专利名称：用于模拟材料的装置、系统和方法
技术领域：
本公开涉及用于建模材料变形特征的装置、系统和方法。此外，本公开涉及用于产生与材料物理交互的虚拟表示的装置、系统和方法。本公开的装置、系统和方法的一个潜在的应用是在移动计算领域。
背景技术：
对材料特征建模有利地允许用户在模拟条件下分析(例如形象化)材料。此类模拟材料分析的应用几乎是无止境的，例如，从方便筛选合适的材料至有助于完善制成品的美感。在对材料特征建模中，一个目标是最小化用户与虚拟材料的交互和用户与实体材料的交互之间的不一致。不一致的一个最大方面是用户不能实际接触或操作虚拟材料。因而，需要更好的装置、系统和方法，以模拟与虚拟材料的物理交互，例如，以使用户分析诸如抗拉强度和弹性的变形特征。近年来，移动计算设备激增，如平板电脑、笔记本电脑、智能手机、个人数字助理等。由于可携带性和易使用性，移动计算设备对用户很有吸引力。此外，移动计算设备已处在推动环境/人交互限制的最前沿。例如，典型的移动计算设备可包括检测器/传感器的宽阵列，用于与用户和/或环境交互，包括但不限于用于摄像(例如照相机)、环境光、定向/移动(例如陀螺仪)、触觉交互(例如触摸屏)、基于温度的功能、基于位置的功能(例如GPS)、射频通信等的检测器/传感器。此外，典型的移动计算设备可包括用于提供反馈的机构宽阵列或与可其接口，包括但不限于可视接口(例如显示器)、听觉接口(例如扬声器)和/或触觉接口(例如触感接口)。考虑到移动计算设备较多的能力和功能，能有利地提供一个平台，有机会改进传统材料模拟。特别地，由于大部分移动计算设备支持触觉交互(例如通过多点触摸式触摸屏接口)，因此需要和/或有机会改进利用(至少部分)此类触觉交互功能的材料模拟。前述需要/机会和其他需要/机会通过本公开的装置、系统和方法实现。
发明内容
本发明提供了有利的装置、系统和方法，用于建模材料的变形特征和/或产生与材料的物理交互的虚拟表示，例如，基于材料的建模的变形特征和表示物理交互的数据，例如输入的或选定的数据。在示例性实施方式中，处理器可用于执行材料变形特征的建模和/或产生与材料的物理交互的虚拟表示。因而，该处理器可有操作地与非临时性可处理介质相关，该介质包括可执行的指令，这些指令可有效用于建模材料的变形特征和/或产生与材料物理交互的虚拟表示。在示例性实施方式中，触觉传感器，例如，有效地与处理器相关，可用于接收表示物理交互的数据作为用户输入。在某些实施例中，触觉传感器可包括多点触摸能力，用于模拟与多个触点的物理交互。在示例性实施方式中，显示器，例如，有效地与处理器相关，可用于显示与材料物理交互的虚拟表示。
关于实际用户体验的重要考虑或因素是实时(或接近实时)材料模拟。因而，在示例性实施方式中，与材料的物理交互可在显示屏上实时(或接近实时)模拟。在某些实施例中，显示器和触觉传感器可以是触摸屏接口。因而，在示例性实施方式中，用户可通过与显示的材料的虚拟表示交互来输入表示物理交互的数据。将通过以下说明，尤其是结合附图阅读后，公开的装置、系统和方法的其他特征、功能和优点将变得显而易见。
为使本领域技术人员制造和使用公开的装置、系统和方法，将参考附图，其中:图1示出了根据本公开的示例性模拟系统。图2示出了根据本公开的示例性迭代弹簧质量模型(iterative spring-massmo de I),用于建模材料的变形特征。图3示出了校正用作约束的示例性结构弹簧的节点位置。图4示出了根据本公开的校正关于用作约束的示例性弯曲弹簧的节点位置，分别使用的是(a)长度保留(length preservation)技术、以及角度保留(angle preservation)技术。图5示出了根据本公开的示例性椭圆体。图6示出了根据本公开的关于示例性椭圆形的径向投影和最近外点之间的差异。图7示出了根据本公开建模示例性指尖交互。图8示出了根据本公开的关于材料模拟的示例性迭代过程(iterativeprocess)。图9示出了根据本公开的分别使用(a)均匀结点，以及(b)非均匀结点的示例性弹簧网络。图10示出了根据本公开的用于模拟材料的示例性网格(a)、源于示例性网格的细化网格(b)、以及对应于细化网格的三角网(C)。图11示出了根据本公开的示例性渲染过程(rendering process)。图12示出了根据本公开的与模拟材料的示例性用户交互。图13示出了根据本公开的用于用户观察模拟材料的示例性配置。图14示出了根据本公开的示例性计算环境。
具体实施例方式本发明提供有利的装置、系统和方法，用于建模材料的变形特征和/或产生与材料物理交互的虚拟表示，例如，基于建模的材料变形特征以及表示物理交互的数据，例如输入或选定的数据。首先参考图1，示出了根据本公开的示例性模拟系统100。该模拟系统100可包括处理器110。该处理器110可有效地与非临时性可处理介质115相关联，该介质包括可执行指令，其有效地建模材料的变形特征和/或产生与材料的物理交互的虚拟表示。与处理器110可操作地相关联的触觉传感器120可用于接收表示物理交互的数据作为用户输入。在某些实施方式中，触觉传感器120可具有多点触摸能力，用于模拟与多个触点的物理交互。显示部130也可与处理器110可操作地相关联，并且可用于显示与材料物理交互的虚拟表不(virtual representation)。现实用户体验的重要考虑或因素是实时材料模拟(注意，此处使用的实时也包含接近实时)。因而，在示例性实施方式中，与材料的物理交互可实时(或接近实时)地在显示部130上进行模拟。在某些实施方式中，显示部130和触觉传感器120可以是触摸屏接口120/130。因而，在示例性实施方式中，用户可通过与显示的材料的虚拟表示交互来输入表示物理交互的数据。在示例性实施方式中，模拟系统100还可包括(i)眼/面部检测器、
