Fast Simulation of Mass-Spring Systems in Rust 论文阅读

参考资料:

Fast Simulation of Mass-Spring Systems in Rust

论文阅读:Fast Simulation of Mass-Spring Systems

【论文精读】讲解刘天添2013年的fast simulation of mass spring system(Projective Dynamics最早的论文)

Projective Dynamics笔记(一)——Fast Mass Spring

文章目录

  • 概述
  • 流程概述:
  • 1.前置知识
      • 1.1 运动方程(牛顿第二定律)
      • 1.2 二阶导数的离散化
      • 1.3 代入运动方程
      • 1.4 物理意义
  • 2. 将隐式积分问题转化为一个优化问题
    • 2.1 要解的是隐式积分问题是:
    • 2.2 引入辅助变量d
    • 2.3 Block Coordinate Descent(块坐标下降法)
      • Global Step部分

概述

这篇论文通过引入弹簧方向的辅助变量,并采用块坐标下降法解决了传统隐式欧拉法中速度慢的问题,成功实现了弹簧质点系统的快速仿真。该方法特别适用于实时应用,并且在低迭代次数下也能得到较好的视觉效果。

流程概述:

1.前置知识

1.1 运动方程(牛顿第二定律)

在物理仿真中,系统的运动通常由二阶微分方程描述,例如: M d 2 q d t 2 = f ( q ) M \frac{d^2q}{dt^2} = f(q) Mdt2d2q=f(q)
其中:

  • ( M ) 是质量矩阵,表示系统中各质点的质量。
  • ( q(t) ) 是位置向量,表示质点的位置。
  • ( f(q) ) 是作用在质点上的力,通常是位移 ( q ) 的函数。

1.2 二阶导数的离散化

使用中心差分法,二阶导数 ( d 2 q d t 2 \frac{d^2q}{dt^2} dt2d2q ) 的离散形式为:
d 2 q d t 2 ≈ q n + 1 − 2 q n + q n − 1 h 2 \frac{d^2q}{dt^2} \approx \frac{q_{n+1} - 2q_n + q_{n-1}}{h^2} dt2d2qh2qn+12qn+qn1
其中:

  • ( q_n ) 是时间 ( t_n ) 时的位置。
  • ( q_{n+1} ) 是时间 ( t_{n+1} = t_n + h ) 时的位置。
  • ( q_{n-1} ) 是时间 ( t_{n-1} = t_n - h ) 时的位置。
  • ( h ) 是时间步长

1.3 代入运动方程

将二阶导数的离散化形式代入运动方程 ( M d 2 q d t 2 = f ( q ) M \frac{d^2q}{dt^2} = f(q) Mdt2d2q=f(q) ):
M q n + 1 − 2 q n + q n − 1 h 2 = f ( q n + 1 ) M \frac{q_{n+1} - 2q_n + q_{n-1}}{h^2} = f(q_{n+1}) Mh2qn+12qn+qn1=f(qn+1)
最后我们得到隐式欧拉法的公式:
M ( q n + 1 − 2 q n + q n − 1 ) = h 2 f ( q n + 1 ) M(q_{n+1} - 2q_n + q_{n-1}) = h^2 f(q_{n+1}) M(qn+12qn+qn1)=h2f(qn+1)
其中,( q n + 1 q_{n+1} qn+1 ) 是需要通过求解获得的未知位置,( f ( q n + 1 ) f(q_{n+1}) f(qn+1) ) 依赖于 ( q n + 1 q_{n+1} qn+1 ),因此这是一个隐式公式

1.4 物理意义

在这里插入图片描述

2. 将隐式积分问题转化为一个优化问题

2.1 要解的是隐式积分问题是:

M q n + 1 − 2 q n + q n − 1 h 2 = f ( q n + 1 ) M \frac{q_{n+1} - 2q_n + q_{n-1}}{h^2} = f(q_{n+1}) Mh2qn+12qn+qn1=f(qn+1)
其中:
n是时间迭代步
q是所有粒子的位置向量
M是粒子质量对角矩阵
h是时间步长
f是整个系统的保守力
q n + 1 q_{n+1} qn+1是未知状态量,设为x。 q n q_{n} qn q n − 1 q_{n-1} qn1是已知量,设为 y = 2 q n − q n − 1 y=2q_{n}-q_{n-1} y=2qnqn1
所以得到式子 M ( x − y ) = h 2 f ( x ) M(x-y)=h^2f(x) M(xy)=h2f(x)
求解这个方程,等效于求解下面这个方程的极小值:
(令g(x)求导为0得到上式)
g ( x ) = 1 2 ( x − y ) T M ( x − y ) + h 2 E ( x ) g(x) = \frac{1}{2}(x - y)^T M (x - y) + h^2 E(x) g(x)=21(xy)TM(xy)+h2E(x)

