Editing 3D Models Using Physical Simulation

Abstract

Simulace 3D modelů je důležitou součástí počítačové grafiky. Počítání deformací materiálů v reálném čase je široce užíváno v animacích. Co se týče animací, deformace materiálů musí být věrohodné pro obecné publikum, ne nutně fyzikálně přesné. Metoda Mass-spring systems nabízí řešení, které rozkládá objekty na šestistěnné elementy. Síť elementů definuje systém strun spravovaný Newtonovskou dynamikou. Parametry používány na nastavování vlastností materiálů na strunách jsou Poissonova konstanta, Youngův modul elastičnosti a hustota materiálu. Dynamika sítě je vypočítávaná použitím integračních metod, které aplikují obyčejné diferenciální rovnice. Práce prezentuje aplikaci řešení na jednoduchém okénkovém editoru pro uživatele neseznámené s danou tematikou. Algoritmické jádro a implementace jsou rozebrány do detailů. Editor podporuje interní soubory pro ukládání, exportování zdeformovaných objektů a výběr integračních metod. Porovnání použitých metod je prezentováno v rámci rychlosti, přesnosti a stability.

Simulation of 3D models is an important part of computer graphics. Real-time rendering of material deformations is widely used in animations. Regarding the animations, the deformations of materials must be plausible for public audience, not necessarily physically accurate. Mass-spring systems method offers a solution that decomposes objects to hexahedral elements. The element mesh define a spring system governed by Newton dynamics. Parameters used to set up material characteristics on the springs are Poisson's ratio, Young's modulus of elasticity and density of the material. The mesh dynamics are solved using integration methods which apply ordinary differential equations. The thesis presents application of the solution in a simple windowed editor for users unfamiliar with the topic. Core algorithms and implementation are discussed in detail. The editor supports internal save files, exporting of deformed objects and multiple integration methods. Comparison of the used methods is presented in terms of speed, accuracy and stability.