Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Napredna 3D računalniška grafika in vizualizacije
Helena Gabrijelčič Tomc(UL, NTF, Oddelek za tekstilstvo, grafiko in oblikovanje)
2. stopnja, magistrskega študija GIK
Dinamične simulacije togih in mehkih teles
Silehttp://prlombardi.com/portfolio/illustrations.html
Lastnosti sil: • točkovne sile ali radialne sile• linearne sile• konične – stožčaste sile• posebne sile
Učinek sil: • lokalni• globalni• določeni na objekte (trenje, privlačna in odbojna sila ipd.)
Sile
• gravitacija (privlak med objekti, 9,8 m/s2) • rotacijske sile: centrifugalna, (centripetalna)• veter, ventilator• razburkanost (turbulenca): jakost, šum, pojemanje• deformacijske sile (motnje, funkcije)• sile po poti• eksplozije• sile za sistem partiklov
• neprimerljivost parametrov sil med različnimi programi
Vrste sil
• veterGravitacija
• realni čas• skripta delovanja sile:gravitacija na izhodiščni objekt,
vektorji usmerjeni v veliko kroglo, razdalja kot faktor voliva na silo gravitacije
(masa*1/razdalja)*vektor
BlenderGameEngine
http://www.youtube.com/watch?v=IX3Os4Ngql8
• veter
veter
partikli
Veter
http://www.youtube.com/watch?v=g6mkKYRkvMM
• sile po poti, gravitacija
pot
gravitacija
sila po poti
Sile po poti (gravitacija)
• eksplozijaEksplozije
http://vimeo.com/17564435
Dinamika togih (trdih) teles
Trki, kolizija (Collision)Kinematika trdnih teles
• dinamika je veja mehanike, ki se ukvarja z gibanjem teles, ki so v določeni akciji zaradi delovanja sil
• Newtonova dinamika, makroskopski nivo (študij gibanja teles, pri katerih je hitrost bistveno manjša od hitrosti svetlobe)
• relativistična dinamika, mikroskopski oz. submikroskopski nivo: gibanje teles, katerih hitrost je blizu svetlobni ali se gibljejo s svetlobno hitrostjo
Trki, kolizija (Collision)Newtonova dinamika
• KINEMATIKA: študij geometrije v gibanju, opisuje gibanje teles brez reference s silami, ki povzročajo gibanje oz. so generirane kot rezultat gibanja (lega, hitrost, pospešek brez reference vzroka gibanja)
• KINETIKA: je študij relacij med silami, ki delujejo na telo, porazdelitev mase telesa ter gibanjem telesa
prostor čas masa Gravitacija (Newton)
Newtonovi zakoni
https://www.youtube.com/watch?v=NYVMlmL0BPQ
Newtonova dinamika
Trki, kolizija (Collision)
• spremembe togega telesa so minimalne v primerjavi z dimenzijami telesa ali spremembo lege telesa
• ni odboja oz. je slednji minimalen• majhna, neopazna deformacija objektov (kovinski objekt, kamen) • priporočljivo opazovanje trka na realnih objektih (!)
