基于彈簧模型的球b樣條編針織物形變仿真的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于彈簧模型的球B樣條編針織物形變仿真的方法，屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]三維織物動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是研宄如何利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算幾何、紡織材料學(xué)、彈性力學(xué)領(lǐng)域的理論和技術(shù)在計(jì)算機(jī)上逼真模擬織物自然空間狀態(tài)，是伴隨著計(jì)算機(jī)硬件和圖形學(xué)算法高速發(fā)展起來(lái)的一門高新技術(shù)。
[0003]例如，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201010565036.6的專利公開(kāi)了一種基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)的軟組織形變仿真方法，屬于圖形處理技術(shù)領(lǐng)域，該方法選取光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法，以黏彈性力學(xué)模型來(lái)反映軟組織的生物力學(xué)特性，包含以下步驟:依據(jù)黏彈性模型，構(gòu)建軟組織形變仿真計(jì)算相關(guān)的一系列方程；選擇合適的支持域搜索策略和光滑核函數(shù)，采用粒子近似法對(duì)方程組的各相關(guān)項(xiàng)進(jìn)行近似計(jì)算，通過(guò)顯示積分法計(jì)算各粒子的密度、位置、速度隨時(shí)間的變化值；動(dòng)態(tài)將粒子模型每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的狀態(tài)輸出到屏幕上，并進(jìn)行紋理光照的渲染，顯示軟組織器官受力情況下的實(shí)時(shí)形變過(guò)程。
[0004]例如，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310341910.1的專利公開(kāi)了一種柔性材料的形變仿真方法和裝置，屬于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。所述方法包括:根據(jù)模型在下一時(shí)刻的預(yù)設(shè)位置和局部碰撞表面的位置，判斷所述模型在下一時(shí)刻是否發(fā)生碰撞；如果所述模型在下一時(shí)刻發(fā)生碰撞，根據(jù)模型碰撞點(diǎn)的當(dāng)前位置和預(yù)設(shè)位置進(jìn)行計(jì)算，得到所述模型碰撞點(diǎn)的下一時(shí)刻的位移；如果所述模型在下一時(shí)刻不發(fā)生碰撞，將所述模型在下一時(shí)刻的預(yù)設(shè)位置更新為所述模型的下一時(shí)刻的實(shí)際位置。本發(fā)明通過(guò)根據(jù)模型在下一時(shí)刻的預(yù)設(shè)位置和局部碰撞表面的位置進(jìn)行碰撞的判斷，簡(jiǎn)化了碰撞檢測(cè)過(guò)程，通過(guò)模型碰撞點(diǎn)的當(dāng)前位置和預(yù)設(shè)位置進(jìn)行計(jì)算，得到模型碰撞點(diǎn)的下一時(shí)刻的位移。
[0005]例如，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110213387.5的專利公開(kāi)了一種物體形變實(shí)時(shí)模擬圖形處理技術(shù)，特別是涉及一種基于無(wú)網(wǎng)格伽遼金與質(zhì)點(diǎn)彈簧耦合的軟組織形變仿真方法。在前處理過(guò)程中，為軟組織建立線性粘彈性生物力學(xué)模型；在計(jì)算形變過(guò)程中，根據(jù)軟組織所承載的載荷動(dòng)態(tài)劃分無(wú)網(wǎng)格區(qū)域和質(zhì)點(diǎn)彈簧區(qū)域，并在無(wú)網(wǎng)格區(qū)域與質(zhì)點(diǎn)彈簧區(qū)域之間的連接區(qū)域建立過(guò)渡單元，構(gòu)造過(guò)渡單元近似位移函數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)網(wǎng)格伽遼金方法與質(zhì)點(diǎn)彈簧方法的自適應(yīng)耦合；在后處理過(guò)程中，根據(jù)形變計(jì)算結(jié)果，將形變過(guò)程每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的質(zhì)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)輸出到屏幕上，并進(jìn)行光照渲染，最終在屏幕上顯示軟組織器官在受力情況下的實(shí)時(shí)形變過(guò)程。
