CN111627092B - 一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法，包括以下步骤：将待进行动力学模拟的三维模型的连通域进行划分，找到若干不同的连通域，并获取每个连通域对应的几何体集合；在每个连通域的几何体集合中，从点出发，根据边与面的连接关系，获取顶点在对应的k环内的所有顶点；在k环的所有顶点中选定所需顶点，将每个顶点与其自身k环内的选定顶点确定连接关系约束条件，并添加给三维模型；设置连接关系约束条件的动态属性；将连接关系叠加到其他的目标物的约束条件上，并代入PBD进行解算；将添加的约束条件与三维模型本身的约束条件进行叠加，并将叠加的约束条件提交至动力学模拟引擎，增强三维模型的弯曲约束效果。

Description

一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法

技术领域

本发明涉及动画制作技术领域，具体涉及一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法。

背景技术

在电影电视产业中，CG动画的仿真模拟(动力学解算)是十分重要的一环。它可以将已经制作好的三维实体模型(由点边面在电脑中被描述和显示的三维图形，下称模型)进行动力学模拟，赋予接近真实世界的重力，风场以及碰撞等效果，这样就可以在制作好模型后，通过设置参数在一个CG动画场景中制作出各种各样的变形效果，并且这些效果和动画师制作的人力动画效果交互，模拟出接近现实世界的各种特效，这样不仅可以增强动画效果的细节，还可以节约动画制作时间；

在动力学解算前，需要对模型进行设置，这样才能保证在进行解算(仿真)时的效果正确性，比如一个篮球模型被抛到空中掉到地面上并弹起，我们就需要去设置这个篮球模型在这个重力效果下，撞击到地面后会被压缩得多厉害，然后又能弹起到多高等。控制这些效果的过程就叫添加约束，约束本身描述了模型在动力学解算过程中能够达到的极限效果，解算时，软件根据这些约束保证模型的效果在合理的范围区间内，并计算出模型的动力学效果；

所以约束设置本身属于动力学解算的十分重要的一个步骤，如何构建约束，添加约束，是影响动力学解算结果的直接条件；

现阶段在进行物理模拟时，基本都更倾向基于PBD的物理模拟算法，因为其在解算速度上有十分巨大的优势。但是相较于传统的RBD或者FEM物理模拟算法，PBD在约束构建方面有着很大的劣势。PBD是基于点位置的迭代求解，也就是说其约束本身也是针对于模型顶点进行，并且仅支持点与点之间的位置约束关系，而传统的物理模拟算法中，不仅有点，还有边与面的约束，在约束间还能设置诸如角度，面积，体积等约束条件。

所以针对PBD算法需要更多的使用位置约束来模拟其他种类的约束方式，比较常见的PBD约束方式有distance along edges，triangle，cross bend，struts；一般情况下这几种约束方式单独或者混合使用足以满足大多数的解算需求，但是对于很多高强度的约束或者高精度的约束场合，这几种约束方式并不足以应付。比如在需要模拟薄片金属或者薄片塑料时，通用的PBD约束方式基本不能很好的做到相应的效果。因为薄片金属这类物体需要使用弯曲约束来达成柔韧程度的操作，然而通用PBD约束只有cloth能模拟弯曲约束，但是cloth约束只能做出柔和的布料效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法，解决了经典PBD约束方式不能快速处理硬度很高的弯曲约束的问题，并且不需要额外引入计算过程来修改变形结果，仅仅是通过增加定量的约束条件，在相同的PBD模拟过程中计算得到变形效果，增强约束效果。

本发明提供了如下的技术方案：

一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法，包括以下步骤：

S1、将待进行动力学模拟的三维模型的连通域进行划分，找到若干不同的连通域，并获取每个所述连通域对应的几何体集合；

S2、在每个所述连通域的几何体集合中，从点出发，根据边与面的连接关系，获取顶点在对应的k环内的所有顶点；

S3、根据解算精度的需要，在k环的所有顶点中选定所需顶点，将每个顶点与其自身k环内的选定顶点确定连接关系约束条件，并添加给所述三维模型；

S4、设置所述连接关系约束条件的动态属性；

S5、将添加的所述约束条件与所述三维模型本身的约束条件进行叠加，并将叠加的所述约束条件提交至动力学模拟引擎，提高所述三维模型的弯曲约束效果。

优选的，所述S1的几何体集合包括点集合、边集合与面集合。

优选的，所述S3选定的顶点包括k环边界或k环内的全部顶点。

优选的，所述S4的动态属性包括静态长度、弹性属性与衰减属性。

优选的，所述S4动态属性的设定取决于物理模拟效果的结果。

本发明的有益效果是：本发明在动画制作的动力学模拟时，通过直接从连通域上顶点k环的顶点构建高强度的弯曲约束模型，避免转换为传统的算法解算或者添加修正程序，保证的效果计算的稳定以及可控性，可以在三维模型本身的范围内提供所有可能的约束强度的约束，增强约束效果；同时，可以通过控制k的值直接修改约束强度，无需再对bendangle等参数做更多的设置。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法，包括以下步骤：

