Sofa framework (2) ----- Main Principles

1 场景 (Scene Graph)

SOFA中的仿真被描述为具有内在广义层次结构的场景。 场景由节点构成树或有向无环图（DAG）组成。 不同的节点描述不同的仿真对象，也可以在不同的子节点中完成相同对象的不同表示。

1.1 场景的结构 (Structure of a scene)

场景从一个父节点开始，称为“根”节点。 所有其他节点（称为子节点）都从此主节点继承。 在图1中，定义了第一个子节点“肝脏”并表示第一个对象。 通常，一个节点是与同一对象相关联的组件的集合（这些组件有相同的自由度）。

这种设计是高度模块化的，因为场景中的组是件彼此独立的。 通过更改图中的一个组件，可以简单地用另一个物理模型（三角形FEM）替换一个物理模型（弹簧）。 以同样的方式，通过修改场景对应XML文件中的一行，可以用隐式的解算器（EulerImplicitSolver）替换显式解算器方案（EulerSolver）。 框架的这种高模块性是由下面描述的scenegraph-visitor 实现的。

如图2所示，节点可以在图中串行构建。 这种分层图允许同一对象的多种不同表示。 在该示例中，第一子节点“肝脏”实现肝脏的机械行为（六面体网格），而子节点“视觉”描述肝脏的表面模型（三角形网格）。

图3显示了涉及两个不同对象的仿真。 第一个节点可以计算肝脏的机械行为，而第二个节点可以模拟心脏的电气行为。 这两个系统依赖于两种不同的自由度，例如不同的物理现象。 因此，必须在两个不同的节点中描述它们。 此功能显示了SOFA轻松开发的优势和耦合模型的能力。

要在SOFA中构建仿真，可以使用以下方法编写场景图：
*** XML文件。 阅读关于如何用XML编写场景的相关页面。
*** Python脚本。 阅读有关如何使用Python编写的相关页面。

1.2 数据 (Data)

图1的这个“肝脏”节点包括用于构建肝脏的机械仿真的组件（求解器，力场，质量）。每个组件都包含属性。例如，质量分量具有质量密度的属性;迭代线性求解器需要一个定义最大迭代次数的属性。这些属性也称为数据。这些数据是容器，提供用于XML文件中的序列化以及在用户界面中自动创建输入/输出窗口小部件的反射API。

两个数据实例可以相互连接以保持其值同步。只有当它们都具有相同的类型（float，vector ）时才可以这样做。惰性求值机制用于递归标记不是最新的数据。然后，重新计算数据（仅在必要时）。互连Data对象的网络定义了数据依赖关系图。在XML文件中，当使用“@”时，一个Data连接到另一个Data：

<Component dataname =“@ path_to / component.data”/> 

阅读有关“组件和数据”文档页面上的数据的更多信息。

1.3 标签 (Tag)

任何组件都可以设置一个或多个“标签”。 “标签”数据字段可用于任何SOFA组件。标记用于查找场景中的特定组件，区分场景图中同一类的多个实例，或者以不同方式处理这些实例（请参阅MultiTagAnimationLoop下面的内容）。

1.4 动画循环 (Animation Loop)

SOFA中的所有场景都必须包含AnimationLoop。此类规则模拟的所有步骤和系统解析，它们按特定顺序相互接替。在每个时间步，动画循环通过访问者机制触发每个事件（解决矩阵系统，管理约束，检测碰撞等）（见下文）。在场景中，如果未定义动画循环，则会自动创建“DefaultAnimationLoop”。否则，在XML格式中，可以写入：

在XML格式中，这将写成如下：

<Node name="root" dt="0.01" gravity="0 -9.81 0">
    <DefaultAnimationLoop />
</Node>

SOFA中已有几个AnimationLoops：

• DefaultAnimationLoop：这是名称所示的默认动画循环！如果场景中未指定动画循环，则此动画循环默认包含在图形的根节点中。使用DefaultAnimationLoop，一个模拟步骤的循环如下：