[0006]計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)者和紡織學(xué)者不僅對(duì)織物的構(gòu)造進(jìn)行了研宄也對(duì)織物的形變進(jìn)行了研宄。他們將線圈通過(guò)數(shù)組的形式一一對(duì)應(yīng)在網(wǎng)格單元中，將網(wǎng)格看作是線圈，網(wǎng)格中的端點(diǎn)認(rèn)為是主要變形點(diǎn)，當(dāng)端點(diǎn)變形時(shí)線圈中與端點(diǎn)關(guān)聯(lián)的變形控制點(diǎn)也會(huì)隨之發(fā)生變形，當(dāng)變形控制點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)控制點(diǎn)周邊的曲線也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，從而發(fā)生線圈的整體變形。這種方法，將網(wǎng)格的變形近似于線圈的變形，只能實(shí)現(xiàn)一種近似的形變方法，并不能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)織物的形變，在應(yīng)用中，這種模型不如彈簧一質(zhì)點(diǎn)模型逼真、復(fù)雜度較高并且表現(xiàn)織物的能力也較弱。粒子模型該模型將織物的經(jīng)線和瑋線的交點(diǎn)看作一個(gè)個(gè)粒子。整塊織物是相應(yīng)粒子的集合。粒子與粒子之間以及粒子和周圍環(huán)境之間存在著相互的物理作用，它的模擬比較逼真，但計(jì)算量龐大，Breen的算例需要在IBMR56000上運(yùn)行3到7天。網(wǎng)格劃分得越細(xì)，計(jì)算時(shí)間的增長(zhǎng)將是成幾何指數(shù)并且粒子間相互作用的能量表達(dá)式通過(guò)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)確定，這些表達(dá)式是實(shí)驗(yàn)表象的數(shù)學(xué)抽象，物理意義不甚明了，表達(dá)式的確定很難說(shuō)是完全準(zhǔn)確客觀的。有限元模型從宏觀角度把織物看作連續(xù)的介質(zhì)，靜態(tài)變形用有限元方法模擬也就是自然的工程思想。有限元模型從連續(xù)介質(zhì)的本質(zhì)上計(jì)算織物的變形，其表達(dá)沒(méi)有粒子模型復(fù)雜，計(jì)算效率較高，但是，總而言之，上述這些方法存在的共同問(wèn)題是:大變形非線性的處理直接關(guān)系到結(jié)果的準(zhǔn)確性；比較而言，計(jì)算效率不低，但仍然不能滿足實(shí)時(shí)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述技術(shù)問(wèn)題的基于彈簧模型的球B樣條編針織物形變仿真的方法。本發(fā)明對(duì)基于球B樣條構(gòu)造的編針織物進(jìn)行形變仿真，球B樣條是通過(guò)定義一系列的控制點(diǎn)、控制點(diǎn)所在的控制半徑以及和這些控制點(diǎn)相聯(lián)系的B樣條曲線來(lái)表現(xiàn)2D繪畫和3D繪畫。操作時(shí)，給出一組控制點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)厚度，即能夠獲得球B樣條曲線，通過(guò)改變控制點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)厚度能夠?qū)崿F(xiàn)編針織物精確的形變并且能提高存儲(chǔ)和傳輸?shù)男省?br>[0008]本方法的目的是基于彈簧實(shí)現(xiàn)織物的形變仿真，同時(shí)對(duì)線圈模型進(jìn)行參數(shù)化處理，方便用戶交互操作，添加光照、紋理映射真實(shí)感繪制，在計(jì)算機(jī)中能真實(shí)地模擬編針織物形變模型并達(dá)到了很好的模擬效果并能夠?yàn)榫庒樋椢镌贑AD系統(tǒng)中的的形變仿真提供一種新的思路方法。
[0009]本發(fā)明基于胡克定律(Hooke’s law)在嵌套線圈的型值點(diǎn)之間建立彈簧模型，從而實(shí)現(xiàn)編針織物在外力作用下內(nèi)力的傳遞。當(dāng)瑋編針織物受到外力作用時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生形變；由于編針織物相互嵌套的結(jié)構(gòu)，線圈受力的變形不僅受到線圈外力的影響，也受到相鄰線圈的力的相互作用。對(duì)瑋編針織物受力后的形變進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了瑋編針織物的形變仿真。輸入不同的平行力F，在不同的方向拉針織物會(huì)有不同的效果。