Моделирование деформации трехмерных полигональных поверхностей в режиме реального времени

Деформация (или морфинг) трехмерных объектов — это большая область компьютерной графики, в которой решаются задачи преобразования геометрических характеристик объектов. Примеры задач из этой области:

¾ «превращение» трехмерных объектов друг в друга;

¾ анимация — построение промежуточных модификаций объекта (морфопоследовательности) по двум крайним, причем каждая модификация может отличаться как пространственным положением, так и формой;

¾ произвольная деформация объекта с целью получения новых геометрических форм;

¾ моделирование неупругого взаимодействия физических тел;

¾ моделирование роста биологических объектов и т.д.

Конкретный алгоритм, по которому осуществляется деформация, сильно зависит от способа задания объекта.

К настоящему времени разработано большое количество методов трехмерной деформации, отличающихся по способу задания деформируемых объектов, степени физической достоверности моделируемого изменения формы (здесь имеется в виду соответствие наблюдаемой картины физическим законам) и, конечно, по производительности или по скорости работы. Как правило, деформация тел на основе физических законов требует больших вычислительных затрат, чем свободная деформация, т. е. рассчитываемая без учета физических свойств объекта и влияния других тел.

Метод деформации на основе использования неявного задания поверхности объекта

Разработан метод деформации на основе использования так называемого неявного задания поверхности объекта. Основа метода — моделирование физического тела как набора связанных частиц и ассоциированной с ними неявной поверхности. На частицы могут действовать силы притяжения / отталкивания F_int, а также силы жидкого трения F_fr.

Каждая частица является источником поля f_i, напряженность которого убывает с расстоянием до нуля. Поверхность тела определяется множеством точек Р_i для которых

Вместе с техникой контроля изменения объема при столкновении этот метод позволяет моделировать сложнейшие эффекты взаимодействия аморфных тел с поверхностями (протекание сквозь отверстие, растекание по поверхности) и между собой, но вычислительные затраты при его применении чрезвычайно высоки.

Метод деформации плоских протяженных объектов

В случае моделирования деформации плоских протяженных объектов (одежды, поверхности человеческого лица) часто используется классический способ представления трехмерной поверхности в виде связанных треугольных граней. В этой работе рассматриваются такие физические характеристики тела, как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность и толщина материала. Деформация происходит под действием внешних сил и внутренних напряжений в материале.

В данном методе элементарный треугольник рассматривается как жесткий элемент, на который действуют силы кручения и поступательные силы. На их основе вычисляются векторы сил, действующих на все вершины объекта, затем уравнения движения каждой из них интегрируются и вычисляются их новые координаты. При этом деформация под воздействием силы F, меньшей, чем некоторый порог F₀, считается упругой и подчиняющейся закону Гука:

F(t)=k(x(l)-x(0)),

если F> F₀, то деформация неупругая. Этот метод вместе с предложенным авторами алгоритмом отслеживания столкновении дает впечатляющие по своей реалистичности результаты при анимации одежды на движущемся человеке, флага на ветру, ряби на поверхности воды, но весьма трудоемок.

Деформация тела, заданного полигональной сеткой

Был создан алгоритм деформации трехмерного тела (в общем случае полигональной поверхности), который совместил в себе высокую скорость работы и приемлемое качество моделирования реакции тела (поверхности) на внешнее воздействие. При разработке алгоритма деформации авторы исходили из того, что модель поверхности и алгоритм должны обеспечивать легко предсказуемую деформацию как реакцию тела на конкретное воздействие извне; скорость работы алгоритма должна позволять его использование в реальном или близком к реальному времени.

Поверхность представляет собой набор плоских граней, грань — набор вершин, соединенных ребрами, причем между любыми двумя вершинами должен существовать путь по ребрам, т. е. поверхность должна быть «связной». С каждой вершиной ассоциируется ее «масса», а с каждым ребром — некий «коэффициент жесткости». Шаги алгоритма распространения деформации:

1. Выделенная вершина тела, называемая «вершиной поколения 0», смещается в трехмерном пространстве на некоторый вектор. Эта вершина помечается как обработанная.

2. Для вершины поколения 0 находятся все смежные по какому-либо из ребер вершины — это вершины поколения 1. Для каждой из них вычисляется вектор смещения, зависящий только от вектора смещения вершины поколения 0. Эти вершины также помечаются как обработанные.

3. Далее для каждой из вершин текущего поколения находятся все ее потомки -смежные и еще не помеченные вершины. Для текущего потомка в его список «родителей» помещается текущая вершина-родитель. Все потомки помечаются и становятся вершинами следующего поколения, смещение каждой из которых вычисляется на основе смещений вершин из списка родителей.

