的模擬。相比于傳統(tǒng)的以關(guān)鍵幀為基礎(chǔ)的仿真計(jì)算，基于物理的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)仿真效果更好和視覺沖擊感更強(qiáng)�；谖锢淼挠�(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，對許多領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，包括影視動畫、游戲領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實(shí)以及廣告圖形設(shè)計(jì)等。(1) 影視動畫領(lǐng)域隨著人們對電影、動漫的清晰度和真實(shí)感需求日益提高，影視制作的成本越來越高，周期越來越長，后期的特效處理已成為影視制作不可或缺的環(huán)節(jié)。以關(guān)鍵幀為基礎(chǔ)的動畫制作，通過提取動畫中較為關(guān)鍵的幀，并用特定的插值方法來生成動畫的仿真技術(shù)，仿真效果比較生硬，已經(jīng)逐漸不能滿足人們的視覺要求了。而基于物理的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，不僅可以提供逼真的視覺特效，同時還能降低了影視的制作成本和周期。在影視動畫的制作過程中，基于物理的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)扮演著非常重要的角色。圖 1-1 展示了流體仿真特效在電影中的應(yīng)用，以及人物仿真在動漫中的應(yīng)用。

在 3D 游戲領(lǐng)域，質(zhì)點(diǎn)彈簧模型算法和粒子法使用較為廣泛。這兩種仿真方法原理簡單，計(jì)算成本低，能夠仿真出一些的動畫特效，但其仿真效果還達(dá)不到真實(shí)的物理效果。近年來，隨著硬件水平，計(jì)算能力的逐步提高，基于物理仿真方法的游戲架構(gòu)，也受到越來越多的人的重視，如 NVIDIA 公司的開發(fā)的 PhysX物理仿真引擎，AMD 公司開發(fā)的跨平臺的 Bullet 物理仿真引擎。這些物理仿真引擎，可以給用戶帶來更加真實(shí)的游戲體驗(yàn)。如圖 1-2 所展示了基于物理仿真的技術(shù)，在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用。

(a) 游戲《絕地求生》 (b) 游戲《俠盜飛車》圖 1-2 基于物理仿真技術(shù)在游戲領(lǐng)域中的應(yīng)用(3) 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）領(lǐng)域基于物理仿真技術(shù)除了應(yīng)用于影視動畫、游戲等領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個非常熱門的方向。通過使用 VR 設(shè)備，結(jié)合物理環(huán)境及道具，生成逼真的圖像，聲音和其他感覺，來模擬虛擬環(huán)境。這種技術(shù)通常應(yīng)用于醫(yī)療，游戲以及軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域。圖 1-3 展示了計(jì)算機(jī)物理仿真技術(shù)在虛擬醫(yī)療和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。虛擬醫(yī)療技術(shù)效果逼真，安全無風(fēng)險，可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)和醫(yī)學(xué)教學(xué)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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2 卓洪升,顧慶天,房昌水;紅外非線性材料ZnGeP_2的研究——(1)多晶料的合成[J];人工晶體學(xué)報;1997年Z1期

3 陳大榮;非線性材料桿件縱向振動漸近解[J];武陵學(xué)刊;1996年03期

4 吳曉,黎大志;非線性材料圓桿的扭轉(zhuǎn)固有振動分析[J];振動與沖擊;2005年03期

5 李海遠(yuǎn);鄭傳超;;路面非線性材料層特性及模量的計(jì)算[J];交通與計(jì)算機(jī);2007年01期

6 費(fèi)逸偉,唐衛(wèi)紅;應(yīng)用于頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的有機(jī)非線性材料MNA的結(jié)構(gòu)與性能研究[J];材料科學(xué)與工程;1998年02期

7 卓洪升,顧慶天,房昌水;紅外非線性材料ZnGeP_2的研究(Ⅰ)——多晶料的合成[J];人工晶體學(xué)報;1999年01期

8 ;美借助非線性材料顯現(xiàn)出隱藏物體圖像 該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、飛行安全等領(lǐng)域[J];光學(xué)儀器;2010年02期

9 王立久,曹明莉;非線性材料受壓全曲線數(shù)學(xué)模型研究[J];建材技術(shù)與應(yīng)用;2003年02期

10 王德強(qiáng),陳瑋,程繼健;玻璃光波導(dǎo)研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2000年01期

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3 張雯;有機(jī)非線性材料的分子設(shè)計(jì)及其尺寸效應(yīng)對光譜影響的研究[D];華中科技大學(xué);2006年

4 施立新;含氮芳香雜環(huán)系列光磁材料的制備及其構(gòu)效研究[D];華僑大學(xué);2005年

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6 劉杉杉;雙核d～（10）過渡金屬（Cu，Ag，Au）炔配合物非線性光學(xué)性質(zhì)的TDDFT-SOS理論研究[D];東北師范大學(xué);2007年

本文編號：2854429