题目：可变形物体物理模拟与真实感绘制的研究

逼真性是虚拟现实的重要特性，也是虚拟现实研究的重点和难点。本论文以国家863项目“支持移动终端的多人协同虚拟环境及开发工具研究”为背景，以可变形物体为例，研究了提高虚拟现实系统逼真性的若干关键问题，侧重于基于物理的弹塑性物体变形模拟和变形物体的实时真实感绘制两方面内容，主要研究内容包括：（1）从连续介质力学的角度出发模拟真实世界中变形物体的运动是目前的研究热点，其中的难点问题是非线性变形的实时模拟。为逼真模拟非线性变形，大多数方法采用格林应变张量，导致刚度矩阵无法保持恒定，计算代价高昂。本文对基本模态分析法进行扩展，给出了一种弹塑性物体变形算法，可进行非线性变形的实时模拟。该算法采用求解小变形并追加旋转预测补偿的方式解决几何大变形问题，取得了较好的视觉效果，在此基础上，对弹塑性材料变形进行扩展。同时为了加速运行阶段的计算，充分发挥图形硬件的并行能力，算法利用像素处理器完成顶点位置的更新过程，提高了处理速度，使之适合于实时应用。（2）针对已有变形算法物理真实性与实时性不能兼顾的问题，本文综合物理变形方法和多分辨率网格编辑技术的优点，提出了一种适合于表面细节复杂物体的实时细节保持变形算法。该算法分为预处理和实时绘制两个阶段。在预处理阶段，将原始网格模型拆分成基网格和细节编码两部分；在实时绘制阶段，利用物理方法对基网格进行变形操作，然后通过变形后的基网格和细节编码重构出变形后的精细网格模型。为有效重构模型顶点的法向量信息，为物体真实感绘制做好准备，算法在对顶点位置进行细节编码的基础上进行扩展，给出了顶点法向量的细节编码方法。同时充分利用GPU（Graphics Processing Unit）的并行处理能力以提高算法效率。实验表明，该算法可以交互地模拟复杂物体的弹性变形。（3）预计算辐射传递技术是目前研究较多的一类全局光照加速算法，它具有绘制阶段计算简单快速的优点，但难以提供较好的交互性，无论是物体间的相对运动，还是物体的变形都将使预计算获得的数据失效。本文提出了一种适用于可变形物体的全频阴影绘制算法。在预处理阶段使用球体对三维物体进行拟合,同时对光照函数和BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）函数进行Harr小波变换；运行时阶段利用不同基函数的优势,在像素基空间进行多个球体可见性函数的快速合并，在小波基空间进行光照函数、BRDF函数和可见性函数的三乘积分，得到最终的光照值。针对小波三乘积分计算耗时的问题，使用CUDA（Compute Unified Device Architecture）对本文算法进行加速。实验表明，在全频光照环境下，本文算法较好地实现了可变形物体的阴影绘制效果，借助于最新的图形硬件支持，可以基本达到实时绘制。（4）随着人们对运动逼真性的要求不断提高，物理引擎在虚拟现实系统中所扮演的地位越来越重要，然而受到可变形物体物理计算复杂性的限制，目前的主流物理引擎对于可变形物体的支持均较为简单。针对这个难点，本文提出了可变形物体的多模型表示方法，该方法包括模型分解和模型同步两个部分，针对不同应用提供了物理模型、视觉模型和碰撞检测模型等多种模型表示方法，简化了计算复杂度。基于该模型表示方法，本文给出了一个支持可变形物体的物理引擎原型框架，该框架在物理模拟方面提供了对物理环境、刚体、变形物体、关节、碰撞检测以及功能扩展等多方面支持，并且可以与现有的三维图形引擎有效结合。实验表明，本文给出的物理引擎可以交互地模拟刚体、可变形物体的运动规律，增强了虚拟环境的物理真实感。