贝赛尔曲面结合质点—弹簧的鱼变形实时模拟

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计算机图形学中,柔软物体的实时变形模拟一直是研究的热点之一,而其中具有代表性的鱼类的变形模拟,因其在动物学、医学方面的广泛应用越来越受到人们的重视。传统的几何变形方法在实现了鱼类的几何外观变形的基础上未能反映对象的物理特性。基于物理的鱼类模拟方法很好地表现出了鱼的运动特性,但是由于其运动复杂,需要设置的参数很多、计算量大,使鱼类的模拟很难在普通的PC机上实现。而上述方法均在鱼的完整性变形方面很少涉及。基于上述分析,本文提出一种将几何模型和物理模型相结合的方法,对鱼的各种变形进行研究。首先,为实现不同种类鱼之间的变形模拟,将鱼模型分为若干模块,分别使用双三次贝赛尔曲面进行建模,组合成鱼形状的模型曲面。将控制点组织成鱼模型的变形控制网格,通过调整控制点网格实现不同模块的变形,从而实现不同种类鱼之间的变形。其次,为实现鱼类在自身运动时产生的各种变形模拟,将贝赛尔曲面进行细分得到鱼体的整体网格模型,避免了各模块间出现裂缝的问题。在此基础上,为更好体现鱼类运动的物理特性,将质点-弹簧模型加载到网格模型上,通过弹簧的拉伸和收缩带动相邻质点的运动,实现鱼类自身运动时产生的变形模拟。再次,为真实表达鱼在虚拟环境中的生活情景,对虚拟鱼和场景附属物以及虚拟鱼之间的碰撞进行了实时检测,使其的运动更加符合实际。最后,利用VC++语言、开放性图形接口OpenGL在Windows平台上,实现了鱼类的变形模拟系统,对鱼类的变形模拟算法进行实验验证,实验表明,使用本文的算法可以对鱼类的各种变形效果进行实时、逼真的模拟。
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