虚拟装配环境下基于统计形状模型的可变形物体仿真技术研究

Virtual assembly technology is an important tool for product assembly planning and simulation. Since positional and geometric constraint based simulation is deficient in the consideration about physical attribute and lead to inauthentic simulation result, physics-based simulation is becoming one of the key issues of the virtual assembly technology and has drawn much attention from researchers. The complexity of the computation for the forces and geometric deformation of the deformable objects makes it a challenge to establish a suitable physically based deformable model that real-time interaction and authentic result can be guaranteed, that limits the development of the application of the virtual assembly technology. In this project, statistical shape model that the geometric difference between different samples and between the same sample bearing different forces is constructed, integrated the prior knowledge of the physical material property. The collision response of the deformable objects for virtual assembly can be computed based on this statistical shape model, and visual and force rendering can be completed with both accuracy and computational efficiency satisfied.

虚拟装配技术是产品装配仿真规划的重要手段，相对于纯几何和位置约束的仿真，基于物性的装配仿真由于更具真实性而成为该技术的关键研究问题之一。但由于可变形物体的变形及受力过程的复杂，使得普通计算模型难以兼顾仿真真实性和交互实时性，成为其在虚拟装配环境下应用的主要限制。本项目通过构建能同时反映可变形物体不同实例之间形状差异和同一实例在不同受力条件下形状变化，形成包含受力边界条件及受力分布等物理特征信息的统计形状模型，并基于该模型实现可变形物体虚拟装配下的碰撞响应，再现兼顾实时交互性和物理真实性的形变视觉仿真和力觉反馈，为虚拟装配环境下可变形物体的仿真提供理论基础。

虚拟装配技术是产品装配仿真规划的重要手段，相对于纯几何和位置约束的仿真，基于物性的装配仿真由于更具真实性而成为该技术的关键研究问题之一。但由于可变形物体的变形及受力过程的复杂，使得普通计算模型难以兼顾仿真真实性和交互实时性，成为其在虚拟装配环境下应用的主要限制。本项目通过构建能同时反映可变形物体不同实例之间形状差异和同一实例在不同受力条件下形状变化，形成了包含受力边界条件及受力分布等物理特征信息的统计形状模型，并基于该模型实现可变形物体虚拟装配下的碰撞响应，再现了兼顾实时交互性和物理真实性的形变视觉仿真和力觉反馈，为虚拟装配环境下可变形物体的仿真提供了理论基础。项目主要解决了如下两方面问题：（1）对于可变性特征的“小样本”问题及训练样本几何形状特征快速匹配问题，提供行之有效地解决方法。将同时结合两种方法以解决可变性特征的“小样本”问题：一是通过有限元仿真的模式以人工扩展训练样本集；二对固定数目的样本库，采用分块统计形状模型法进行处理。训练样本的快速匹配则将利用最近点迭代法（ICP）及球面调和函数法（SPHARM）计算初值，并在用最小描述长度法（MDL）进行迭代优化过程中引入“形状树”的概念，以克服传统MDL 同时进行全样本优化分析带来的计算时间消耗，为大数量训练样本快速匹配问题提供解决方法。（2）本项目通过将统计形状模型法应用于虚拟装配环境的可变形物体仿真，为单纯基于几何形变模型或物理形变模型的可变形物体仿真研究提供了新的解决思路，并突破现有虚拟装配的物性仿真仅集中于少数几类对象的局限，扩展至一般可变形物体的仿真。构建同时包含研究对象两层含义变形模式及受力边界条件和受力分布等物理特征信息的统计形状模型，以碰撞检测获得的信息进行个体化求解，获得形变视觉仿真的最终结果及力反馈结果的初始值，克服传统形变及力学模型分析中精度与实时交互的兼顾需求，使的虚拟装配环境下一般可变形物体的仿真技术更具工程应用价值。