其中,( E ) 为系统的势能(因为 ( ∇ E = − f \nabla E = -f E=f ),因此 ( ∇ g = 0 \nabla g = 0 g=0 ) 等效于公式 (7))。

按照胡克定律,弹簧的弹性势能为:

E = 1 2 k ( ∥ p 1 − p 2 ∥ − r ) 2 E = \frac{1}{2} k ( \|p_1 - p_2\| - r )^2 E=21k(p1p2r)2

其中:

  • ( p 1 , p 2 p_1, p_2 p1,p2 ) 为两个粒子的位置,
  • ( r ) 为弹簧的静止长度(rest length)。

但如果直接采用这个形式,上面的 ( g(x) ) 极值问题就不太好解。为了将上式变形为一个方便求解的形式,作者引入了一个辅助变量 ( d ∈ R 3 d \in \mathbb{R}^3 dR3 )。

2.2 引入辅助变量d

公式如下:
假设d是一个未知的三位向量,那么:
( ∥ p 1 − p 2 ∥ − r ) 2 = min ⁡ ∥ d ∥ = r ∥ p 1 − p 2 − d ∥ 2 (\|p_1 - p_2\| - r)^2 = \min_{\|d\|=r} \|p_1 - p_2 - d\|^2 (p1p2r)2=d=rminp1p2d2

1. 左边公式的物理意义:

左边的公式 ( ( ∥ p 1 − p 2 ∥ − r ) 2 (\|p_1 - p_2\| - r)^2 (p1p2r)2 ) 是弹簧势能的表示形式,依据胡克定律,它表示弹簧当前长度 ( |p_1 - p_2| ) 与静止长度 ( r ) 之间的差的平方。这里 ( p 1 p_1 p1 ) 和 ( p 2 p_2 p2 ) 是弹簧两端质点的位置

2. 右边公式的几何解释:

右边的公式引入了一个辅助向量 ( d ),并对其施加约束 ( |d| = r )。这个向量表示固定长度为 ( r ) 的向量,但方向可以自由变化。优化问题为:
min ⁡ ∥ d ∥ = r ∥ p 1 − p 2 − d ∥ 2 \min_{\|d\|=r} \|p_1 - p_2 - d\|^2 d=rminp1p2d2
这个问题的意思是寻找一个向量 ( d ),使得 ( p 1 − p 2 p_1 - p_2 p1p2 ) 与 ( d ) 的差最小,即让 ( ∥ p 1 − p 2 − d ∥ \|p_1 - p_2 - d\| p1p2d ) 最小化

显然当 d = r p 1 − p 2 ∥ p 1 − p 2 ∥ 时取极小值 显然当d = r \frac{p_1 - p_2}{\|p_1 - p_2\|}时取极小值 显然当d=rp1p2p1p2时取极小值

重新定义弹簧的弹性势能E(x,d)

在这里插入图片描述

矩阵L和J的推导

在这里插入图片描述

第一行的式子为什么可以等于L和J,证明如下:
忽略 d i T d i d^T_{i}d_{i} diTdi是关于 d 的平方项,但这项对 x 的优化没有直接影响,因此我们暂时忽略它,只关注 x 和 d 之间的关系

在这里插入图片描述
S i T S_i^T SiT是一个选择矩阵,是一个单位向量(标准基),用于选择第 𝑖个弹簧的位移变量 d i d_{i} di

在这里, d = S i T d d = S_i^T d d=SiTd 可以理解为,向量 d d d 中的每个分量 d i d_i di 对应一个特定的弹簧的偏移量。通过 S i T d S_i^T d SiTd,我们提取了 d d d 中与第 i i i 个弹簧相关的那部分位移。

换句话说, S i T S_i^T SiT 确保我们从总的 d d d 向量中只选取第 i i i 个元素(因为 S i T S_i^T SiT 是一个标准基,其他位置上的元素都会被置为 0)。