Dinamika togih in trdnih teles
togo vs. mehko
Dinamika trdnih teles
masa, teža (mass, weight)prostornina in gostota (volume; density)fleksibilnost, elastičnost (fleksibility, elasticity)trenje in hrapavost (friction, roughness)
• lastnosti togih teles
Dinamika togih teles – simulacijski krog
simulacijski krog togih teles
• pospešek na določeni poti/ času sprememba hitrosti in lege/časovni interval
• delovanje sile pospešek objekta z določeno maso
Dinamika trdnih teles
sila=masapospešek
Ko se objekti gibljejo relativno drug na drugega se rešuje izzive:
1. detekcija morebitne kolizije
je striktno kinematični problem, saj se ukvarja z lokacijo in orientacijo objektov ter kako se ti parametri
spreminjajo s časom
2. računanje ustrezne reakcije na kolizijo
je dinamični problem, saj se sile, kot rezultat kolizije, preračunavajo in uporabijo za produkcijo novega
gibanja za vključene objekte
Kolizija trdnih teles
kinematična rešitev za reakcijo kolizije(preprečuje se penetracija v drugi objekt,ni fizikalno točno vendar zadostuje za vizualizacije)
http://www.youtube.com/watch?v=G-Y6k9yyxjo http://www.youtube.com/watch?v=icRRP9uZhPA
Kolizija trdnih teles
FrikcijaFrikcija
• sila upora lateralnemu relativnemu gibanju dveh trdnih objektov, ki sta v kontaktu
Delimo na 1. statično frikcijo, med površinama, ki se ne gibljeta2. kinetično frikcijo, med površinama, ki se gibljeta
horizontalna in vertikalna komponenta frikcijske sile
• način gibanja• predmet kolizije – trka• frikcija žog na tleh• odboj (deformacija)• sila odboja (deflektor) žog glede na tla• partikli: rojstvo (birth), dolžina življenja (life value)
Kolizija trdnih teles: kolizija + frikcija
kolizija (objekt odboja)
objekti
emiter
deflektor
https://www.youtube.com/watch?v=j4mxXu1Vz7w
Simulacije deformabilnih (mehkih) teles
Dinamika mehkih teles
fleksibilnost, elastičnost (fleksibility, elasticity)neenakomernost deformacij
• lastnosti
• neenakomerno učinkovanje fizikalnih zakonitosti (sil) na različne točke telesa
• neenakomerno gibanje posameznih točk telesa deformacija
Dinamika mehkih teles
togo vs. mehko
Dinamika mehkih teles
• mehka telesa so deformabilna telesa
• oblika telesa se spreminja pri delovanju sil oz. gibanju (pri togih telesih se ne): relativna razdalja med dvema točkama ni fiksna temveč se spreminja; vsekakor pa telo zadržuje vsaj nekaj lastnosti svoje prvotne oblike do določene mere (v primerjavi s tekočinami, kjer gre za popolno izgubo prvotne oblike)
• absorbcija sile trka z deformacijo (nastavitev elastičnosti - Flexbile lattice)
• možnost nastavitve povratne deformacije (elastična deformacija)
• področja: mehka organska telesa (žoge, želeji, mišice, lasje, vegetacija, tekstil)
• metode računalniške grafike vključujejo veliko poenostavitev in so znanstveno oz. inženirsko manj točne
Modeli simuliranja mehkih teles
• metoda minimalne energije (Energy minimization methods): uporabljeni so variacijski principi in fizika površin, ki diktirajo, da bo določena površina zavzela obliko, ki minimalizira celotno energijo deformacij (analogno kot milni mehurček)
metoda vzmetne mase metoda minimalne energije
• metoda vzmetne mase (spring/mass model): telo je modellirano kot nabor točk z določeno maso (vozlišča), ki so povezana z idealno elastično vzetjo brez teže (Hook-ov zakon)
• metoda končnih elementov (Finite element simulation): je fizikalno eksaktna, uporablja metodo končnih elementov za reševanje delnih parcialnih enačb, ki vladajo v dinamiki elastičnih materialov
Modeli simuliranja mehkih teles
• metoda, ki temelji na togih telesih (Rigid-body based deformation): deformacije se upravljajo s pomočjo fizike togih teles, tako da se mreži več togih teles skupaj z določenimi omejitvami gibanja ali matrico kože za generiranje upodabljanje površine mreže
• metoda ujemanja oblike (Shape matching): omejtve in prisile so uporabljene v modelu z namenom ohranjanja njegove originalne oblike (t.j. material se obnaša, kot bi imel spomin oblike)
https://www.youtube.com/watch?v=y_2cAuDEny0
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=IWkooa97Ns0http://www.youtube.com/watch?v=Nd_drLGIw80
Cinema 4D, Soft Body Clothide Soft body, collision, HDRi, Blender 2.62.
