基于GPU加速的PBD仿真算法的研究與實(shí)現(xiàn)
發(fā)布時(shí)間：2021-03-04 22:56
隨著圖形處理器（GPU,Graphics Processing Unit）計(jì)算能力不斷提升,圖形學(xué)中的仿真算法成為研究熱點(diǎn)�；谂ｎD力學(xué)的仿真算法被廣泛應(yīng)用于各類仿真系統(tǒng)中,包括游戲、電影、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。力學(xué)仿真算法求解過(guò)程復(fù)雜,在實(shí)時(shí)交互系統(tǒng)中難以保持穩(wěn)定的幀率,且對(duì)于特殊材質(zhì)模型的仿真存在局限性�；谖恢玫姆抡嫠惴ǎ≒BD,Position Based Dynamics）依據(jù)模型的材質(zhì)屬性定義約束,通過(guò)約束求解直接控制仿真模型,計(jì)算效率高于力學(xué)仿真且易控。將GPU加速技術(shù)運(yùn)用于PBD仿真算法勢(shì)在必行,然而PBD算法存在大量約束依賴,必須強(qiáng)制串行化。本文提出一種全新的GPU加速策略,實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中約束依賴的實(shí)時(shí)拆解,使PBD算法的動(dòng)態(tài)約束能夠被并行化。本文主要內(nèi)容如下:1、針對(duì)柔性體模型,實(shí)現(xiàn)其特定約束的PBD仿真。將有限元法（FEM,Finite ElementMethod）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PBD約束。FEM約束使PBD仿真與力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果相差無(wú)二,且計(jì)算效率高于后者,通過(guò)布料仿真實(shí)驗(yàn)比較各類型約束的差異。2、實(shí)現(xiàn)基于GPU加速技術(shù)的PBD仿真算法,對(duì)PBD算法中的兩種典型的迭代求...
【文章來(lái)源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：67 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
PBD彎曲
…二?ｉ．??圖２．５?Ｆｌｏｗｉｎｇ?Ｃｌｏｆｌｉ實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果圖??圖２．５左圖為距離約束仿真效果，右圖為ＦＥＭ約朿仿真效果。圖２．５屮的測(cè)??試結(jié)果除了迭代解析器中使用的約束不同，其余參數(shù)均保持一致。利用ＦＥＭ約??束的仿真效果在計(jì)算諸如布料這種非密閉的柔性體時(shí)，在過(guò)程中細(xì)分了模型，利??用內(nèi)能約束來(lái)保持柔性體的形態(tài)，相比距離約束的結(jié)果顯得更加柔軟，形變過(guò)程??同樣能夠保持布料本身的物理特征。??實(shí)驗(yàn)記錄整個(gè)仿真過(guò)程中迭代求解約束所使用的平均時(shí)間，分祈兩種約束之??間的差異。本實(shí)驗(yàn)的ＰＢＤ仿真算法使用固定時(shí)間步長(zhǎng)為５０ｍｓ，單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)??行５次迭代，通過(guò)不同規(guī)模的布料模型記錄約束求解時(shí)間的變化，如表２．２所示：??表２．２?ＰＢＤ約束求解時(shí)間對(duì)比表??場(chǎng)景復(fù)雜度?約束求解時(shí)間（ｍｓ）??＇Ｔｒｉ?ＶＵ—?距離約束?ＦＥＭ約束??￣￣３８６４２?１９６００?２８．９７７６?３１．７９０７??１９６０２?１００００?１１．４３２９?￣?１５．７３５１??１２４８２?６４００?￣?５．９１７７６?１０．５４８９??￣￣６９６２?３６００?２．９８７１７?［?４．１４７６??在仿真模型復(fù)雜度相同的情況下，距離約束求解效率高于ＦＥＭ約束，特別??是在簡(jiǎn)單場(chǎng)景下
ＦＥＭ更適用于處理復(fù)雜場(chǎng)景。除此之外，我們進(jìn)一步通過(guò)變化的迭代次數(shù)來(lái)??比較距離約束與ＦＥＭ約束之間求解時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)使用規(guī)模１．２Ｋ面片的布料??模型進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖２．６所示：??２０??；ｚ＾＾二＾??：１２????Ｉ?Ｂ??Ｓ?？？？？？？??４??２??０??迭代次數(shù)：５?６?７?８?９?１０???距離約束一＿?ＦＥｆＶ＾勺束??圖２．６?ＰＢＤ約束迭代時(shí)間對(duì)比圖??隨著迭代次數(shù)增長(zhǎng)，距離約束的求解時(shí)間逐漸與ＦＥＭ約束求解時(shí)間持平。??因此，處理復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)，為了達(dá)到收斂進(jìn)行迭代次數(shù)較大的求解，ＦＥＭ約束將更??加適用。??圖２．７?ＰＢＤ距離約束與彎曲約束仿真結(jié)果對(duì)比圖??２、Ｔｗｉｓｔｉｎｇ：該場(chǎng)景模擬／布料在自轉(zhuǎn)的球上掉落，接觸時(shí)受摩檫力扭曲旋??２３??
