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研究生:黃湧翔
研究生(外文):Yung-Hsiang Huang
論文名稱:撓性材質虛擬變形機制之研究-模擬含張力軟性薄膜之切割與斷裂
論文名稱(外文):A Study of the Virtual Deformation Mechanism for Flexible Materials-Simulating the Cutting and Fracture of Tensed Film
指導教授:鄭宗明鄭宗明引用關係
指導教授(外文):Tzong-Ming Cheng
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:工業工程與管理系碩士班
學門:工程學門
學類:工業工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:切割模擬虛擬屬性虛擬形變虛擬實境
外文關鍵詞:Virtual AttributesVirtual DeformationCutting SimulationVirtual Reality
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中文摘要
虛擬實境(Virtual Reality, VR)技術已應用於廣泛領域中,其逼真之聲光效果,可有效提升使用者身歷其境之融入感,令使用者容易於依直覺操作以有效模擬實境過程。VR系統必須具備即時(Real-time)之互動功能,但其效果乃與電腦軟硬體之效能與電腦表述(Representation)及演算方法密切相關。而高階之VR作品甚至可藉由操作虛擬機構來獲致逼近真實品質之形變效果。此乃藉由嵌入仿真之機械(Mechanical)與物理(Physical)屬性於虛擬物體上,令模擬物體依據即時互動演算出逼近真實之變形。開發一有效率之形變演算機制可大量縮短即時計算之時間,增進模擬之真實感。於是,本研究將利用類神經網路優越之學習功能,透過實體變形資料之擷取,將演算模擬之彈性變形性質賦予虛擬物體,以模擬含張力撓性物體之切割、變形與斷裂現象。
研究方法中使用三步驟之實驗過程:(1)將含張力之虛擬薄膜物體使用質量彈簧法來分析變形結果,取得薄膜物體之施力與擴散位移資料;(2)運用倒傳遞類神經網路及前項資料訓練虛擬薄膜之擴散結果,使能快速求取施力後之擴散數據;(3)將萃取出之數據編輯為虛擬實境之環境運算模組,再使用虛擬實境引擎執行即時互動與形變。而切斷處則以薄膜邊緣切入時網格斷裂後張力擴散至力平衡來演算。本研究使用質量彈簧法公式計算網格位移形變量,MATLAB訓練類神經網路,並使用Virtools為虛擬實境引擎,執行虛擬互動於Pentium-4工作站上,且以nVIDIA GeForce 6800顯示介面處理影像。結果顯示優異的互動即時性,而模型精度亦有高水準的表現。

關鍵詞:虛擬形變、切割模擬、虛擬屬性、虛擬實境
ABSTRACT

Virtual reality (VR) technology has been widely used in many fields, for it may provide effective and immersive simulations from realistic scene and animations. A VR system must possess capabilities for real-time interaction; therefore, the hardware/software level as well as data representation/algorithm may become the bottleneck for a VR application. Advanced development in VR technology has defined virtual mechanism to perform realistic substantial attributes by adding artificial mechanical and physical attributes to virtual objects. Therefore, real-time capability and model accuracy will be the essential criteria for such virtual devices. This research will employ artificial neural networks to memorize the deformation behavior of a virtual film, and simulate its tensible and fracture behavior during cutting.
There are three major steps in the methodology: (1) capture the displacement data of a virtual film based on multiple force interactions from the mass-spring method (MSM); (2) train the neural net with the displacements; and (3) encode the net data into a customized behavioral building block and then perform in real-time on a virtual reality engine. In the implementations, MATLAB is used to train the neural net, Virtools is the VR engine, and the experiments are carried out on a Pentium-4 graphic workstation with an nVidia GeForce 6800 display device. The results show that real-time capability is hold and the accuracy is more than satisfactory.

