大規模三維模型資料庫中模型物理屬性方法研究

《大規模三維模型資料庫中模型物理屬性方法研究》是依託北京師範大學，由周明全擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 依託單位：北京師範大學
• 項目負責人：周明全
• 項目類別：面上項目

項目摘要

目前虛擬現實系統在真實感模擬方面與現實世界仍存在一定距離，迫切需要突破三維模型物理屬性瓶頸，以提高虛擬現實系統三維空間擬真的表現能力。基於我們研製的大規模（6萬餘個）三維模型庫基礎，研究通用的三維模型物理屬性相關理論方法及實驗模擬技術，解決虛擬環境中的模型真實和行為真實問題。1、研究三維模型物理屬性表示方法，提出三維模型統一規範化標準，建立三維模型物理屬性表示模型；2、根據三維模型的分類研究基礎，研究模型描述方法，基於數學理論提出計算屬性值規則，實現對物理屬性模型值的計算；3、研究基於物理屬性的三維模型形變模型，根據各類模型物理屬性的不同，模擬物體間發生關係後形變規律。4、建立具有物理屬性的虛擬現實原型系統，研究基於物理屬性三維模型行為模擬，以客觀反映三維模型在外界作用時的行為效果。本研究為三維模型庫物理屬性標準化建模奠定基礎，科學意義重大。作用於虛擬現實及運動控制等領域，套用前景廣泛。

結題摘要

針對目前虛擬現實系統在真實感模擬方面的不足，在虛擬環境中的三維物體，視覺上的幾何屬性為主，亟待突破三維模型物理屬性瓶頸，以提高虛擬現實系統物體在三維空間擬真的表現能力。本研究在模型屬性表示、仿真模擬、求解方法、系統平台四方面取得研究進展與相應成果： (1) 屬性表示及屬性建模研究。建立了3D模型大規模(10萬)模型庫，籍此展開三維模型物理屬性構造及計算研究、建立不同三維模型的物理屬性資料庫以及語義知識庫，提出基於語義的物理屬性賦值方法，對模型大類實現物理屬性賦值，並實現了3000個模型的精細分類。 (2) 物理運動模擬研究。針對模型庫剛體、流體、柔體三類不同屬性物體，給出5類型基於物理屬性的仿真模擬，即基於物理的3D模型時變方法、流體模型的3D仿真模擬、布料服飾類3D模型模擬及動力學模型辛幾何方法求解、毛線類3D織品、腦血管、頭髮類3D實物基於球B樣條的仿真與模擬。 (3) 物理模擬求解方法。引入精細時程積分方法進行剛體物理運動求解，使動力學求解過程有較少數量疊代且精度高。提出基於最佳化的可變步長動力學求解方法，解決動力學方程解算時間過長及運動失穩問題。研究解決了碰撞與摩擦情況下非光滑鏈式多體系統中幾何-物理混契約束表達與求解問題，基於能量得到含碰撞行為的多體系統動力學方程。研究解決形變物體及非剛體模擬，布料等柔體複雜模型曲面物理屬性的B樣條參數表達與模擬方法，提出了面向Hamilton系統動力學模型的基於辛幾何的柔體3D模型動力學模型求解方法。 (4) 平台開發。開發三維模型資料庫管理系統和虛擬場景真實感模擬平台，構建基於物理屬性的布料虛擬模擬、北京胡同及古建虛擬實時展示、基於時變紋元的人臉老化與模型風化模擬三個子系統，實現海量3D模型管理、模型屬性管理、物理屬性快速複製、三維模型物理運動模擬。 本研究形成相關理論方法、套用系統，為三維模型物理屬性標準化建模奠定基礎，形成了相關技術方法與原型系統,作用於虛擬現實與運動控制等領域，套用前景廣泛。完成並部分超額完成項目預定目標。發表高質量論文22篇，其中SCI 5篇、EI 4篇，申請發明專利4項，軟著1項，該研究支持獲得2015年教育部科技進步獎; 培養博士5人、碩士6人，舉辦國際國內學術研討會3次，參加國際國內相關學術會議交流20餘次，項目主持人在CCF前沿技術講習班分享三維模型物理屬性的研究進展,效果良好。