考虑物理属性的几何仿真及软件实现.pdf

摘要

计算机仿真软件是产品创新和工业装备的核心技术之一，不仅对工业生产产

生着巨大的影响，还在军工装备的研发和国防事业中发挥着举足轻重的作用，计

算机仿真软件的发展水平可以反映一个国家的工业技术水平。针对电子科技大学

计算机仿真技术实验室开发的有着自主知识产权的微波器件仿真软件MTSS后处

理模块不够完善没有动画效果，不能直观展示模型的运动状态，不能实时观察正

在仿真运行与仿真分析后模型的相应属性的动态变化规律问题，比如计算仿真后

模型云图颜色的变化，模型零件的爆炸图，模型在受力条件下的运动规律等。可

以利用动画技术解决上述问题，计算机动画在计算机仿真模拟中发挥着重要的作

用。

本文主要利用HOOPS图形库和Bullet物理引擎研究动画系统的实现，主要研

究工作内容如下：

首先对动画系统的关键算法进行了研究，主要研究了动力学模拟的流程算法、

关键帧系统中模拟翻转时抖动问题以及模型变形动画算法。在此基础上提出了动

画系统的设计目标，搭建了动画系统的框架。为展示模型的形态，研究了摄像机

动画的实现方法，并实现了摄像机动画模块。开发了模型运动动画模块，包括模

型的平移、缩放和绕空间任意轴旋转，利用步长机制实现精确调整动画的功能。

为展示模型的形变效果，结合变形动画算法研究了变形动画模块的实现，主要利

用顶点的移动来达到动画对象变形的效果。开发颜色动画模块，直观地展示场强

的变化规律。

为了模拟模型符合实际物理规律的运动状态，研究了刚体动力学理论和碰撞

检测理论，分析系统搭建的过程，并利用Bullet物理引擎进行了模拟仿真，生成

基于物理的动画，可以模拟刚体的动力学问题。

研究了时间轴控件与动画系统之间的关系，时间轴控件在程序交互方面起到

举足轻重的作用。针对软件的体系结构，设计了时间轴控件，能直观显示动画信

息并提升了人机交互效率。开发属性窗口和对话框，能够直观地显示和修改动画

数据。

最后研究了动画数据的读写问题。当对模型编辑完动画之后，需要保存动画

的数据，下次程序可以读入数据并且恢复整个动画工程，为此本文开发了动画系

统的数据读写接口。

关键词：计算机动画，物理引擎，仿真模拟，动力学方程

ABSTRACT

Computersimulationsoftwareisoneofthecoretechnologiesofproduct

innovationandindustrialequipment.Itnotonlyhasahugeimpactonindustrial

production,butalsoplaysanimportantroleintheresearchanddevelopmentofmilitary

equipmentandnationaldefense.Thedevelopmentlevelofcomputersimulation

softwarecanreflecttheindustrialtechnologylevelofacountry.Thepost-processing

moduleofMTSS,amicrowavedevicesimulationsoftwarewithindependent

intellectualpropertyrightsdevelopedbythecomputersimulationtechnologylaboratory

ofUniversityofElectronicScienceandtechnologyofChina,isnotperfect,hasno

animationeffect,cannotdirectlydisplaythemo