本文關(guān)鍵詞：基于物理的柔性體運動編輯技術(shù)

  更多相關(guān)文章： 動畫編輯 最優(yōu)化控制 時空位置約束 彈性材料重建 子空間降維 運動控制 柔性體模擬 RS坐標(biāo)系 碰撞處理

【摘要】：基于物理的柔性體模擬技術(shù)可以用于生成逼真的動畫效果,因而廣泛應(yīng)用于電影、動畫、游戲、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。然而,由于物理模擬過程通常涉及大量繁瑣的參數(shù)設(shè)置,模擬結(jié)果往往難以符合用戶的創(chuàng)作構(gòu)想。因此,如何對一段已有的柔性體動畫序列進(jìn)行高效編輯以符合用戶的創(chuàng)作構(gòu)想,同時保證編輯結(jié)果具有合理的變形形狀和真實的動態(tài)效果,具有重要的實際應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的關(guān)鍵幀插值方法未考慮物體運動應(yīng)遵循的物理規(guī)律,因此無法提供真實的動態(tài)效果。同時,插值方法要求用戶提供完整的關(guān)鍵幀,對用戶的專業(yè)性要求較高,操作繁瑣且交互不靈活。采用時空位置約束方法可以將關(guān)鍵幀插值與運動方程結(jié)合,從而增強動畫的物理真實感。然而,由于需要求解帶約束的高維度非線性優(yōu)化問題,這種簡單的結(jié)合方式無法滿足最基本的交互編輯要求。最近提出的基于物理的關(guān)鍵幀插值方法極大地加快了這類優(yōu)化問題的求解速度,可以滿足交互編輯要求。然而這些方法依然要求用戶設(shè)計完整的關(guān)鍵幀,交互不靈活。而且關(guān)鍵幀處過多的約束也會對動態(tài)效果的真實性造成不利影響。基于物理的柔性體運動編輯技術(shù)以一段完整的動畫序列作為輸入。它支持局部時空位置約束,允許用戶對動畫序列任意時刻的任意頂點進(jìn)行拖動操作來編輯動畫序列,無需設(shè)計關(guān)鍵幀。因此約束更少,效果更真實,交互更靈活。然而現(xiàn)有的柔性體運動編輯技術(shù)無法提供準(zhǔn)確的位置約束,不能對物體局部形狀進(jìn)行交互修改,或是在編輯較大的情況下會發(fā)生嚴(yán)重的變形扭曲問題。同時,已有方法要求用戶仔細(xì)設(shè)置物體的彈性材料,而不合理的彈性材料將嚴(yán)重影響編輯結(jié)果的動態(tài)效果。此外,編輯過程中碰撞處理的缺失也在一定程度上影響了動畫編輯操作的靈活性。本文通過對柔性體運動編輯技術(shù)的時空位置約束形式、帶約束非線性優(yōu)化問題數(shù)值求解算法、物體彈性材料設(shè)計、彈性材料優(yōu)化,以及與碰撞處理相關(guān)的二次規(guī)劃問題求解等方面的內(nèi)容進(jìn)行深入研究,提出了一套計算高效、交互方式靈活、物體形變合理、動畫效果真實且彈性材料設(shè)置簡單的柔性體運動編輯技術(shù)。本文主要貢獻(xiàn)如下：·提出了一種支持局部約束的柔性體運動交互編輯算法,可以提供靈活的交互方式,產(chǎn)生真實的動態(tài)效果。該方法基于時空位置約束,它通過求解最優(yōu)化控制問題來減小編輯結(jié)果引入的控制外力,從而保證動畫的物理真實感。為減小問題規(guī)模,本文引入了子空間降維技術(shù),同時通過將運動方程線性展開,把非線性優(yōu)化問題簡化為二次優(yōu)化問題。同時針對目標(biāo)函數(shù)的特點,提出了一個高效的數(shù)值算法,滿足交互編輯需求。·提出了一種高效、魯棒的非線性子空間表達(dá)形式——子空間降維RS方法,并由此解決了大形變情況下柔性體動畫編輯結(jié)果的變形扭曲問題。利用子空間降維RS方法,可對運動方程進(jìn)行降維和解耦,簡化目標(biāo)函數(shù)形式,同時提供準(zhǔn)確的位置約束。然后通過求解最優(yōu)化控制問題獲得物體的子空間坐標(biāo),最后通過子空間降維RS方法重建物體三維空間坐標(biāo)。重建方法支持大形變,且比傳統(tǒng)RS方法快兩個數(shù)量級以上�！ぬ岢隽艘环N結(jié)合了彈性材料優(yōu)化與時空位置約束的柔性體運動編輯算法,有效解決了動畫編輯過程中的彈性材料設(shè)置問題,提供了一套支持動畫編輯、材料設(shè)計和材料重建的統(tǒng)一框架。通過優(yōu)化彈性材料,該算法可以顯著減小動畫編輯過程中引入的控制力,從而獲得更加真實自然的動態(tài)效果。算法首先將材料表示為子空間形式,然后對子空間基進(jìn)行采樣來減小問題規(guī)模,最后提出了一個交替迭代的方法來進(jìn)一步加速求解過程。·針對大規(guī)模柔性體模擬過程中的碰撞處理問題,提出了一種高效的二次規(guī)劃問題數(shù)值求解算法。文中算法通過對傳統(tǒng)只支持邊界約束的二次規(guī)劃算法進(jìn)行擴展,使其支持碰撞處理問題中更加復(fù)雜的不等式約束形式。同時,該算法對碰撞處理問題中的約束進(jìn)行化簡、解耦,使其更加適合我們的數(shù)值求解算法,進(jìn)一步提升了算法的效率。
