基于虚拟环境中织物碰撞检测仿真研究
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Leabharlann Baidu
收稿 日期 ： １ — ５ １ 修回 日期 ： １ — ６— ０ ２ １ ０—８ ０ ２ １ ０ １ ０
３ ７ ．— ０ ． ． —
混合层次包 围盒 的碰撞检测算法进行 碰撞检测 ， 对检测到得
碰撞加 以响应 ， 该算法 建模简 单 ， 充分利 用包 围球计 算简单 和紧密性 好的优点来 构建 物体 的混 合层 次包 围盒结 构。仿 真结 果表明 ， 该算法是有效可行的 ， 提高 了实时性和鲁棒性 ， 性能优于传统碰撞检测算法 ， 并实现 了较强 的真实感 。
ｍ ｄｈ ｇｍｅ ｏ ａｅ ｎａ ｐ ｖｄｐｒ ｃ ｒ ｇｍｏｅ． ｅａ ｏ ｔｍ ｆｓｙｂｉ ｅｐｒｃ ｐ ｎ ｏ ｅ ｆ ｏ ｅ ｎ ｔ ｄｂ ｓｄｏ ｎｉ ｒ ｅ ａｔ ｌ ｓｉ ｄ １ Ｔ ｇｒｈ ｒ ｌ ｕｌｔ ａｔｌ ｓｒ ｇｍ ｄｌｏ ｈ ｍｏ ｉｅ ｐ ｎ ｈ ｌ ｉ ｉ ｔ ｔｈ ｉｅ ｉ ｒ
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一Ｘ Ｉ ） ｉ一
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（） １
传统 的混合层次包 围盒结构 ， 只是简单 的将包 围盒树上
紧密性 ， 快速排 除不相交 的物体 。在一般情 况下 ， 即物 体相 距较 近但不相发生碰撞 时， 通过两种 包围盒紧 密性 更好的特 性 ， 以实现将两物体 快速分 离 ， 可 性能较 单一包 围盒有 所提
２ 织物 动感模 型 建立
在多种织物模型 中， 由于质点 弹簧模 型能够较好 的将织 物的物理特性进行有效的抽象表示 ， 通过将一块织 物划分 它
成为矩形 的网格 ， 网格 的交 点被称 为质点 弹簧 的质点 ， 而 质 点与质点之间 的连线就表示为弹簧 。 质点 一弹簧模型油 图 １所示 是有 ３种弹簧组成 的 ， 分别 是剪切 弹簧 、 构弹簧 和弯 曲弹簧 ， 结 构成 ｍ×ｎ质点 的质点
是依 附的物 体 上面 跟 随外 物 的形状 ， 一 种 典型 的柔 性 物 是
体… ， 正是 由于它具 有的这 种特性 ， 得人 们更 加注 重对 它 使
的仿 真研究 ， 现有的仿真算法并不能十 分完美 的解 决实时性 和稳定性 ， 于它的发 展 ， 对 一直是 这个 技术 中的应用 推广 的 难题 。碰撞检测是计算机虚拟现 实中一项 重要的技术 ， 实 在 现虚拟现实应提供 的沉浸感 、 实时性和交互 性等方 面扮演 了 重要的角色 。能否快 速而 精确 的检测 出物 体间 是否 发生碰
其中， 为质点 ｉ 和相邻的质点 之间弹簧力 ，ｆ ＪＪ ｉ 为质点 ｉ ｝ ． 和 的每一层都采用两种不 同的包 围盒包 围起 来 ， 以达到更好 的
第２卷 第１期 ８ ２
文章编号 ：０６— ３ ８ ２ １ ）２—０ ０ ０ １０ ９ ４ （ ０ １ １ ３７— ３
计
算
机
仿
真
２１年１月 ０１ ２
基 于虚 拟 环 境 中织 物碰 撞 检 测 仿 真 研 究
姚 雪存
（ 浙江纺织服装职业技术 学院信 息工程学 院， 浙江 宁波 ，１２ １ ３５１ ） 摘要 ： 研究织物碰撞 检测真实性问题。碰撞 检测应体现织 物碰撞真实性 。织 物仿真方法普遍 存在实时性不高 、 真实感不强 等问题。针对传统的质点 一 弹簧模 型容易产生超 弹性现象 ， 特别是在织物动感仿真 中， 为了实现真实性 和快速性 ， 出了一 提 种改进型的建模 方法。先采用 质点弹簧的方法对织物进行建模 。首先对织物采用质点弹簧建模 ， 然后采用混合层次包围盒 的碰撞检测算法进行碰撞 检测 ， 对检测 到得碰撞加 以响应 ， 用改进算法建模简单 ， 充分利用包围球计算 简单和 紧密性好的优 点来构建物体的混合层 次包围盒 结构 。仿真结果表 明， 算法是有效可行 的， 提高了实时性和鲁棒性 ， 能优于传统碰撞检测 性 算法 ， 并实现了较强的真实感 。 关键词 ： 混合层次包 围盒 ； 检测； 碰撞 碰撞 响应 ； 织物模拟 ； 质点 弹簧模型
ｄｄｂｘｉ ｔｈｎｓ ｕｌ ｅｍｘｄｂｕ ｄｎ ｘｓ ｕｔｒ ｏ ｊｃ ．Ｓｍ ｌｉｎｒｓｌ ｈｗ ｔａ ｔｉ ａ ｏ ｔｍ ｅ ｏ ｇ ｔ ｓ ｏｂｉ ｔ ｉ ｎ ｉｇｂ ｔ ｃｕｅ ｆ ｂｅｔ ｉｕａ ｏ ｕｔ ｓｏ ｔｈｓｌ ｒｈ ｓｉ ｅ ｔ ｄｈ ｅ ｏ ｏ ｒ ｏ ｓ ｔ ｅ ｓ ｈ ｇｉ
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来， 再进行实际的碰撞时， 对包裹的物体进行更深层次的相
