复杂产品虚拟样机多领域集成建模和协同模拟分析研究
高曙明、陈立平、刘永进、刘振宇等
（国家自然科学基金重点项目：60736019, 2008.01-2011.12）
随着虚拟样机的复杂度越来越高，分布性越来越强，现有虚拟样机技术在支持复杂产品设计与开发方面遇到了巨大挑战。本项目的研究目标是探索能够有效支持复杂产品设计开发全过程的虚拟样机理论、方法和技术体系。主要研究内容包括：
· 虚拟样机的多领域多视图集成模型：研究能够有效支持对复杂产品进行多领域、全生命周期协同模拟分析的虚拟样机多领域多视图集成模型，旨在实现对复杂多样的虚拟样机数据进行具有系统性、一致性、关联性和紧致性的表示；
· 高效集成的复杂产品虚拟样机建模：研究采用一体化建模和可重构、可重用建模思想高效构建复杂产品虚拟样机集成模型的机制和方法，旨在使复杂产品虚拟样机的多领域集成建模变得高效和鲁棒；
· 复杂产品虚拟样机的多领域协同模拟分析：研究利用分布异构的多领域模拟分析工具进行复杂产品虚拟样机协同模拟分析的机制和方法，旨在提高复杂产品虚拟样机模拟分析的系统性、协作性、集成度和智能性；
· 虚拟环境中的复杂产品虚拟样机真实感知和交互可视分析：研究将虚拟现实技术与虚拟样机技术进行交叉融合，通过虚拟环境实现对复杂产品虚拟样机进行真实感知和交互可视分析的方法；
· 研发一个复杂产品虚拟样机原型系统，并在混合动力汽车的设计开发中进行应用验证。
本项研究对于促进虚拟样机理论和技术的发展，使其能够有效地支持复杂产品设计与开发具有重要意义，同时将为开发新一代虚拟样机系统提供理论和技术支持。
复杂机电产品质量特性多尺度耦合理论与预防性控制技术
谭建荣、张根保、杨将新、冯毅雄等
（国家自然科学基金重点项目：50835008,2009.1-2012.12）
本项目以复杂机电产品的关键质量特性分析和预防性控制原理建模为基础，从关键质量特性的分析和形成机理入手，运用多尺度理论归纳总结复杂机电产品关键质量特性形成的一般规律，通过不同尺度质量特性耦合求解，建立具有普遍适用性的复杂机电产品多尺度耦合质量控制模型；引入预防性控制的概念，采用全局建模的方法建立系统的预防性控制模型，实现复杂不确定条件下关键质量特性的诊断、预测、控制及自修复；针对典型复杂机电产品，建立面向领域的复杂机电产品多尺度耦合与预防性控制的原型系统软件，并应用于典型复杂机电产品（复合高精度磨床、高精度成型磨床）开发之中；从理论上解决复杂机电产品全生命周期质量控制中存在的共性和关键性科学问题，建立复杂机电产品关键质量特性控制的理论体系，为我国重大工程设备的质量控制提供应用技术。
基于数据的三维计算机动画理论与方法
冯结青、王国瑾、黄田津、于金辉、黄劲等
（国家自然科学基金重点项目：60933007, 2010.01-2013.12）
三维计算机动画是动画片制作、影视特技、训练模拟、计算机游戏等应用领域的核心支撑技术。现有的三维计算机动画理论框架与方法在实现复杂模型与人体造型、柔性物体的运动、角色运动与衣服动画、复杂流体动画等关键问题方面，尚存在较大困难。当前，随着各种信息获取设备与计算资源的快速发展，我们已经可以获取或计算得到大量的样本模型或数据。通过分析、学习与重用这些获取或计算的样本或数据，为解决上述难题提供了新的途径和方法。
本项目围绕数据驱动的三维计算机动画理论与方法，在高效真实感建模、基于物理模型的柔性物体运动、具有视觉真实感的角色运动模拟、角色与布料的相互作用、风格化流体动画生成等方面开展研究。其核心问题是如何根据所获取或计算得到的数据或样例，基于统计归纳和机器学习的理论和方法获取物理模型的参数，或者建立具有视觉真实感的运动模型，以指导计算机动画中的建模、运动和风格化表现形式，高效地生成具有物理或视觉真实感、满足艺术创作的动画效果，为计算机动画的发展开辟一条新途径。主要研究内容包括：
1、面向三维动画创作的复杂几何模型的高效真实感建模理论与方法
2、具有物理真实感的数据驱动的柔性物体和布料运动生成理论与方法
3、基于多来源的离散模型样本和连续模型序列，通过数据分析、归纳与学习，研究具有视觉真实感的角色运动生成与控制模型
4、以风格化流体素材为基础，结合光顺质点流体动力学方程，研究数据驱动的三维风格化流体动画
5、构建一个基于数据驱动的三维计算机动画创作与生成原型系统，以验证上述理论与算法。
