大规模三维模型数据库中模型物理属性方法研究

目前虚拟现实系统在真实感模拟方面与现实世界仍存在一定距离，迫切需要突破三维模型物理属性瓶颈，以提高虚拟现实系统三维空间拟真的表现能力。基于我们研制的大规模（6万余个）三维模型库基础，研究通用的三维模型物理属性相关理论方法及实验模拟技术，解决虚拟环境中的模型真实和行为真实问题。1、研究三维模型物理属性表示方法，提出三维模型统一规范化标准，建立三维模型物理属性表示模型；2、根据三维模型的分类研究基础，研究模型描述方法，基于数学理论提出计算属性值规则，实现对物理属性模型值的计算；3、研究基于物理属性的三维模型形变模型，根据各类模型物理属性的不同，模拟物体间发生关系后形变规律。4、建立具有物理属性的虚拟现实原型系统，研究基于物理属性三维模型行为模拟，以客观反映三维模型在外界作用时的行为效果。本研究为三维模型库物理属性标准化建模奠定基础，科学意义重大。作用于虚拟现实及运动控制等领域，应用前景广泛。

针对目前虚拟现实系统在真实感模拟方面的不足，在虚拟环境中的三维物体，视觉上的几何属性为主，亟待突破三维模型物理属性瓶颈，以提高虚拟现实系统物体在三维空间拟真的表现能力。本研究在模型属性表示、仿真模拟、求解方法、系统平台四方面取得研究进展与相应成果：.(1) 属性表示及属性建模研究。建立了3D模型大规模(10万)模型库，籍此展开三维模型物理属性构造及计算研究、建立不同三维模型的物理属性数据库以及语义知识库，提出基于语义的物理属性赋值方法，对模型大类实现物理属性赋值，并实现了3000个模型的精细分类。.(2) 物理运动模拟研究。针对模型库刚体、流体、柔体三类不同属性物体，给出5类型基于物理属性的仿真模拟，即基于物理的3D模型时变方法、流体模型的3D仿真模拟、布料服饰类3D模型模拟及动力学模型辛几何方法求解、毛线类3D织品、脑血管、头发类3D实物基于球B样条的仿真与模拟。.(3) 物理模拟求解方法。引入精细时程积分方法进行刚体物理运动求解，使动力学求解过程有较少数量迭代且精度高。提出基于优化的可变步长动力学求解方法，解决动力学方程解算时间过长及运动失稳问题。研究解决了碰撞与摩擦情况下非光滑链式多体系统中几何-物理混合约束表达与求解问题，基于能量得到含碰撞行为的多体系统动力学方程。研究解决形变物体及非刚体模拟，布料等柔体复杂模型曲面物理属性的B样条参数表达与模拟方法，提出了面向Hamilton系统动力学模型的基于辛几何的柔体3D模型动力学模型求解方法。.(4) 平台开发。开发三维模型数据库管理系统和虚拟场景真实感模拟平台，构建基于物理属性的布料虚拟模拟、北京胡同及古建虚拟实时展示、基于时变纹元的人脸老化与模型风化模拟三个子系统，实现海量3D模型管理、模型属性管理、物理属性快速复制、三维模型物理运动模拟。.本研究形成相关理论方法、应用系统，为三维模型物理属性标准化建模奠定基础，形成了相关技术方法与原型系统,作用于虚拟现实与运动控制等领域，应用前景广泛。完成并部分超额完成项目预定目标。发表高质量论文22篇，其中SCI 5篇、EI 4篇，申请发明专利4项，软著1项，该研究支持获得2015年教育部科技进步奖; 培养博士5人、硕士6人，举办国际国内学术研讨会3次，参加国际国内相关学术会议交流20余次，项目主持人在CCF前沿技术讲习班分享三维模型物理属性的研究进展,效果良好。