(ii)方位传感器以及(iii)光检测器(总称为140)中一个或多个，将在本文进一步地说明。在示例性实施方式中，材料的变形特征可根据如图2中示出的迭代弹簧质量模型进行建模。如图2所示，可使用经一组弹簧在网格中相互连接的无因次质量元(dimensionless mass element)(也称为节点)的网络200对材料的变形特征建模。该网络200可包括行和列中各个相邻节点之间的距离保持弹簧(distance-preserving spring)(也称为结构弹簧)。通常，结构弹簧可能不足以为网络200提供良好的真实度。因而，如图2中所示，网络200可增加为包括对角节点之间的剪切弹簧和/或替换节点之间的弯曲弹簧(bending spring)。剪切弹簧可有利地用于防止/控制不受控制的剪切变形，并且弯曲弹簧可防止/控制材料的折叠。在某些实施方式中(未示出)，网络200也可增强为包括可挠曲弹簧(flexional spring),其可用于限制/控制特定节点上弹簧之间的角度。在示例性实施方式中，PijUhvij (t)和aij(t)可表示在给定节点(i，j)并且在给定时间t的位置矢量、速度矢量以及加速度矢量。网络200的数学基础可源于牛顿第二定律:Tij=Hiaij其中m是每个点的质量，并且是施加在Pij力的总和。在示例性实施方式中，施加在每个节点主要的力来源于弹簧的张力。该张力是根据胡克定律通过弹簧变形产生的。因此，产生于节点的内力可根据以下公式进行计算:
/CPi;) = ~XfcEJfeZ PkiPij- |pkZp.V[其中表示弹簧连杆(spring linkingh」和pkl的固有长度或静止长度,Icijld是刚度。值得注意，可选择网络200的特征(例如每根弹簧的固有长度和刚度)从而可最佳地建模现实变形特征，如材料的抗拉强度、抗剪强度以及弹性。内力可由外力补充，如重力、风力和其他约束派生力(constraint-derived force)。在示例性实施方式中，网络200可用于考虑约束表面而模拟材料的变形特征(例如用于模拟放置于或安装于表面的材料)。因而，在某些实施方式中，外力可包括非常小的压曲(buckling)力以防止/减缓压缩压力的施加所导致的不稳定并驱使材料弯曲远离约束表面。一旦建立了内力和外力，一组简单的欧拉方程(Euler equation)可用于建模节点的运动:
Oij (t +fit) = —Vij (t+ At) = Vij (t) +ajj (t+ Δ t) Δ tPij (t+ At) = Pij (t) +Vij (t+ Δ t) Δ t该方程体系可在每个时步(time step)求解，以产生静止系统。可使用显式解法和隐式解法，且在许多情况下，求解中的中间步骤是所关注的。Provot (1995)和Vassilev(2000)已提出了经验解。也可使用标准欧拉(Euler)、龙格一库塔(Runga-Kutta)。隐式法包括 Baraff 和 Witkin (1998)以及 Kawabata (1982)提出的方法。一个简化解公知为Verlet积分法。Verlet积分法源于分子动力学。其极其稳定且非常快。替代存储每个节点的位置和速度，利用Verlet积分法的装置、系统和方法存储
每个节点当前位置Pij以及前一位置时步可以被固定，使得下一个位置:由以下等
式定义:Ptj = 2Pij - PJj + AijCOfitz之后Plj- = Pi/.(即，前一位置被设定为当前位置)在示例性实施方式中2x-x_ = x+(x-x_)，其中(χ-χΠ是当前速度的近似值(因而显示与欧拉方程的关系)。注意，在某些实施方式中，因数2可稍微减小，以模拟阻力(drag)ο通过使用Verlet积分法，积分约束简单明了。在示例性实施方式中，弹簧可用作约束条件，而不是力发生器(注意，使弹簧刚度足够大以模拟操纵的材料时将需要极小的时步，或产生不适用于交互系统的不稳定)。因此，在示例性实施方式中，可有利地减少需要考虑的力(例如，关于重力以及较小的压曲力)。此外，使用Verlet积分法也可快速和容易地考虑表面/地面平面约束(对于速度，可与其他碰撞检测分开实现)、运动约束、附着约束、自碰撞、“手指”碰撞约束。通过修改节点的位置以满足约束，将约束解直接供给入Verlet积分。这样，将直接影响下一步的速度，而不需要重新计算和/或补偿。实际上，可能会考虑两种约束:外部约束和弹簧约束。外部约束可以是固定的或平面的。弹簧类型(结构、剪切或弯曲)可导致弹簧约束的不同。在示例性实施方式中，固定约束可表示例如虚拟材料至显示器边缘的附着点(从而防止用户将虚拟材料移出视线)。在该情况下，固定点不会在迭代期间发生变化。= Pij当节点例如由外部交互(例如表现为用户手指在接触接口上的触点)操作时，其可被认为是固定的。