较 测试 ， 非常适用 于复杂 的环境 。 针对传统的质点弹簧模型容易产生超 弹性 现象 ， 别是 特 在织 物动感 仿真中 ， 碰撞检测 以及响应对 织物真实起 到关键 的作用 ， 出了一 种改 进 的质 点 弹簧模 型织 物碰 撞建 模 方 提 法 。算法首先对织物 采用 质点弹簧模型加 以建模 ， 采用 然后
中图分类号 ： Ｐ９ Ｔ ３１ 文献标识码 ： Ａ
’
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｒｕ ｌ ｖ ｒ ｎ ｅ ｔＦ ｂ ｉ ｌ ｓｏ ｔｃ ｉ ｎ Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｔ ｄ ｎ Ｖｉｔ ａ Ｅｎ ｉｏ ｍ ｎ ａ ｒｃ Ｃｏｌ ｉｎ Ｄｅｅ ｔｏ ｉ ｌｔｏ ｉ
ＹＡ０ ｅ—ｔ ｎ Ｘｕ ｕ
网络 。
图 ２ 织 物 的 网格 划 分
：
Ｊ Ｕ
∑ 一 （ ） ；
（） ２
其 中 ， 为阻尼力 ，１为质点 ｉ ｄ， ． 和相 邻 的质点 之 间 弹簧 弹
Ｏ 质点
性 系数 ， 为质点 ｉ 的速度 ， 为质点 Ｊ 的速度 ，表示 当前 的 ｔ
时间步长。 织物表面上任一 质点 ｉ 所受 的重力 为 ：
＝ 。
ｋ（ 一 ）
（） ４
图 １ 质点弹簧模型
其 中， 为第 ｉ 质点所 受 的风力 大小 ， 为 风力 系数 ， 为 ｋ
风速 ， 为质点 ｉ 速度。
本文使用上述简化的质点 一弹簧模 型来 描述织物模 型 ，
这个模型是 由组成虚拟三角形网格 的许 多的质点组成 的 ， 每 力
＝
测两个物体之 间的碰撞 ， 那么会 发现 计算量 非常 的大 ， 本文 为了提高算法 的效率 ， 了混合层 次包 围盒算法来 实现织 采用
物之 间的碰撞 ， 首先对 织物进 行三 角化分割 ， 然后 为 每个三 角形建立相应 的包 围盒 。最后建立层次包 围盒二叉树。
ｋ （ ｉ Ｉ
，
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一
—
—
结构 弹簧
…
‘剪切 弹簧
其 中， 为质点 ｉ 在时刻 ｔ 所受 的重力 ， ｍ 为质点 ｉ 的质量 ， ｇ
… 柔性 弹簧
是地球引力 的加 速度 ， 为一 常数值 。空气 动力 学 和流 体力 学 给出了空气运动 的流场 ， 为了简化计算 过程但 同时保证 真实性 ， 我们定义一个平行方 向的风力场 ， 风力 为 则
３ 混合 层次 包 围盒 实现 碰撞检 测
３ １ 碰 撞 检 测 ．
织物本身结果 比较复杂 ， 如果直 接采用三角形模 型来检
为 了能够真实 的仿真模拟织 物 ， 定质点 ｉ 假 和相 邻 的质 点 之间 由一弹簧连接 ， 根据 虎克定 律 ， 作用力 与 弹簧变 化长度成正 比 ｌ ， ： ｏ 即 Ｊ
根据牛顿第二运动定律 ， 质点 ｉ ｔ 在 时刻所受 的力 的合
个质点的运行状态是有两大方面加起来 的 ， 分别是 这个质点
受 到 的 内力 和 外 力 ， 内力 就 是 是 质 点 之 间 的 弹 力 和 阻 尼 力 ，
＝
＋， ； ＋ ＋Ｆ。
（） ５
外力就是本身质点所受的重力和风力 ， 所有这些 质点所受到 的力加起来代 表整个 系统 的织 物 的呈 现出 的状态 。如 图 ２ 所示是织物 的网格划分 。
撞， 并进行相应 的处理 已越 来越多的受到人们 的关 注… 。由
１ 引 言
在虚拟现 实和计算 机动画技术 中， 织物是一 种呈薄皮 形
状的 ， 且非常的柔软 ， 并 可以随着 外力发生 自然 的变化 ， 者 或
于物体是 由大量 的基 本几何 元 素组成 ， 复杂场景 中， 在 碰撞
检测 中实时性 的高低 往往 成 为算 法优 劣 的一个 评 判标 准。 近年来 ， 碰撞 检测 技术 在各个 应用领 域得 到 了广 泛 的应 用 ， 因而使得检测的算法种类也 比较 的繁 多， 大致可 以分为两大 类， 一类是空 间分解 法 ， 还有 一类用 的 比较 多 的是 层次 包 围 盒发 ， 这里重点 阐述 一下 包 围盒 方法 ， 它是 用体积 较大但 几 何 简单的包 围盒进 行相 较 测试 ， 后 用这 个将 对象 包 围起 然
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混合层次包 围盒 的碰撞检测算法进行 碰撞检测 ， 对检测到得
碰撞加 以响应 ， 该算法 建模简 单 ， 充分利 用包 围球计 算简单 和紧密性 好的优点来 构建 物体 的混 合层 次包 围盒结 构。仿 真结 果表明 ， 该算法是有效可行的 ， 提高 了实时性和鲁棒性 ， 性能优于传统碰撞检测算法 ， 并实现 了较强 的真实感 。