通過(guò)胡克定律(Hooke’slaw)能夠計(jì)算得到型值點(diǎn)相應(yīng)的偏移量，每一個(gè)型值點(diǎn)加上X軸和Y軸相應(yīng)的偏移量，得到改變后的線圈的型值點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，即能夠得到不同力變形后的平針組織模擬效果。對(duì)針織物中的任意一個(gè)線圈在任意方向拉動(dòng)，基于彈簧模型，通過(guò)力的傳遞能夠計(jì)算出受力的線圈對(duì)相鄰的線圈的力的作用，相鄰的線圈又對(duì)其周圍的線圈產(chǎn)生力的作用，因此得到針織物的某一線圈在受力后的仿真模擬效果。若對(duì)平針組織左上角的線圈進(jìn)行左上拉，通過(guò)胡克定律(Hooke’s law)計(jì)算出受力線圈在X軸和Y軸的偏移量；受力線圈又對(duì)其周圍的線圈產(chǎn)生力的作用，同樣通過(guò)胡克定律(Hooke’s law)能夠計(jì)算出其在X軸和Y軸的偏移量，進(jìn)而得到相應(yīng)的針織物模擬仿真效果通過(guò)控制和改變球B樣條曲線相應(yīng)的型值點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)畫和其相應(yīng)的變形。本發(fā)明所述基于彈簧模型的球B樣條編針織物形變仿真的方法包括以下步驟:
[0010](I)平行拉力下的瑋編針織物模擬效果:
[0011]線圈是編針織物的基本單元，使用幾個(gè)型值點(diǎn)作為球B樣條的控制定點(diǎn)，構(gòu)建線圈三維空間模型，在嵌套線圈的型值點(diǎn)之間建立彈簧模型，從而實(shí)現(xiàn)編針織物在外力作用下內(nèi)力的傳遞，當(dāng)瑋編針織物受到外力作用時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生形變；由于編針織物相互嵌套的結(jié)構(gòu)，線圈受力的變形不僅受到線圈外力的影響，也受到相鄰線圈的力的相互作用，對(duì)瑋編針織物受力后的形變進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了瑋編針織物的形變仿真；輸入不同的平行力F，在不同的方向拉針織物會(huì)有不同的效果，通過(guò)胡克定律(Hooke’s law)能夠計(jì)算得到型值點(diǎn)相應(yīng)的偏移量，每一個(gè)型值點(diǎn)加上X軸和Y軸相應(yīng)的偏移量，得到改變后的線圈的型值點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，即能夠得到不同力變形后的平針組織模擬效果。
[0012](2)任意線圈受力下的瑋編針織物模擬效果:
[0013]對(duì)針織物中的任意一個(gè)線圈在任意方向拉動(dòng)，基于彈簧模型，通過(guò)力的傳遞能夠計(jì)算出受力的線圈對(duì)相鄰的線圈的力的作用，相鄰的線圈又對(duì)其周圍的線圈產(chǎn)生力的作用，因此得到針織物的某一線圈在受力后的仿真模擬效果，若對(duì)平針組織左上角的線圈進(jìn)行左上拉，通過(guò)胡克定律(Hooke’s law)計(jì)算出受力線圈在X軸和Y軸的偏移量；受力線圈又對(duì)其周圍的線圈產(chǎn)生力的作用，同樣通過(guò)胡克定律(Hooke’s law)能夠計(jì)算出其在X軸和Y軸的偏移量，進(jìn)而得到相應(yīng)的針織物模擬仿真效果通過(guò)控制和改變球B樣條曲線相應(yīng)的型值點(diǎn)，則能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫和其相應(yīng)的變形。
[0014](3)在互相嵌套的線圈的各個(gè)型值點(diǎn)之間建立相應(yīng)的彈簧模型；
[0015](4)在編針織物受到平行外力的作用下，輸入不同的平行力F，通過(guò)胡克定律(Hooke’s law)計(jì)算得到型值點(diǎn)相應(yīng)的偏移量，得到改變后的線圈的型值點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，即能得到平行力作用下基于球B樣條的編針織物組織模擬效果；
[0016](5)針織物任意線圈受到外力時(shí)，基于彈簧模型，通過(guò)力的傳遞能夠計(jì)算出受力的線圈對(duì)相鄰的線圈作用的力的大小及方向，通過(guò)胡克定律(Hooke’s law)計(jì)算出各個(gè)型值點(diǎn)的坐標(biāo)值，得到基于球B樣條的編針織物某一線圈在受力后的仿真模擬效果。
[0017]基于球B樣條的編針織物的造型極其模擬，當(dāng)編針織物受到外力時(shí)，在相互嵌套線圈的型值點(diǎn)之間建立彈簧模型，通過(guò)彈簧模型實(shí)現(xiàn)力的傳遞，從而通過(guò)改變能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)畫