一种“质点-弹簧”系统驱动的点集模型动画自动生成方法

摘要

本发明公开一种由“质点-弹簧”系统驱动的点集模型动画自动生成方法。方法首先读取点集模型数据，将其缩放为指定大小，并计算缩放后模型的坐标轴向包围盒；然后通过剖分包围盒建立“质点-弹簧”系统，同时确定弹簧格网与点集模型中各点的关联关系；根据设定的初始条件和运动基本定律，分析“质点-弹簧”系统的受力情况，由弹簧系统驱动点集中各点的位置更新。在点集变化过程中，由当前时刻点集模型构建点集曲面，并将点集曲面进行网格化处理，再通过绘制网格模型生成动画的当前帧；动画的后续帧由动力学方程所确定的下一时刻的弹簧系统状态决定。本方法只需设定系统的初始状态便可自动地生成点集模型运动动画。

主权项

一种“质点‑弹簧”系统驱动的点集模型动画自动生成方法，其步骤是：a.点集模型预处理：读取点集模型数据，该数据是确定坐标系下一系列三维空间顶点的坐标；分别选取点集模型中顶点坐标在x、y、z方向上的最大值和最小值，并根据这些值构建各棱均平行于坐标轴的轴向包围盒B₁；对包围盒B₁和包围盒中的点集等比例缩放，使其最长棱边为L，形成规格化点集模型和包围盒B₂；将规格化模型及其包围盒B₂平移至坐标系空间中的易处理位置；b.建立“质点‑弹簧”系统：将包围盒B₂进行剖分，形成空间栅格结构；在栅格顶点处放置质量为M的质点，将每一质点与其相邻或间隔相邻质点采用刚度系数为K的弹簧相连，得到“质点‑弹簧”系统；c.关联模型顶点与弹簧格网：根据“质点‑弹簧”系统中的空间栅格与点集模型中每个顶点的位置分布关系，确定点集模型中各个顶点所对应的栅格，建立二者之间的关联；d.施加作用力于弹簧系统：设置质点运动初始状态，对“质点‑弹簧”系统中的部分或所有质点施加作用力，改变其运动状态；e.分析弹簧系统的受力情况，并更新点集坐标：检测“质点‑弹簧”系统中的每个质点，根据弹簧连接关系分析质点受力情况：计算其受到弹簧内部力、阻尼、重力及其他力的合力；然后根据运动定律求解每一质点的加速度、速度、位移量和其他信息以及其在下一时刻的位置坐标；f.构建点集模型相应的点集曲面：根据当前点集模型中各点的空间位置，运用曲面拟合方法构造当前点集模型的隐式曲面表示；g.网格化点集曲面：采用基于空间剖分的Marching Cubes方法，将隐式曲面转化为三角网格模型；h.动画生成：将生成的网格模型渲染成动画的当前帧，并由动力学方程所确定的下一时刻的弹簧系统状态决定动画的下一帧；反复迭代，直到生成所需的动画帧系列为止。