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传统 的混合层次包 围盒结构 ， 只是简单 的将包 围盒树上
紧密性 ， 快速排 除不相交 的物体 。在一般情 况下 ， 即物 体相 距较 近但不相发生碰撞 时， 通过两种 包围盒紧 密性 更好的特 性 ， 以实现将两物体 快速分 离 ， 可 性能较 单一包 围盒有 所提
２ 织物 动感模 型 建立
在多种织物模型 中， 由于质点 弹簧模 型能够较好 的将织 物的物理特性进行有效的抽象表示 ， 通过将一块织 物划分 它
成为矩形 的网格 ， 网格 的交 点被称 为质点 弹簧 的质点 ， 而 质 点与质点之间 的连线就表示为弹簧 。 质点 一弹簧模型油 图 １所示 是有 ３种弹簧组成 的 ， 分别 是剪切 弹簧 、 构弹簧 和弯 曲弹簧 ， 结 构成 ｍ×ｎ质点 的质点
是依 附的物 体 上面 跟 随外 物 的形状 ， 一 种 典型 的柔 性 物 是
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的仿 真研究 ， 现有的仿真算法并不能十 分完美 的解 决实时性 和稳定性 ， 于它的发 展 ， 对 一直是 这个 技术 中的应用 推广 的 难题 。碰撞检测是计算机虚拟现 实中一项 重要的技术 ， 实 在 现虚拟现实应提供 的沉浸感 、 实时性和交互 性等方 面扮演 了 重要的角色 。能否快 速而 精确 的检测 出物 体间 是否 发生碰
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网络 。
图 ２ 织 物 的 网格 划 分
：
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其 中 ， 为阻尼力 ，１为质点 ｉ ｄ， ． 和相 邻 的质点 之 间 弹簧 弹
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图 １ 质点弹簧模型
其 中， 为第 ｉ 质点所 受 的风力 大小 ， 为 风力 系数 ， 为 ｋ
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本文使用上述简化的质点 一弹簧模 型来 描述织物模 型 ，
这个模型是 由组成虚拟三角形网格 的许 多的质点组成 的 ， 每 力
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结构 弹簧
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其 中， 为质点 ｉ 在时刻 ｔ 所受 的重力 ， ｍ 为质点 ｉ 的质量 ， ｇ
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３ 混合 层次 包 围盒 实现 碰撞检 测
３ １ 碰 撞 检 测 ．
织物本身结果 比较复杂 ， 如果直 接采用三角形模 型来检
为 了能够真实 的仿真模拟织 物 ， 定质点 ｉ 假 和相 邻 的质 点 之间 由一弹簧连接 ， 根据 虎克定 律 ， 作用力 与 弹簧变 化长度成正 比 ｌ ， ： ｏ 即 Ｊ
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（） ５
外力就是本身质点所受的重力和风力 ， 所有这些 质点所受到 的力加起来代 表整个 系统 的织 物 的呈 现出 的状态 。如 图 ２ 所示是织物 的网格划分 。
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１ 引 言
在虚拟现 实和计算 机动画技术 中， 织物是一 种呈薄皮 形
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检测 中实时性 的高低 往往 成 为算 法优 劣 的一个 评 判标 准。 近年来 ， 碰撞 检测 技术 在各个 应用领 域得 到 了广 泛 的应 用 ， 因而使得检测的算法种类也 比较 的繁 多， 大致可 以分为两大 类， 一类是空 间分解 法 ， 还有 一类用 的 比较 多 的是 层次 包 围 盒发 ， 这里重点 阐述 一下 包 围盒 方法 ， 它是 用体积 较大但 几 何 简单的包 围盒进 行相 较 测试 ， 后 用这 个将 对象 包 围起 然
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