因此,对于每个弹簧 i i i,我们有:

d i = S i T d d_i = S_i^T d di=SiTd

这表示 d i d_i di 是通过选择矩阵 S i T S_i^T SiT d d d 中提取出来的。
在这里插入图片描述

外力为什么放在 X T () X^T() XT()里面

外力 𝑓 e x t 𝑓_{ext} fext被视作对系统的额外作用力,所以在总的能量函数中,它会影响线性部分,即外力对位移 x 的作用是线性的。因此,外力项自然可以放入这个线性项中
乘以 h 2 ℎ^2 h2体现了外力在整个时间步长内的累积效应
力和加速度是直接相关的。加速度是位移 𝑥对时间 𝑡的二阶导数。而当我们离散化这个二阶导数时,时间步长 ℎ被平方了

2.3 Block Coordinate Descent(块坐标下降法)

在这里插入图片描述

Global Step部分

在这里插入图片描述

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/883289.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

面试经典 150 题 第三周代码

【题目链接】 80. 删除有序数组中的重复项 II 【参考代码】 双指针 class Solution { public:int removeDuplicates(vector<int>& nums) {int size nums.size();if(size < 2){return size;}int slow 2, fast 2;while(fast < size){if(nums[slow-2] ! num…

五:Python学习笔记--基础知识(4)字典常用方法

目录 1. get(key, defaultNone) 返回指定键的值&#xff0c;如果键不存在&#xff0c;则返回默认值 2. keys() 返回字典中所有键的视图。 3. values() 返回字典中所有值的视图。 4. items() 返回字典中所有键值对的视图。 5. update(other_dict) 用另一个字典更新当前字典。…

el-table 表格设置必填项

el-table 表格设置必填项 要在 el-table 中集成 el-form 来设置必填项&#xff0c;并进行表单验证&#xff0c;可以使用 Element UI 提供的表单验证功能。下面是一个详细的示例&#xff0c;展示了如何在 el-table 中使用 el-form 来设置必填项&#xff0c;并进行验证。 示例代…

【C++数学 负进制】1017. 负二进制转换|1697

本文涉及知识点 数学 LeetCode1017. 负二进制转换 给你一个整数 n &#xff0c;以二进制字符串的形式返回该整数的 负二进制&#xff08;base -2&#xff09;表示。 注意&#xff0c;除非字符串就是 “0”&#xff0c;否则返回的字符串中不能含有前导零。 示例 1&#xff1a…

avue-crud组件,输入框回车搜索问题

crud组件&#xff0c;输入框回车搜索问题。 文档是并没有标注&#xff0c;实际上已经具备此功能。 需要在curd的option增加属性 searchEnter: true 即可实现输入内容后回车搜索。 avue的一些踩坑记录 - 前端小小菜 - 博客园

【编程语言】Kotlin快速入门 - 伴生对象与懒加载

静态与顶层方法 静态方法&#xff08;伴生对象&#xff09; Java中有静态方法的概念&#xff0c;但是在Kotlin中这个静态方法被弱化了&#xff0c;还记得我们使用object创建一个单例类吗&#xff0c;创建的单例类我们当时可以使用像静态方法一样的调用方式取调用&#xff0c;…

可训练的YOLO距离检测

由于很多场景需要测距&#xff0c;而深度图、点云等获取、配准、融合困难&#xff0c;尝试直接在目标增加距离标注进行训练&#xff0c;理论上标注准确&#xff0c;数据集够&#xff0c;就可以实现。 目前已经跑通YOLO增加距离训练&#xff1a; 目前准度不够&#xff0c;仅将…

零七生活API-文字转语音API使用示例

//官网地址&#xff1a;零七生活API - 提供免费接口调用平台function getAud(){axios({method: get,url: https://api.oick.cn/api/txt?text你好&spd5&apikeyyourApikey,responseType: blob, // 确保 axios 处理为二进制数据}).then((response) > {// 将 Blob 转换…

Flutter Image和Text图文组件实战案例

In this section, we’ll go through the process of building a user interface that showcases a product using the Text and Image widgets. We’ll follow Flutter’s best practices to ensure a clean and effective UI structure. 在本节中&#xff0c;我们将使用“Te…

k8s 查看 Secrets 的内容和详细信息

在 Kubernetes 中&#xff0c;您可以使用以下命令查看 Secrets 的内容和详细信息&#xff1a; 列出所有 Secrets 要列出指定命名空间中的所有 Secrets&#xff0c;可以使用以下命令&#xff1a; kubectl get secrets -n <namespace>替换 为您要查询的命名空间&#xff…