Распространение деформации продолжается до тех пор, пока не останется непомеченных вершин. Схема распространения показана на рис. 1.

Рассмотрим зависимость вектора смещения вершины от векторов смещений ее вершин-родителей. Пусть у вершины v имеется N вершин-родителей v₁, …, v_N со смещениями , начальными длинами ребер, соединяющих вершину v и ее родителей, v₁, …, v_N равными l₁, …, l_N, и коэффициентами жесткости этих ребер k₁, …, k_N. Предлагается следующая формула для вычисления смещения вершины v:

где т — масса вершины v, т > 0; — радиус-векторы соответствующих вершин; е₁, …, e_N — единичные векторы в направлении разности векторов (рис. 2), 0< k < 1.

При выведении формулы для вычисления смещения вершины v авторы рассмотрели случай двух вершин (родителя и потомка) и руководствовались следующим:

¾ модуль смещения вершины должен быть убывающей функцией ее массы (по аналогии с инерционностью тела в физике);

¾ модуль смещения вершины также должен быть возрастающей функцией жесткости соединяющего вершины ребра: условно говоря, оно может «растягиваться» и «сжиматься»;

Рис. 9.4. Вычисление смещения вершины

¾ для каждой вершины при вычислении ее смещения необходимо учитывать только вклад вершин из списка ее родителей;

¾ формула должна быть достаточно простой для использования ее при вычислениях в реальном времени.

На основе этого и был выбран конкретный вид упомянутых функций. Зависимость от массы, как видно из формулы, — обратная пропорциональность (слагаемое 1 введено для избежания деления на нуль); коэффициенты жесткости входят в члены,

соответствующие вершинам-родителям, как множители.

Рассмотрим теперь остальную часть формулы. Каждое слагаемое суммы есть произведение следующих величин: , — знаковое изменение длины ребра при допущении, что вершина v остается на месте; e_i — единичный вектор в направлении, в котором бы двигалась вершина v в отсутствие всех родителей, за исключением 1-го. Линия смещения есть линия, проведенная через вершину v (до смещения) и конечное положение вершины v. Конечный же вектор смещения вершины v есть результат суперпозиции (т. е. суммы) влияний всех родителей. Множитель k введен для усреднения этого влияния, так как если радиусы-векторы всех родителей, их векторы смещений и жесткости ребер соответственно равны, то смещение вершины v интуитивно должно быть таким же, как если бы у v был всего один родитель с таким же смещением, радиус-вектором и жесткостыо соединяющего ребра.

По классификации, приведенной во введении, данный алгоритм может быть использован для решения следующих задач:

1) произвольная деформация объекта с целью получения новых геометрических форм;

2) моделирование неупругого взаимодействия физических тел. Отсюда следует, что область возможного применения алгоритма весьма широка — трехмерные игры, компьютерная мультипликация, компьютерное искусство и т. д. Описанный алгоритм можно также рассматривать как базовый, на основе которого легко далее строить более сложные модели. Рассмотрим некоторые возможные его модификации и дополнения, которые придадут процессу деформации большую зрелищность, а самому алгоритму — большую универсальность.

1. Введение порога растяжения/сжатия отдельного ребра. Под растяжением ребра здесь понимается отношение его длин до и после смещения вершины-потомка. Если это отношение больше/меньше определенного порогового значения, то это ребро можно разбить на два (или больше) и считать новую вершину родителем для старого потомка. Для реализации такого дополнения, конечно, потребуется генерация новых граней и ребер, смежных с вновь созданной вершиной. Пример подобной деформации куба показан на рис. 3.

2. «Закрепление» некоторых выбранных вершин, т. е. такие вершины не будут менять свои координаты при смещениях остальных «свободных вершин». В данном случае даже не потребуется менять сам алгоритм: этого можно достичь путем присваивания вершинам такого рода бесконечно большой массы (реально — максимального числа вещественного типа).

Рис. 9.5. Эффект увеличения числа граней

3. Деформирующее воздействие сразу на несколько вершин. Изменения в алгоритме в этом случае незначительны. Меняются лишь начальные условия: он стартует не с нулевого, а с первого поколения, как будто бы у необрабатываемой вершины нулевого поколения есть N потомков, где N — число первоначально смещаемых вершин.

4. «Квантование» внешнего воздействия, т. е. смещение первоначальных вершин под его влиянием, должно осуществляться в несколько проходов алгоритма: на каждом проходе вершины смещаются на векторы некоторой характерной длины, в сумме дающие полное смещение. Для получения «гладкости» наблюдаемой деформации эта длина должна быть достаточно мала по сравнению со средней длиной ребра деформируемого объекта или с какой-либо другой величиной, характеризующей его пространственный масштаб.