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Title:
高效羽毛覆盖系统的设计及实现技术研究
Author: 刘乐
Issued Date: 2017-05-28
Supervisor: 吴恩华
Major: 计算机应用技术
Degree Grantor: 中国科学院大学
Place of Degree Grantor: 北京
Degree Level: 博士
Abstract:
鸟类作为生活中常见的动物,常见于电影、动画短片、游戏、虚拟现实等领域的作品中,因此对鸟类进行数字仿真具有较广泛的图形学应用。而鸟类最重要的特征是其覆盖全身的羽毛,羽毛造型对最终的建模效果具有重要的影响。对于单根羽毛的建模,学者们已经提出了许多成熟的模型,而对于全身羽毛的造型,相关的公开研究并不多。
将羽毛覆盖于模型表面,需要保证羽毛之间不发生穿插,否则将产生明显的视觉失真。但由于其特殊的薄片结构,以及数量多、羽毛相互间紧密影响等特点,一般的碰撞检测与避免算法并不适用。它们或无法自动保持羽毛排列的规则性和一致性,或无法用于动态调整,更重要的是,它们的计算效率都不高。本文对如何构建高效、灵活、易用的羽毛覆盖系统及其相关技术进行了研究,主要内容和贡献归纳如下:
(1)由于羽毛数量多、造型多变,传统的羽毛造型方法需要艺术家在模型表面摆放数量较多的特征羽毛,不仅工作量大,其指导效果还难以控制、不易修改。对此,我们提出利用骨架结构来指导羽毛的分布,不仅降低了设计难度,还使得对羽毛区域的控制更加直观方便。此外,针对羽毛的交错式分布,我们提出了相应的采样算法。该算法结合羽毛的朝向场作为输入,在保证羽毛密度场的前提下,通过较少的参数即可控制羽毛的分布模式,采样结果提升了羽毛排列的真实感。
(2)由于羽毛是层叠式覆盖在模型表面,因此羽毛之间实际存在着一定的依赖关系。在调整羽毛使其无碰撞的时候,往往需要依循一定的次序。综合模型表面的几何信息、羽毛的朝向场等因素,我们完善地定义了羽毛的生长优先级。据此我们构造出一个有向图,通过贪心策略使其成为有向无环图,再使用拓扑排序即可计算出羽毛的全局生长次序。进一步地,我们可以将该线性序列分解成若干相互独立的并行次序,使得不同区域羽毛的并行调整成为可能。当模型进行角色动画时,部分羽毛间的优先级关系可能会发生改变,对此我们设计了一个能够部分调整生长次序的算法。该算法简单、高效,并能最大程度减少受到影响的羽毛数量。
(3)虽然羽毛数量多,但每根羽毛在大多数情况下只能影响到它邻近的羽毛。基于此局部性,我们创新性地提出使用高度场的思想来高效解决羽毛间的碰撞问题。由于每根羽毛在调整之后便不再变动,因此具有更高优先级的邻域羽毛可以被视作一个整体并且用高度场来表示。如此,羽毛间的碰撞检测便转换成羽毛在高度场坐标系的投影点与相应高度值的比较,调整羽毛的问题便转换成单根羽毛如何摆放于高度场之上,从而避免了传统碰撞检测、碰撞避免方法中的冗余计算,极大地提高了羽毛调整的效率。实验结果表明,上万根羽毛可以在几秒内完成调整,即便对于角色动画,羽毛的增量式调整也可以保证交互式帧率。
Language: 中文
Content Type: 学位论文
URI: http://ir.iscas.ac.cn/handle/311060/18928
Appears in Collections:计算机科学国家重点实验室 _学位论文

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刘乐. 高效羽毛覆盖系统的设计及实现技术研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017-05-28.
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