• kombinacija z IK
Tekstil in oblačila
Tekstil• izjemna deformacija pri trku s togim objektom• velika ločljivost tekstila• ni odboja, deformacija po obliki kolizijskega objekta (Bend)• lastnosti: material, frikcija, debelina, gostota, elastičnost, upogib• objekt kolizije: lastnosti togega, trdnega objekta • primerljivost parametrov s fizikalnimi
Tekstil
http://steffe.se/wp-content/uploads/2011/08/osten.png
http://courses.cs.washington.edu/courses/cse557/00wi/artifacts/final/grossman_will/ourmodel.html
Metoda vzmetne mase
http://davis.wpi.edu/~matt/courses/cloth/physical.html
• 2D mreža
Energijske funkcije
http://www.intechopen.com/books/advances-in-modern-woven-fabrics-technology/mechanical-analysis-of-woven-fabrics-the-state-of-the-art
Metoda končnih elementov
https://www.youtube.com/watch?v=7opGFD7aKHk
Metoda končnih elementov
Test kolizije
https://www.youtube.com/watch?v=N-zxCE4W-r8
Kolizijski test
• zelo kompleksni izračuni
• uporaba objemajočih kock ter hierarhije
• na podlagi premika objemajočih kock se posledično premaknejo tudi oglišča tekstila
https://www.researchgate.net/publication/280561645_Collision_Detection_between_Cloth_and_a_Solid_Object_using_Mass_Spring_Model_and_Bounding_Volume_Hierarchy
Kolizijski test
• geometrijski element ali le dodana spremenljivka (Modifier)• ločljivost
ploski kroj – referenčne točke (šivi, odprtine) – povezovanje točk
Digitalno šivanje
Digitalno šivanje
Specializirani programi za vizualizacije tekstila in oblačil: OptiTexSpecializirani programi (Optitex)
https://www.youtube.com/watch?v=owUAq5wcr2g
Teskture za tekstil
alfa
barre (vezava)
barre, normal
spekularna mapa
Vizualizacije tekstila
Vizualizacije tekstila
https://www.youtube.com/watch?v=nHBwKBMvDRc
Vlakna in lasje
Vlakna
• dinamični parametri: teža, togost• uporaba globalnega koordinatnega sistema (gravitacija)• sile: gravitacija, veter, kolizija (samokolizija)• kolizija (med vlakni, med nosilnim objekto, drugimi objekti)• kolizija v obliki nekega telesa ali določeno s poligoni
• orodja za oblikovanje pričeske
Vlakna in lasje
strukturamodeliranje in funkcija
• dinamični vidik• hierarhija• vpliv niotranjih in zunanji sil• določanje glavnih, vodilnih vlaken
Vlanka in lasje, struktura
Vlakna
Problemi pri animaciji las in vlaken• realistične interakcije las-las, las-telo, las- zrak• dinamika v realnem času
Vlanka in lasje
Fizikalni pristopi • modeli masne vzmeti• modeli dinamičnega kontinuuma• modeli s sistemi delcev• modeli, ki vključujejo NURBS površine
2. geometrične tube (voksel: volumentrični piksel)
• specifike pri shranjevanju in upodabljanju (aktualne težave)
Vlanka in lasje, rešitve
1. teksture
3. sistemi delcev
http://wiki.blender.org/index.php/User:Sascha_Uncia/Doc:2.6/Manual/Physics/Particles/Mode
https://knowledge.autodesk.com/support/3ds-max/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2015/ENU/3DSMax/files/GUID-4BCFC5E4-266F-43AA-A552-77CC241F9D1E-htm.html
Vlanka in lasje, simulacija
• določanje rasti po krivulji
• glavna vodila vlaknin
Volumetric Methods for Simulation and Rendering of HairLena Petrovic Mark Henne John Anderson
Volumetrični pristopi
Volumetrični pristopi
Volumetric Methods for Simulation and Rendering of HairLena Petrovic Mark Henne John Anderson
• linearna interpolacija pri ključnih vlaknih ni vidna• uporaba Kartezijske prezentacije vokslov tako za osvetljevanje in simulacijo lastnosti vlaken in las• volumetrična reprezentacije las je omogočena z računanjem gostote ključnih vlaken na vsakem oglišču mreže vokslov• ključno vlakno je predstavljeno s B-zlepkom (krivuljo)
Volumetrični pristopi
Houdini
Animacija
https://www.youtube.com/watch?v=8L3wq6d26yIhttps://www.youtube.com/watch?v=ZVI8JBrc-bw
Animiranje lika: 20.12. Ksenija Ozebek