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VRP-Physics 物理模拟系统

VRP-PHYSICS物理模拟引擎(英文全称Virtual Reality Platform Physics,简称VRP-Physics)是中视典数字科技有限公司研发的一款物理引擎系统。系统赋予虚拟现实场景中的物体以物理属性,符合现实世界中的物理定律,是在虚拟现实场景中表现虚拟碰撞、惯性、加速度、破碎、倒塌、爆炸等物体交互式运动和物体力学特性的核心。

VRP-PHYSICS,简单的说就是计算3D场景中物体与场景之间、物体与角色之间、物体与物体之间的运动交互和动力学特性。在物理引擎的支持下,VR场景中的模型可以具有质量、可以受到重力、可以落在地面上、可以和别的物体发生碰撞、可以反应用户施加的推力、可以因为压力而变形、可以有液体在表面上流动……

功能特点

1、优秀高效的算法

    (1)独特的碰撞检测算法

    作为物理引擎的基础,VRP的物理引擎系统具有优秀的碰撞检测效率。在进行物理模拟之前,VRP会重新组织模型面片至计算最优化的格式,并且能存储为文件,避免再次模拟时的重新计算。碰撞检测之前也经过数次过滤,最大可能的排除碰撞检测时的计算冗余。

    (2)支持 CONTINUOUS COLLISION DETECTION 连续碰撞检测

    连续碰撞检测可以将物体每两帧之间的碰撞检测连续化,保证在运动路线中出现的物体都能参与到碰撞检测。

    (3)大规模运动场景进行局部调度计算

    让运动稳定的物体(如静止下来的物体、匀速转动的物体、匀速运动的物体)在碰撞检测组和非碰撞检测组之间动态的调度,排除了在不会产生碰撞的物体之间进行碰撞计算的计算冗余(比如两个静止下来的物体),有效降低计算量。

    (4)支持硬件加速

2、便捷的自定义机制

    (1)支持各种碰撞事件的自定义设置和实时响应

    在场景中的物体发生碰撞的时候,用户可以获得通知,且用户可以自己设置感兴趣的碰撞对象并对事件绑定脚本,实现在碰撞发生时产生声音、接触发生时播放动画的效果。

    (2)运动材质自定义

    VRP运动物体可以具有不同的运动材质(如橡皮、铁球、冰块),用户可以任意指定物体的弹性、静摩擦力、动摩擦力、空气摩擦阻尼等多种参数,模拟世界万物在刚体运动中具有的不同效果。

    (3)力学交互手段自定义

    用户可以对任意物体的任意位置施加推力、扭力、冲力等;也可以对物体动态设置速度、角速度、密度等参数。

    (4)运动约束连接自定义

    物理场景中的任何物体可以通过连接的方式把运动关联起来。VRP的物理系统中,提供了铰链连接、球面连接、活塞连接、点在线上的连接、点在面上的连接、粘合连接、距离连接等多种连接方式来关联两个物体的运动,且该运动关联是可断的。

    (5)碰撞替代体的自定义

    除了对模型的面片进行预处理参与碰撞检测,VRP还提供了盒形、球形、圆柱形、胶囊型、凸多面体五种在模型形状大致相同的情况下可以使用的替代碰撞体。

3、真实的效果模拟

    (1)真实的布料模拟

    用户可以将任何三角形网格的模型设置为布料,模拟过程中,布料以模型顶点为基础,实时生成顶点动画,每个三角形面片都将参与碰撞检测与力反馈,使布料如同现实中布料一样在场景中使用。

    (2)自由的力场模拟

    在场景中模拟刮风、水流时候的现象。物体处于力场中,可以因为角度不同,受到的力大小也不同,比如在“迎风站立”时和“侧风站立时”受到风力大小不同;力场所作用的范围也可以随意定制,在屋里和在屋外会有有风和无风的区别。

