基于CUDA的柔軟織物仿真研究.pdf

1、柔軟織物與我們的生活息息相關(guān)，因此它成為了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中一類(lèi)重要的仿真對(duì)象。早在19世紀(jì)80年代，研究人員便開(kāi)始關(guān)注基于物理的柔軟織物的仿真研究。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于游戲娛樂(lè)、影視動(dòng)畫(huà)、服裝設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。盡管柔軟織物仿真的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常豐富，在某些方面，依舊面臨巨大挑戰(zhàn)，比如如何提升模擬織物的褶皺細(xì)節(jié)時(shí)的時(shí)間性能。而為了在不損失真實(shí)度的條件下顯著提高仿真的時(shí)間性能，人們開(kāi)始越來(lái)越多地關(guān)注基于GPUs對(duì)布料仿真進(jìn)行并行化仿真

2、的研究。本文便旨在基于CUDA架構(gòu)對(duì)柔軟織物仿真的相關(guān)算法進(jìn)行并行化，優(yōu)化仿真系統(tǒng)的時(shí)間性能。論文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi):
　　首先，介紹了柔軟織物仿真相關(guān)的軟件和硬件技術(shù)以及并行化編程的基礎(chǔ)，例如GPU并行編程的硬件架構(gòu)及并行編程思想等。為后面對(duì)數(shù)值解算及碰撞檢測(cè)算法的并行化提供了理論依據(jù)。然后分為幾個(gè)部分介紹仿真系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分及其算法研究。
　　第一步為對(duì)柔軟織物物理建模。并通過(guò)對(duì)比分析目前主流的三種柔軟織物建模方法

3、，選擇了物理建模技術(shù)作為本文的重點(diǎn)研究方法。接下來(lái)詳細(xì)描述物理建模方法中的質(zhì)點(diǎn)-彈簧系統(tǒng)理論，從模型的構(gòu)建、系統(tǒng)的受力分析兩個(gè)方面闡述質(zhì)點(diǎn)-彈簧系統(tǒng)，并分析解決質(zhì)點(diǎn)-彈簧系統(tǒng)的“超彈性”問(wèn)題。然后，對(duì)比質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的幾種動(dòng)力學(xué)積分解算方法，選擇了易于進(jìn)行并行化設(shè)計(jì)且相對(duì)較為穩(wěn)定、高效的Verlet積分法。最后對(duì)Verlet積分法的并行化做了研究，提出共享內(nèi)存與線(xiàn)程的動(dòng)態(tài)映射方法以保證了并行化計(jì)算時(shí)的負(fù)載均衡。
　　接下來(lái)是柔軟織物

4、仿真系統(tǒng)中的碰撞檢測(cè)部分進(jìn)行并行化。首先介紹并對(duì)比幾種常用的碰撞檢測(cè)方法，結(jié)合柔軟織物易形變的特性，最終選擇了AABB層次包圍盒方法。然后針對(duì)AABB層次樹(shù)，提出了一種改進(jìn)的二叉基數(shù)布局方法，以便能夠用完全并行的方法創(chuàng)建AABB包圍盒的層次結(jié)構(gòu)，以及AABB包圍盒的計(jì)算。另外，通過(guò)改進(jìn)遍歷樹(shù)的并行遞歸算法，實(shí)現(xiàn)了并行迭代遍歷算法，極大提升了該部分的時(shí)間性能。
　　最后，給出基于CUDA柔軟織物仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。為了便于分析論文中