1. 构建并解决场景中的所有线性系统：碰撞和时间积分，以计算自由度的新值
2. 更新上下文（dt ++）
3. 更新映射
4. 更新边界框（覆盖场景的所有对象的体积）

• MultiTagAnimationLoop：此动画循环通过使用不同标记标记组件来工作。使用MultiTagAnimationLoop，一个模拟步骤的循环与DefaultAnimationLoop相同，只是在给定标签列表的情况下，一个标签在另一个标签之后求解：

1. 构建并解决场景中的所有线性系统
2. 对于使用第一个标记的所有组件和节点
3. 那么第二个标签…依此类推
4. 更新上下文
5. 更新映射
6. 更新边界框

• MultiStepAnimationLoop：给定一个时间步，这个动画循环允许在一个步骤（I）中运行几个碰撞（C）和几个积分时间，其中C和I可以是不同的。如果时间步长为dt = 0.01，则碰撞步骤数C = 2且积分步数为I = 4，则进行一个模拟步骤的循环：

1. 计算C =碰撞管道的4倍（4个碰撞步骤）

• • 对于每个碰撞步骤，由于积分，求解线性系统的I = 4倍。因此，积分时间步长是dt’= dt /（C.I）= 0.00125（8个积分步骤）。- - 对于每个碰撞步骤，由于积分，求解线性系统的I = 4倍。因此，积分时间步长是dt’= dt /（C.I）= 0.00125（8个积分步骤）。

2. 更新上下文
3. 更新映射
4. 更新边界框：这意味着可视化在每个时间步dt = 0.01时完成一次

• FreeAnimationLoop：此动画循环用于涉及约束和碰撞的模拟。使用FreeAnimationLoop，一个模拟步骤的循环如下：

1. 在没有约束的情况下构建和解决场景中的所有线性系统，并保存自由度的“自由”值
2. 计算碰撞
3. 约束最终用于纠正“自由”自由度，以便考虑碰撞和约束
4. 更新映射
5. 更新边界框

1.5 访问器 (Visitor)

在模拟的不同步骤（初始化，系统组装，求解，可视化）期间，需要从所有图节点恢复信息。基于Visitor的隐式机制实现了这一点。您可以在SofaSimulation包中找到抽象的Visitor类。

对于每个步骤，访问者执行的操作可以描述为：

• 图遍历
• 取决于触发动作的抽象方法（例如：清除全局向量或累积力），
• 和矢量识别器。

访问器从上到下和自下而上遍历场景，并在每个图节点遍历时调用相应的虚函数。因此，访问器用于通过调用相关的虚拟函数来触发动作（例如，动画化模拟，累积力）。模拟对象的算法操作是通过派生Visitor类并重载其虚函数topDown（）和bottomUp（）来实现的。这种方法隐藏了组件中的场景结构（父级，子级），以实现更多的实现灵活性和更好地控制执行模型。此外，可以独立于在每个节点处执行的机械计算来应用各种并行策略。实际上，数据结构从严格的层次结构扩展到有向非循环图，以处理更一般的运动依赖性。除非已经遍历了当前节点的所有父节点，否则将修剪自上而下的节点遍历，以便只有遍历了所有父节点后才遍历具有多个父节点的节点。自下而上的遍历以相反的顺序进行。

示例：累积力量。累积力用于计算应用于对象的所有力（内部或外部）。然后，解算器触发关联访问器，并且操作通过图传播，并在每个强制和映射节点调用适当的（自下而上）方法。所有能够计算力量的组件都会累积其贡献。此信息最终在MechanicalObject中收集，解算器将使用此“力”向量来求解数学系统。

1.6 序列图 (Sequence diagram)

以下是SOFA仿真的常用顺序图。

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Reference

https://www.sofa-framework.org/community/doc : main-principles