【關(guān)鍵詞】：動畫編輯 最優(yōu)化控制 時空位置約束 彈性材料重建 子空間降維 運動控制 柔性體模擬 RS坐標(biāo)系 碰撞處理
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 第1章 緒論16-40
• 1.1 柔性體模擬技術(shù)18-28
• 1.1.1 彈性力學(xué)模型19-21
• 1.1.2 運動方程求解21-23
• 1.1.3 全空間加速方法23-24
• 1.1.4 子空間降維技術(shù)24-28
• 1.2 柔性體運動控制與編輯技術(shù)28-38
• 1.2.1 柔性體運動控制技術(shù)29-31
• 1.2.2 時空位置約束方法31-34
• 1.2.3 時空位置約束方法加速技術(shù)34-36
• 1.2.4 柔性體運動編輯技術(shù)36-37
• 1.2.5 彈性材料優(yōu)化37-38
• 1.3 本文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)38-40
• 第2章 基于時空位置約束的柔性體運動編輯技術(shù)40-57
• 2.1 算法概要41-45
• 2.1.1 運動方程線性展開41-43
• 2.1.2 目標(biāo)函數(shù)43-45
• 2.2 數(shù)值方法45-47
• 2.2.1 無約束的優(yōu)化問題45-46
• 2.2.2 Adjoint方法46-47
• 2.3 實驗結(jié)果47-54
• 2.4 小結(jié)54-57
• 第3章 支持大形變的柔性體運動編輯算法57-76
• 3.1 基礎(chǔ)算法回顧57-61
• 3.1.1 模態(tài)分析57-58
• 3.1.2 RS坐標(biāo)系58-60
• 3.1.3 RS頻域坐標(biāo)60-61
• 3.2 子空間RS坐標(biāo)系61-66
• 3.2.1 幾何形狀子空間降維62-63
• 3.2.2 Cubature采樣63-66
• 3.2.3 RS方法總結(jié)66
• 3.3 目標(biāo)函數(shù)66-68
• 3.4 數(shù)值方法68-69
• 3.4.1 位置約束函數(shù)求導(dǎo)69
• 3.5 實驗結(jié)果69-74
• 3.5.1 動畫編輯69-71
• 3.5.2 關(guān)鍵幀插值71-73
• 3.5.3 算法效率73-74
• 3.6 小結(jié)74-76
• 第4章 基于材料優(yōu)化的柔性體運動編輯算法76-94
• 4.1 算法概覽77-79
• 4.1.1 子空間基向量采樣78
• 4.1.2 子空間基向量優(yōu)化78-79
• 4.2 數(shù)值求解算法79-82
• 4.2.1 初值設(shè)置80-81
• 4.2.2 優(yōu)化頻域坐標(biāo)81
• 4.2.3 優(yōu)化頻率和阻尼81-82
• 4.2.4 優(yōu)化子空間基向量82
• 4.3 實驗結(jié)果82-92
• 4.3.1 動畫編輯82-85
• 4.3.2 關(guān)鍵幀插值85-86
• 4.3.3 彈性材料恢復(fù)86-90
• 4.3.4 算法效率90-92
• 4.4 小結(jié)92-94
• 第5章 快速收斂的柔性體碰撞處理算法94-110
• 5.1 背景簡介94-95
• 5.2 算法概覽95-102
• 5.2.1 運動方程95-96
• 5.2.2 碰撞約束96-97
• 5.2.3 傳統(tǒng)MPRGP算法97-98
• 5.2.4 MPRGP算法擴展98-101
• 5.2.5 碰撞約束解耦101-102
• 5.3 實驗結(jié)果102-107
• 5.3.1 算法效率104-105
• 5.3.2 與其他方法比較105-107
• 5.4 小結(jié)107-110
• 第6章 總結(jié)與展望110-114
• 6.1 本文工作總結(jié)110-111
• 6.2 將來工作展望111-114
• 參考文獻(xiàn)114-124
• 攻讀博士學(xué)位期間主要研究成果124-126
• 致謝126-127

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5 ;MSC.ADAMS V2005新功能[J];CAD/CAM與制造業(yè)信息化;2005年04期

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