    (3)汽车等交通工具模拟

    能随意的构造汽车结构,可以根据由任意车轮来驱动、导向行驶,具有实时的碰撞检测和碰撞力度的反馈。

    (4)柔体模拟定义

    实时计算模型各个面的受力,生成逼真柔体的顶点动画效果,柔体能固定到任何刚体内部,也能将一个刚体固定到柔体内部充当柔体骨架。

    (5)刚体模拟

    VRP场景能够模拟真实的刚体运动,赋予运动物体密度、质量、速度、加速度、旋转角速度、冲量等各种物理属性,在发生碰撞、摩擦、受力的运动模拟中,不同的物流属性体现出不同的运动效果。

    (6)流体模拟

    场景中的流体粒子不仅能够参与碰撞,还具有流体自己的动力学特性:粒子之间吸附力、粒子之间的排斥力、流体的流动摩擦力等,达到逼真的流体效果,可直接应用到管道、排水系统、喷泉、泄洪等案例中。

    (7)场景重力、环境阻尼等环境特性模拟

    相对于其他物理引擎,VRP物理引擎还可以模拟一些难以达到的或者不存在的物理环境,比如在水下、太空、月球上的运动模拟,通过对场景的重力、环境阻尼等因素进行调节能达到各种物理实验环境。

行业应用

1、游戏制作

    物理引擎使游戏中的人或物在遇到碰撞时,体现出来的符合物理运动规律的运动,使游戏画面更逼真、更有真实感:大楼会根据攻击的方向、力度,倒向不同方向,同时落下数以千记的尘埃和碎片,产生更为真实和震撼的画面;游戏人物和载具因不同部位受创引起损伤而影响相关的行动、建筑因爆炸而出现部件结构式的连环塌陷、地面和墙体因枪林弹雨和轰炸形成的弹道坑洼等物理效果都表现地淋漓尽致。

2、虚拟教学

    物理引擎可以让虚拟现实在教学方面的应用得到更深入的发展,如物理教学、医学教育、虚拟驾驶等。用户可以直接置身于实验环境中,通过现场实时交互得到试验成果,不仅能达到认识教学的目的,还能培养使用者的实际操作经验。对于一些价格昂贵、结果严重或者甚至根本无法实现的教学环境的虚拟教学实验完全可以达到替代作用。

3、互动展示

    物理引擎使简单的产品三维展示升级为动态的交互式产品体验,用户通过与展示环境的动态交互,更清晰了解产品的各种属性。比如在进行水龙头、淋浴喷头的3D物品展示时,不仅可以让用户自行调节水流的大小,还可以让虚拟角色伸手过去“感受”水流的碰撞,增加更真实的体验。

4、军事模拟演练

    物理引擎在军事模拟演练中的作用尤为重要,比如在一个战场地形中,虚拟的炸弹在某个地方产生爆炸后,物理引擎能计算出各个虚拟陆战队员的位置被该爆炸波及的程度,结构脆弱的掩体将会因为该爆炸而塌陷,从而通过虚拟演练能更好的规划战壕、掩体或者进攻线路的抉择。

5、工程试验

    工程试验中,复杂结构的受力分析是相当复杂的,当不同的杆件通过各种连接约束构造出一个结构后,物理引擎能够轻松的模拟出该结构体的力学传递。当结构受到某个方向的破坏力,虚拟结构能从最脆弱的部位开始崩溃,从而可以辅助工程人员决策工程重点、预防结构坍塌。

6、应急救援演练

    物理引擎在应急救援演练中起着关键性的作用,比如在消防虚拟训练中,物理引擎不仅能真实的实时模拟烟雾和火势的走向,在救助行动中,一些脆弱的结构,也会因为被焚烧或者踩踏而倒塌,增加救助行动的真实度。消防员更能主动撞开一些通道,或者挪动一些石块清理救助路线,当然这些行动如果动摇了所支撑的上层结构时,虚拟场景同样也会毫不留情的塌陷下来。

7、动画制作

    物理引擎将动画师从关键帧动画中解放出来,动画师不再需要一帧一帧调节动画,不需要定制每个物体在空中的飞行时间和路径,节省了大量的时间;物理引擎使动画中的每个细节都能参与计算,带碰撞的粒子效果、具有扩散性的烟雾、具有吸附力的水面、爆炸碎块的碰撞以及产生的结果、刮风时引起的细节效果……动画更具有真实感。

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