模拟物体变形最简单的方法就是采用弹簧质点系统(Spring-Mass System),由于模型简单并且实用,它已被广泛应用于服饰、毛发以及弹性固体的动态模拟。对于三角网格而言,弹簧质点系统将网格中的顶点看作系统中的质点,而网格的边则是连接这些质点的弹簧。这样,弹簧质点系统模型就将物体简化成由弹簧和质点组成的系统,并利用弹簧质点的运动规律来描述物体的弹性变形过程。

  Verlet积分是求解牛顿运动方程的数值方法,原理简单描述如下:首先将系统t+dt时刻的位置x(t+dt)以及系统t-dt时刻的位置x(t-dt)用泰勒公式展开:

  上面两式相加后得到:

  进一步变化得到:

  因此通过上式可以根据系统前两时刻的状态求解系统的当前状态,这与”基于网格的波动方程模拟“一文中的求解过程有些类似。

  为了真实模拟物体变形效果,需要对弹簧质点系统进行受力分析:1. 每个质点有自身重力的影响;2. 每个质点受到与它相连的弹簧弹力影响,弹簧弹力遵守胡克定律;3. 质点运动时受到与其速度成正比的阻尼约束;4. 质点会受到其他外力的影响,由于施加的外力在每个三角面片上有一个法向分量,我们只需对每个质点周围三角片上的这些分量相加即可。

% constrains option
wind = false;
ball = true;
pins = false; figure('Position', [, , , ]);
fh = drawMesh(V,F,'facecolor','y','edgecolor','none');
if ball
center = [ -];
radius = ;
drawSphere([center radius], 'facecolor','r', 'nPhi',, 'nTheta',);
end
if pins
plot3([-;], [;], [;], 'k-', 'linewidth',);
end
view([- ])
axis equal
axis off
axis([- - - ]);
camlight
lighting gouraud set(gca, 'position', [ ]); % initial condition
x_pre = V;
x_cur = V; % rest length
E = edges(F);
l0 = vectorNorm3d(V(E(:,),:) - V(E(:,),:)); nV = size(V,);
draw_t = ;
tic;
while true
% spring force
Fs = stiffness * (vectorNorm3d(x_cur(E(:,),:) - x_cur(E(:,),:)) - l0);
dir = normalizeVector3d(x_cur(E(:,),:) - x_cur(E(:,),:)); M1 = sparse(E, E, [Fs.*dir(:,);-Fs.*dir(:,)]);
M2 = sparse(E, E, [Fs.*dir(:,);-Fs.*dir(:,)]);
M3 = sparse(E, E, [Fs.*dir(:,);-Fs.*dir(:,)]);
as = [diag(M1), diag(M2), diag(M3)] ./ m; % wind force
aw = zeros(nV,);
if wind
N = normalizeVector3d(normals(x_cur,F));
Fw = N * wind_force(i/)' .* wind_strength; M1 = sparse(F, F, repmat(Fw.*N(:,),,));
M2 = sparse(F, F, repmat(Fw.*N(:,),,));
M3 = sparse(F, F, repmat(Fw.*N(:,),,));
aw = [diag(M1), diag(M2), diag(M3)] ./ m;
end % verlet integration with a simple damping model
x_new = drag*(x_cur - x_pre) + x_cur + bsxfun(@plus, as+aw, g)*dt*dt; x_pre = x_cur;
x_cur = x_new; % ball constrains
if ball
diff = bsxfun(@minus, x_cur, center);
index = vectorNorm3d(diff) < radius+;
x_cur(index,:) = bsxfun(@plus, center, bsxfun(@times, normalizeVector3d(diff(index,:)), radius+));
end % pin constrains
if pins
x_pre(pin_idx,:) = V(pin_idx,:);
x_cur(pin_idx,:) = V(pin_idx,:);
end % updata figure
if toc > 0.033
set(fh, 'Vertices', x_cur);
drawnow;
tic;
end
end

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