● 摘要
随着虚拟现实技术与计算机硬件的不断发展，刚体破碎断裂仿真逐渐变为广大科研工作人员的研究热点。它在虚拟战场、模拟训练、游戏等方面都有很广泛的应用。随着应用的广泛推广，高真实感、高实时性、更强的交互性的刚体破碎断裂算法越来越成为用户们的急切需求，然而由于它涉及刚体断裂力学、刚体动力学、碰撞检测以及计算机图形学等多个学科，在现有的研究成果当中，实时性与真实性仍然是两个难以调和的矛盾，为了使刚体破碎断裂算法的实时性与真实性都得到提高，并且能够兼顾两个指标的性能，本文系统的、深入的对破碎断裂算法进行了研究，研究的主要工作和主要成果包括： （1）对破碎刚体建模进行了研究，提出了一种基于包围盒的模型预分割的建模方法，方法按一定的碎块体积阈值使用添加了随机因子的切割平面将刚体表面网格模型切割成符合体积要求的碎块表面网格，对算法过程中的模型布尔运算过程进行了研究、设计与实现。（2）对刚体破碎断裂过程中的碰撞检测算法进行了研究，经过对几种包围盒的分析比较，利用AABB包围盒的简单快速性和OBB包围盒的紧凑性，选取并实现了基于AABB包围盒的初步碰撞过滤算法和基于OBB层次包围体树的精确碰撞过滤算法，算法通过初步碰撞过滤增加了快速性，通过精确碰撞过滤增加了准确性，最后通过动量定理和动能守恒简化了碰撞处理的过程。 （3）碎块之间的约束是十分复杂的，由于理想刚体破碎断裂之前的微小形变可以忽略，因此本文简化碎块之间的约束模型，建立了碎块与碎块之间的线性-弹簧连接模型，通过线性-弹簧连接将碎块组织成整体来模拟未破碎的刚体网格模型。 （4）对基于碰撞点的模式匹配破碎机制进行了初步研究，将碰撞点与模型分割联系在一起，增加了仿真真实性。 基于以上研究工作，设计完成了刚体破碎断裂模拟系统，系统经过dragon模型和cow模型的验证，能够得到兼顾实时性和真实性的良好效果。并且与四面体填充的模型对比，可以验证此系统具有更好的实时性与真实性。