本文編號(hào)：3064079
【文章來(lái)源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：67 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
PBD彎曲
…二?ｉ．??圖２．５?Ｆｌｏｗｉｎｇ?Ｃｌｏｆｌｉ實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果圖??圖２．５左圖為距離約束仿真效果，右圖為ＦＥＭ約朿仿真效果。圖２．５屮的測(cè)??試結(jié)果除了迭代解析器中使用的約束不同，其余參數(shù)均保持一致。利用ＦＥＭ約??束的仿真效果在計(jì)算諸如布料這種非密閉的柔性體時(shí)，在過(guò)程中細(xì)分了模型，利??用內(nèi)能約束來(lái)保持柔性體的形態(tài)，相比距離約束的結(jié)果顯得更加柔軟，形變過(guò)程??同樣能夠保持布料本身的物理特征。??實(shí)驗(yàn)記錄整個(gè)仿真過(guò)程中迭代求解約束所使用的平均時(shí)間，分祈兩種約束之??間的差異。本實(shí)驗(yàn)的ＰＢＤ仿真算法使用固定時(shí)間步長(zhǎng)為５０ｍｓ，單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)??行５次迭代，通過(guò)不同規(guī)模的布料模型記錄約束求解時(shí)間的變化，如表２．２所示：??表２．２?ＰＢＤ約束求解時(shí)間對(duì)比表??場(chǎng)景復(fù)雜度?約束求解時(shí)間（ｍｓ）??＇Ｔｒｉ?ＶＵ—?距離約束?ＦＥＭ約束??￣￣３８６４２?１９６００?２８．９７７６?３１．７９０７??１９６０２?１００００?１１．４３２９?￣?１５．７３５１??１２４８２?６４００?￣?５．９１７７６?１０．５４８９??￣￣６９６２?３６００?２．９８７１７?［?４．１４７６??在仿真模型復(fù)雜度相同的情況下，距離約束求解效率高于ＦＥＭ約束，特別??是在簡(jiǎn)單場(chǎng)景下
ＦＥＭ更適用于處理復(fù)雜場(chǎng)景。除此之外，我們進(jìn)一步通過(guò)變化的迭代次數(shù)來(lái)??比較距離約束與ＦＥＭ約束之間求解時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)使用規(guī)模１．２Ｋ面片的布料??模型進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖２．６所示：??２０??；ｚ＾＾二＾??：１２????Ｉ?Ｂ??Ｓ?？？？？？？??４??２??０??迭代次數(shù)：５?６?７?８?９?１０???距離約束一＿?ＦＥｆＶ＾勺束??圖２．６?ＰＢＤ約束迭代時(shí)間對(duì)比圖??隨著迭代次數(shù)增長(zhǎng)，距離約束的求解時(shí)間逐漸與ＦＥＭ約束求解時(shí)間持平。??因此，處理復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)，為了達(dá)到收斂進(jìn)行迭代次數(shù)較大的求解，ＦＥＭ約束將更??加適用。??圖２．７?ＰＢＤ距離約束與彎曲約束仿真結(jié)果對(duì)比圖??２、Ｔｗｉｓｔｉｎｇ：該場(chǎng)景模擬／布料在自轉(zhuǎn)的球上掉落，接觸時(shí)受摩檫力扭曲旋??２３??
本文編號(hào)：3064079
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