Keywords: Virtual Deformation, Cutting Simulation, Virtual Attributes, Virtual Reality
中文摘要 I
英文摘要 III
誌 謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2、研究動機 2
1.3、研究目標 3
1.4、研究限制 4
1.5、論文架構 4
第二章 文獻探討 6
2.1、虛擬實境系統 6
2.1.1、虛擬實境之優點 8
2.1.2、虛擬實境之缺點 9
2.1.3、虛擬實境之應用 11
2.2、有限元素法 12
2.2.1、有限元素法之概述 13
2.2.2、生成網格 16
2.2.3、電腦輔助工程軟體ANSYS簡介 20
2.3、相關變型技術之介紹 22
2.3.1、邊界元素法之相關研究 23
2.3.2、質量彈簧法之相關研究 24
2.3.3、有限元素法之相關研究 26
2.4、類神經網路 27
2.4.1、類神經網路之倒傳遞網路概述 28
2.4.2、類神經網路之應用 30
2.5、電腦輔助工程 31
2.5.1、電腦輔助工程於虛擬實境之應用 32
2.6、文獻總結 33
第三章、研究方法 35
3.1、研究流程 35
3.2、製作網格變形機制 38
3.2.1、網格之種類 42
3.2.2、設定網格元素之長度 45
3.2.3、實體模型網格化技術 46
3.3、製作含張力薄膜物體切割機制 47
3.4.1、彈量質量法分析 49
3.5、類神經網路技術之應用 50
3.5.1、資料蒐集 50
3.5.2、訓練類神經網路 51
3.6、Virtools行為模組之設計 55
第四章、實作範例與分析 59
4.1、平面網格之建立 59
4.2、質量彈簧法之運算 62
4.3、類神經網路模組 65
4.4、靜態受力機構 72
4.4.1、編輯行為模組 72
4.4.2、網格受力之變化 73
4.5、結果與分析 80
第五章、討論與建議 82
5.1、結論 82
5.2、論文貢獻 83
5.3、未來研究 84
參考文獻 85

表目錄
表2.1 虛擬變形相關文獻比較 34
表3.1 網格粗細度比較表 46
表4.1 受力大小與節點位移量 64
表4.2 類神經網路參數設定 67
表4.3 類神經網路隱藏層與誤差值關係表 71














圖目錄
圖2.1 虛擬實境、外界與人之關係圖 6
圖2.2 虛擬實境3I’s要素[Burdea, 1994] 7
圖2.3 有限元素法分析流程[陳狄成,民92] 15
圖2.4 節點自由度定義 16
圖2.5 倒傳遞類神經網路架構圖 30
圖3.1 研究方法流程圖 36
圖3.2 均勻無張力網格平面 38
圖3.3 節點線段關係圖 39
圖3.4 時間與位移量關係圖 42
圖3.5 2D力量擴散圖 43
圖3.6 含張力之網格平面 43
圖3.7 網格元素樣式 44
圖3.8 以直線逼近曲線示意圖 44
圖3.9 網格加密圖 48
圖3.10 切割斷裂比例圖 48
圖3.11 切割路徑圖 49
圖3.12 實驗用類神經倒傳遞網路架構圖 50
圖3.13 MATLAB圖形使用者介面 52
圖3.14 類神經網路訓練階層圖 53
圖3.15 Mesh樣式圖 57
圖3.16 三角網格逆時針編排方向 58
圖3.17 Virtools行為模組 58
圖4.1 平面模型之網格 60
圖4.2 原始網格節點座標輸出 60
圖4.3 ANSYS元素類型 61
圖4.4 力量擴散層級 62
圖4.5 MSM計算流程圖 63
圖4.6 位移量與擴散時間關係圖 65
圖4.7 類神經網路設定圖 68
圖4.8 類神經網路架構圖 69
圖4.9 類神經網路訓練參數設定圖 69
圖4.10 網路訓練誤差圖 70
圖4.11 輸出權重值 71
圖4.12 輸出偏權值 71
圖4.13 虛擬空間中未受力之網格圖 72
圖4.14 施力2單位大小時網格之變化 73
圖4.15 施力4單位大小時網格之變化 74
圖4.16 施力6單位大小時網格之變化 74
圖4.17 施力8單位大小時網格之變化 75
圖4.18 施力10單位大小時網格之變化 75
圖4.19 施力2單位大小於AB兩點時網格之變化 77
圖4.20 施力4單位大小於AB兩點時網格之變化 77
圖4.21 施力6單位大小於AB兩點時網格之變化 78
圖4.22 施力8單位大小於AB兩點時網格之變化 78
圖4.23 施力10單位大小於AB兩點時網格之變化 79
圖4.24 切割斷裂之變化圖 79
西文部份:
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