物理模擬新生入學指南

02-10

前言

每次新同學過來，老師都要讓我介紹一下我們的工作，指導一下新生如何開始開展工作。為了減少重複的工作，我覺得有必要給寫下來給大家看。

我們組有手術模擬這方面的研究，其實歸根結底是物理模擬。這裡師兄給你講物理模擬的絕世秘訣。

物理模擬三大法則：快(real-time)、准(accuracy)、穩(robust)。

這三大法則都會為了達到物理模擬終極目標：

在模擬世界裡，你分不清真實與虛擬。

如果你達到了這個目標，恭喜你！你就可以獨步武林，所向披靡了。

當然，除此之外，手術模擬還有一個重要的方面就是渲染，我總結渲染包括兩個方面：視覺的渲染，力覺的渲染。視覺的渲染，顧名思義就是看上去真實；力覺的渲染，就是我們手上的感受要真，碰到一塊肉和地板的感覺是不同的。

從計算機科學的角度來看，這些都屬於計算機圖形學( Computer Graphics)，計算機圖形學就是一個江湖。要想在江湖上行走，當然要學一技之長傍身。這當然要從扎馬步開始。

計算機圖形學基本概念

3D計算機圖形學 中英文版本百度網盤鏈接：http://pan.baidu.com/s/1bo5jPZD 密碼：zy1m

Standford 大學計算機圖形學課程資料：Courses in Graphics

OpenGL 編程

這裡我牆裂推薦一個很好的教程Learn OpenGL 。這裡面深入淺出的講了圖形學的一些基本概念，除此之外還有源代碼，可以一步一步的很快學習到大量的基礎知識，而且該教程是針對現代OpenGL管線的，加入了Shader的內容。

至於紅寶書什麼的，我看過，但是實在跟不下去，就果斷放棄了。

論文

首先，如何找論文的問題，請看我之前寫過的文章如何找論文。在計算機相關部分由CCF的對會議和期刊的排名。只要選擇其中幾個，找到對應的論文集就可以開始初步的了解了。

如果你覺得有點麻煩，沒問題。Ke-Sen Huangs Home Page 這個大哥哥給你準備好了饕餮盛宴，你可以大飽眼福了。裡面有歷年的計算機圖形學相關期刊和會議的論文集。

如果你就要看最新的物理模擬方面的進展，那麼Physics-Based Animation這個網站就是為你量身打造的。

我的工作

針對物理模擬，除了三大法則和一個目標。我覺得可以我可以講的更細一點，我們模擬的物體分為：剛體(rigid body)，可變形物體(deformable body)，煙與霧氣(gas and fog)，液體(fluid), 雪(snow)，繩子(rod)，布料(cloth)等等。可變形物體分為：彈性形變，塑性形變。

除了物體還分為模擬的效果：比如碰撞，切割，縫合，變化（水成冰），多種類型的交互（人穿著衣服調到水池裡，水池冒出水汽凝結在布娃娃的眉毛上）。

至於計算機圖形學都用什麼方法來實現這些效果。我從我的個人的角度來談一下。我目前做的是縫合的工作，這就要對可變性物體肉或者組織(tissue)，針（rigid body），線（rod）進行建模，當然還有血液（fluid）。

Getting Started

下面是我對如何從0開始工作的一個具體實踐的建議：

每一部分花一周時間就可以看完了，有任何疑問可以來問我。

下面的這個視頻是Ladislav Kavan 開的一門課，他是Projective Dynamics 的作者之一，講了PBD, FEM 和 Projective Dynamics。裡面這位老師都是手寫公式的推導，相當厲害。可以一邊看視頻，一遍讀論文，這樣理解會快一點。

https://www.youtube.com/watch?v=Q0D3tUViO6Y&list=PL_a9tY9IhJuM2dIVCH_ZC0Pn5871eDY7_

1. PBD可以結合下面的視頻看。

PBD下載鏈接：http://matthias-mueller-fischer.ch/publications/posBasedDyn.pdf

PBD綜述：A Survey on Position Based Dynamics, 2017

對應的源代碼：https://github.com/InteractiveComputerGraphics/PositionBasedDynamics

2. FEM 綜述

這個綜述對於沒有柔體動力學的人來說也可以很好的理解FEM在柔體變形中的應用，並且是以計算機圖形學的角度去看待這些問題的，所以這個綜述是目前我看到的最好的一個教程。

下載鏈接：http://www.femdefo.org/

3. Projective Dynamics

首先看這個文章：https://www.cs.utah.edu/~ladislav/liu13fast/liu13fast.html

然後看Projective Dynamics這篇文章

下載鏈接：http://www.projectivedynamics.org/Projective_Dynamics/index.html

重現源代碼：rarietta/Projective-Dynamics

4. Projective Dynamics 的擴展

下載鏈接：https://www.cs.utah.edu/~ladislav/liu17towards/liu17towards.html

可以結合這個視頻觀看：https://v.qq.com/x/page/x0558as5nv0.html ，這個視頻是Mass-Spring Systems，Projective Dynamics 和上面Quasi-Newton methods的作者Tiantian Liu做的一個報告。作者是個中國人，浙大畢業之後去的賓夕法尼亞大學，報告簡單易懂，高屋建瓴，能夠很好地幫助我們理解。

未完待續。。。。