JVM 实战篇(一万字)

此笔记来至于 黑马程序员 内存调优 内存溢出和内存泄漏 内存泄漏&#xff08;memory leak&#xff09;&#xff1a;在Java中如果不再使用一个对象&#xff0c;但是该对象依然在 GC ROOT 的引用链上&#xff0c;这个对象就不会被垃圾回收器回收&#xff0c;这种情况就称之为内…

鸿蒙next之导航组件跳转携带参数

官方文档推荐使用导航组件的形式进行页面管理&#xff0c;官方文档看了半天也没搞明白&#xff0c;查了各种文档才弄清楚。以下是具体实现方法&#xff1a; 在src/main/resources/base/profile下新建router_map.json文件 里边存放的是导航组件 {"routerMap" : [{&q…

从汇编角度看C/C++函数指针与函数的调用差异

函数指针本质上是一个指针变量&#xff0c;只不过这个变量保存的地址是一个函数的地址&#xff0c;那么直接调用函数和通过函数指针调用有没有区别呢&#xff1f;答案是有的&#xff0c;下面的代码是一个直接调用函数和通过指针调用函数的例子&#xff0c;使用gdb反汇编main函数…

vue开发的时候,目录名、文件名、函数名、变量名、数据库字段等命名规范

在Vue开发中&#xff0c;函数名、文件名、目录名、变量名、数据库字段名的命名规范各有其特点&#xff0c;以下是根据Vue及JavaScript的命名习惯进行的详细解答&#xff1a; 分析 目录名 通常使用kebab-case&#xff08;短横线命名法&#xff09;&#xff0c;全部小写&#x…

AIGC底层技术揭秘

随着人工智能技术的发展&#xff0c;AI生成内容&#xff08;Artificial Intelligence Generated Content&#xff0c;简称AIGC&#xff09;正在逐渐改变我们的生活。从自动生成的文章、图片到音乐和视频&#xff0c;AIGC正在成为内容创造的新引擎。本文将深入探讨支撑AIGC技术的…

什么是MySQL索引?为什么要有索引?

什么是MySQL索引&#xff1f;为什么要有索引&#xff1f; MySQL索引是一种数据结构&#xff0c;用于帮助MySQL高效地获取数据。索引通过在数据库表的列上创建有序的数据结构&#xff0c;使得数据库系统能够快速定位到所需的数据&#xff0c;而不需要扫描整个表。这种数据结构通…

mac电脑设置chrome浏览器语言切换为日语英语等不生效问题

在chrome中设置了语言&#xff0c;并且已经置顶了&#xff0c;但是不生效&#xff0c;在windows上直接有设置当前语言为chrome显示语言&#xff0c;但是mac上没有。 解决办法 在系统里面有一个单独给chrome设置语言的&#xff1a; 单独给它设定成指定的语言&#xff0c;然后重…

【每日一题】LeetCode - 判断回文数

今天我们来看一道经典的回文数题目&#xff0c;给定一个整数 x &#xff0c;判断它是否是回文整数。如果 x 是一个回文数&#xff0c;则返回 true&#xff0c;否则返回 false。 回文数 是指从左往右读和从右往左读都相同的整数。例如&#xff0c;121 是回文&#xff0c;而 123 …

sh与bash的区别

sh与bash的区别 结论&#xff1a;对于一般开发者&#xff0c;没有区别&#xff1b;对于要使脚本兼容较老系统&#xff0c;或者兼容其他shell&#xff08;如ksh&#xff0c;dash&#xff09;&#xff0c;那么意义可能很重大&#xff0c;要确保自己代码没有bash扩展的特性。 区…

Spring Boot整合Stripe订阅支付指南

在当今的在线支付市场中&#xff0c;Stripe 作为一款一体化的全球支付平台&#xff0c;因其易用性和广泛的支付方式支持&#xff0c;得到了许多企业的青睐。本文将详细介绍如何在 Spring Boot 项目中整合 Stripe 实现订阅支付功能。 1.Stripe简介 Stripe 是一家为个人或公司提…