S1、将待进行动力学模拟的三维模型的连通域进行划分，找到若干不同的连通域，并获取每个连通域对应的几何体集合(点集合、边集合与面集合)；

S2、在每个连通域的几何体集合中，从点出发，根据边与面的连接关系，获取顶点在对应的k环内的所有顶点；

S3、根据解算精度的需要，在k环的所有顶点中选定所需顶点(k环边界或k环内全部顶点)，将每个顶点与其自身k环内的选定顶点确定约束条件，并添加给所述三维模型；

S4、设置约束条件的动态属性(静态长度、弹性属性与衰减属性)；

S5、将添加的所述约束条件与所述三维模型本身的约束条件进行叠加，并将叠加的所述约束条件提交至动力学模拟引擎，提高所述三维模型的弯曲约束效果。

其中，S4动态属性的设定取决于物理模拟效果的结果，任意的动态属性都可以进行计算，属于经验操作，并未具体操作，比如夏天开空调，开到多低的问题完全取决于使用者觉得环境有多热，这些参数调成什么样，取决于使用者觉得物理模拟效果好不好，需不需要调节这些参数。

实施例一：

采用从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法对于人物投篮的动画制作中篮球模型构建高强度的弯曲约束：

在CG动画制作过程中，人物抛投出篮球后，篮球入框，并掉落到地面上，对于这个动作，篮球需要在投出去后经过一个抛物线，碰到篮板，并在碰撞后入框，掉落到地面上并在地面上反弹数次，这个时候使用传统的人力动画耗时大，并且不易控制，因为人力制作该篮球的抛投过程动画，需要在每个时间点，单独控制球在哪里，和球的形状，比如球什么时候撞到篮板，撞击面又会发生什么变形等，如果人力制作就只能靠经验慢慢去修正和调整，耗时还不一定能做到足够逼真的效果，但是使用动力学解算就可以在给定条件，比如球的出手坐标，球框的坐标，篮板的碰撞点等，自动计算出抛投轨迹，运动过程的速度以及碰撞的变形效果等，省去了复杂的逐个时间点的动画调整。

但是在制作过程中，我们就需要对篮球进行相应的动力学约束设置(比如篮球的柔软程度，碰撞的反弹效果就是由约束控制)，如果使用传统的约束方式，想要达成高硬度的弯曲约束，只能替换解算过程，比如说替换为FEM模拟或者在PBD的结果后再额外的添加一段矫正过程，这样来保证篮球不会变形过于厉害，因为篮球在碰撞时更接近于刚体而不是柔体(但是在碰撞的瞬间仍然会有柔体变形)。不管替换还是添加矫正都会引入极大的计算量，同时如果这种需求仅仅是整个解算过程的一部分的话，这些额外的步骤或者被替换的步骤都会对后续的整体碰撞或者其他交互效果照成困难(例如我们现在需要重新制作一个焉掉篮球的动态效果，这种额外的动力学设置就又不合适，而且仅替换掉篮球的解算过程会导致篮球与其他PBD算法解算的模型没有动力学交互，比如碰撞效果)。

采用本发明的方法，从篮球的每一个顶点出发，搜索所有的K环内的顶点，并给模型添加该点与这些顶点的约束，并设置约束的参数(约束的参数范围由动力学算法本身决定，和构建约束本身无关)，如果K值越大，那么篮球每个顶点所包含的约束信息就越多，这样，在当前顶点到K环内的所有顶点就构成了一个稳固的动力学局部效果(因为都存在相互的约束效果)，当所有顶点都构建了这样的局部稳固效果并且效果范围越大(K值越大，每个顶点关联的顶点就越多)，在解算时约束效果就会越强。

然后将从这个篮球模型构建出所有约束，并将其作为动力学解算的相关条件，随模型一起交给物理模拟引擎，物理模拟引擎通过这些解算的相关条件和模型本身的参数来决定如何计算动力学仿真效果(参数包括篮球的形状、弹力如何以及碰撞效果强度的参数等)，并且这些约束具有更高强度的约束能力，可以提供给物理模拟引擎更大的效果计算范围，让篮球无需再在后续添加附加步骤来修改碰撞的效果等，并且该方法的约束增强效果并无上限，可以在物理模拟计算本身的硬性范围内提供所有可能的约束强度的约束。

由上述实施例可见，本发明通过直接从连通域上顶点k环的顶点构建高强度的弯曲约束模型，避免转换为传统的算法解算或者添加修正程序，保证的效果计算的稳定以及可控性。同时可以通过控制k的值直接修改约束强度，无需再对bend angle等参数做更多的设置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待进行动力学模拟的三维模型的连通域进行划分，找到若干不同的连通域，并获取每个所述连通域对应的几何体集合；

S2、在每个所述连通域的几何体集合中，从点出发，根据边与面的连接关系，获取顶点在对应的k环内的所有顶点；

S3、根据解算精度的需要，在k环的所有顶点中选定所需顶点，选定的顶点包括k环边界或k环内的全部顶点，将每个顶点与其自身k环内的选定顶点确定约束条件，并添加给所述三维模型；

S4、设置所述约束条件的动态属性，所述动态属性包括静态长度、弹性属性与衰减属性；

S5、将添加的所述约束条件与所述三维模型本身的约束条件进行叠加，并将叠加的所述约束条件提交至动力学模拟引擎，增强所述三维模型的弯曲约束效果。

2.根据权利要求1所述的一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法，其特征在于，所述S1的几何体集合包括点集合、边集合与面集合。

3.根据权利要求1所述的一种从拓扑关系构建高强度的弯曲约束的方法，其特征在于，所述S4动态属性的设定取决于物理模拟效果的结果。

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