通过本项目的研究，重点解决三维计算机动画在高效真实感建模、基于物理的运动与形变模拟、角色运动与布料真实感交互、复杂流体动画生成等方面的困难，完善并突破已有的“几何造型-运动控制方程-真实感模拟”的动画理论框架，提高三维计算机动画创作效率与真实感。建立基于数据驱动的三维计算机动画理论框架和实现相关算法，为相关产业的发展提供关键技术支撑。
层状电磁复合材料与结构的动力学特性及其调控机理
陈伟球
（国家自然科学基金重点项目：11090333，2011.01-2014.12）
层状电磁复合材料是为满足器件的高频、宽带、集成化和微型化等高要求而提出的新一代电磁功能材料。由于电磁器件的功能往往利用结构的波动/谐振来实现或它们经常处于动态环境中，层状电磁复合材料的电磁耦合效应还具有强烈的频率依赖性，所以研究层状电磁复合材料与结构的动力学性能对于这类材料与结构的应用至关重要。本课题将针对层状电磁复合材料/结构中与器件相关的波动和振动特性，拟在考虑加速度、温度和介质等环境因素及界面结构、预置偏场、结构构型、材料匹配、畴壁运动等多尺度调控因素的基础上进行线性和非线性动力学建模，提出精确预测层状电磁复合材料与结构各种频段动力性能的理论体系和分析方法，研究耦合模态体波及表/界面波的传播规律，分析共振特性、稳态响应和瞬态响应，据此厘清各种调控因素对层合电磁功能材料与结构动力性能和电磁参数的影响，为新型电磁功能器件的研发、设计、制造、使用和检测提供直接的理论指导和方法支持。
基于视觉计算的交互图形处理技术研究
鲍虎军等
（国家自然科学基金重点项目：60633070，2007.1—2010.12）
计算机图形学和计算机视觉是与人类视觉感知密切相关的二个学科。计算机图形学主要研究各类图形及其相关信息（几何、纹理、光照、运动等）的建模与绘制，为人们认识和理解客观世界提供有效的可视手段。随着研究对象复杂程度的日益提高，现有的图形处理技术在真实性、计算效率和交互的自然性等方面遇到了巨大的挑战。计算机视觉则模拟人类的视觉感知系统，将所获取的视觉信息进行处理、识别与理解，使得计算机系统具有一定的视觉感知和理解能力。鉴于图像、视频等视觉信息易于直接从真实世界中获取，而计算机视觉技术又能够帮助从中提取和构建符合人类视觉感知规律的计算模型，这有效地弥补了基于理想数学物理模型的传统图形处理技术的缺陷，为实现更加真实和高效的交互图形处理系统提供了新的研究方法和手段。
本项目的研究目标是探索计算机视觉和计算机图形学有机融合的理论框架和计算模型，并面向图形学学科发展与应用需求，研究和探讨两者相结合的算法机理和技术方案，在摄像机自动定标/定位理论与方法、基于图像/视频的建模、绘制与交互等四个方面展开研究，在面向大变焦长序列视频的快速鲁棒摄像机定标、利用光线空间场景辐射度离散采样来反演高维的全息场景函数、建立输入和输出视频在光线空间的映射与重构关系以及让机器从视频中实时可靠地识别与理解具有某种含义的连续动作等关键问题研究上取得突破，为实现更加真实和高效的交互图形处理系统提供新的研究方法和手段，推动计算机图形学和计算机视觉研究的交叉和发展，而且将为数字媒体产业的未来发展提供理论和技术支持。
本项目主要研究内容包括以下几个方面：
1、视频序列摄像机的标定/定位理论与方法。针对一般视频序列，旨在从理论和实验上分析视觉中的主流标定方法不可靠的原因，给出具体计算策略，提供稳定、快速的摄像机标定/定位技术。重点研究基于不变量的视频序列摄像机的标定/定位理论与方法；稳定高效的特征跟踪与匹配方法；大变焦长序列视频的自动、鲁棒标定/定位技术；场景的实时标定/定位技术等。
2、基于图像/视频的建模技术。旨在研究从单/多角度图像或视频恢复场景几何、表面属性及运动信息的方法。主要从三个方面展开研究：基于图像/视频的几何建模；基于图像/视频的表面属性及光照环境建模；基于视频的运动获取和重用。
3、基于视频的绘制方法。旨在研究如何利用现有单/多角度视频生成不同观察角度、不同光照条件甚至不同场景组成、具有高度真实感或艺术风格的合成视频。
4、基于视频的交互技术。基于视频信息处理技术，研究直观、自然的用户界面和三维交互方法，主要包括基于视频流的三维虚拟化身交互方法和通过视频跟踪用户运动行为的非接触交互方法。
5、通过有机集成上述研究成果，研发增强视频处理系统和基于视频捕捉与处理的用户界面和三维交互工具。