然而，在该情况下，该节点仅在解系统不被允许将其移动的意义上被固定。因此，节点的运动受外部迭代支配:Ptjit) = 3tJm其中gu(t)是在给定时间产生的作为姿态一部分的节点位置。预期使用此处公开的装置、系统和方法的一个示例性模拟环境是虚拟Pantone Textile 标准卡(X-Rite, Inc.；Grand Rapids, MI)。在 Pantone Textile 卡中，材料(例如织物)沿使该材料放平的白卡背衬的顶部附接。在示例性实施方式中，可使用平面约束来执行虚拟卡背衬。在该情况下，通过简单的情况评估可防止节点横跨该平面。该约束可是定向的且通常可执行为与重力相反。例如，当重力被指定为沿Z轴的负方向上，平面约束的全部需求是校验Z轴分量。
权利要求
1.一种模拟系统,包括: 处理器，被配置为基于材料的建模变形特征、以及表示物理交互的数据产生与所述材料的所述物理交互的虚拟表示；以及 触摸屏，适用于(i)显示所述材料的虚拟表示；(ii)接收表示所述物理交互的数据作为用户输入，其中所述用户通过与所显示的所述材料的虚拟表示交互而输入表示所述物理交互的数据；以及(iii)实时显示与所述材料的所述物理交互的所述虚拟表示。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所显示的所述材料的虚拟表示是所述材料的虚拟样本。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述虚拟样本的一个或多个点是固定点，从而将所述样本固定在显示屏上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，将所述材料的现实变形特征基于包括节点和弹簧的网络的迭代弹簧质量模型来建模。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述迭代弹簧质量模型包括:相邻节点之间的结构弹簧网络；对角节点之间的剪切弹簧网络；以及交替节点之间的弯曲弹簧网络。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，选择包括(i)弹簧的固有长度以及(ii)弹簧刚度中的至少一种的所述网络的特征，从而建模所述材料的变形特征。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，通过所述处理器，将结构弹簧和剪切弹簧作为节点之间的距离保持约束，并且弯曲弹簧作为节点之间的角度保持约束。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述迭代弹簧质量模型说明平面约束。
9.根据权利要 求4所述的系统，其中，所述节点对应于B样条曲面的控制点，并且其中，非均匀结点用于产生均匀B样条曲面。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，产生物理交互的所述虚拟表示包括以下的至少一种:(i)求欧拉方程体系的积分；(ii)使用Verlet积分以求解约束；以及(iii)碰撞检测和解决。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，碰撞检测包括关于与所述触摸屏的指尖交互的椭圆体碰撞检测和校正。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括方位传感器，用于检测所述触摸屏相对于光源的方位，并且其中，产生物理交互的所述虚拟表示包括说明主要照明方位。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括传感器，用于检测用户相对于所述触摸屏的视角。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括: 数据库，为多种材料中的每种材料进行材料的现实变形特征建模； 选择接口，适用于接收从所述多种材料中选择的第一材料作为用户的输入；以及 触觉接口，用于接收表示与所述第一材料的物理交互的数据作为用户的输入； 其中，所述触摸屏适用于显示与所述第一材料的物理交互的虚拟表示。
15.一种方便为应用评估材料的方法，所述方法包括: 提供为多种材料的每种材料进行材料的现实变形特征建模的数据库； 使用选择接口以从所述多种材料中选择第一材料用于评估； 使用触觉接口以输入表示与所述第一材料的物理交互的数据；显示与所述第一材料的物理交互的虚拟表示；以及基于所显示的所述 物理交互的虚拟表示为应用评估所述第一材料。
全文摘要
本发明提供用于模拟材料的装置、系统和方法。特别地，公开的装置、系统和方法包括对材料的变形特征建模，以及基于材料的建模变形特征以及表示物理交互的数据产生与材料物理交互的虚拟表示。
文档编号G06F17/50GK103198169SQ20121043437
公开日2013年7月10日 申请日期2012年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者马克·S·埃伦斯, 弗朗西斯·拉米, 阿德里安·科尔布雷纳 申请人:爱克斯瑞特欧洲有限责任公司