基于質點彈簧結構的通用服裝三維模型仿真方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及仿真分析，特別是涉及一種基于質點彈簧結構分析的服裝三維模型仿 真方法及系統。
【背景技術】
[0002] 布料以及服裝的計算機仿真一直是國內外研究的熱點與難點。在虛擬現實技術 中，布料是柔性物體，與普通剛體的三維仿真不同，布料的表面形狀隨時在發生著變形。進 而，由布料和衣片組成的三維服裝的模擬所需要解決的問題會更多，除了真實性以外，還要 強調實時性、交互性，最終要與人體進行復雜的碰撞檢測。不論是在國際還是國內，柔性織 物與三維服裝的造型與仿真研究倍受關注，除了具有以上的理論與技術上的挑戰性之外， 其在不同的領域都有著廣泛的應用前景：
[0003] (1)服裝的計算機輔助設計。利用服裝的虛擬現實技術可以做到設計可視化、虛擬 立體裁剪，以及服裝版型的自動生成。
[0004] (2)計算機三維動畫和游戲。實現實時地模擬角色的著裝特效，給玩家帶來更加真 實的體驗。
[0005] (3)虛擬試衣。隨著"互聯網+"及服裝020的發展，服飾類的產品不可避免地面 臨虛擬試穿試戴的環節，傳統電子商務中靜態的模特圖片營銷已經不能滿足消費者不斷提 高的要求。
[0006] (4)服裝的個性化定制。個性化定制已經成為服裝設計與加工很重要的一個發展 方向，與電子商務的要求一樣，消費者也需要進行線上的體驗，虛擬試衣的效果將直接影響 消費的意愿。
[0007] 從研究的過程來說，服裝的仿真是從單片布料的模擬開始的。針對布料的編織彈 性特性，將布料對象看作由虛擬質點和彈簧構成網格結構，通過求解歐拉方程迭代求解每 個質點的受力和運動情況。隨后本行業中提出了一種使用大步長的隱式積分方法求解織物 模擬的運動方程，實時地增強對粒子的約束，運算速度得到了大幅度的提高。研究者們盡管 對于布料的運動方程表達不完全一樣，但大部分都是基于牛頓運動的物理模型。國外學者 基于對布料變形的超彈現象，通過設置伸長閾值并引入補償力，來克服布料仿真過程中出 現的超彈現象。當檢測到彈簧的伸長超過伸長閾值時，增大彈簧力使得彈簧快速回復到適 當的位置上，但會造成彈簧的震蕩，影響系統的穩定性。國內學者針對"服裝-人體"碰撞 檢測中實時性與復雜性的瓶頸，提出無需更新大量中間數據的前提下減少碰撞檢測時間復 雜度的解決方法。國內學者進一步提出實現織物力學特性與仿真模型參數的映射關系，力 圖讓模擬的織物變形符合真實面料的物理屬性。隨后國內學者又嘗試了虛擬織物的多觸點 交互原型系統，實現兩個手指的感知并呈現織物形變效果。
[0008] 對于面向服裝輔助設計領域的服裝模擬研究，則更多考慮的是如何將衣片模擬出 真實的穿著效果。通常是建立二維衣片到三維服裝的映射模型，通過求解服裝真實感模擬 方程，給出質點所受內力和外力的組成，并呈現服裝褶皺與懸垂的效果。或者反過來，先生 成三維服裝曲面，再通過交互設計展開成二維的衣片以供生產環節使用。
[0009] 另外，基于近幾年出現的體感交互設備，也出現了一些商用的二維或三維試衣系 統，但都是利用傳感器的體感信息分別處理人體與服飾的位置與姿態，回避了服裝動力學 物理屬性，并非真實的動態試衣。
[0010] 近幾十年來，各種改進的方法不斷地推進柔性織物的仿真水平，但總體來說在以 下幾個方面還有待進一步提尚：
[0011] (1)實時性亟待提高。要實現布料中大量質點的運動軌跡符合真實織物的特性還 是比較耗時的工作。迭代過程中需要大量重復計算質點的動力學方程，服裝質點與人體的 碰撞檢測與響應也是影響計算效率的主要因素，所以目前常用的布料解算器（比如Maya、 3DS Max軟件）需要大量的時間進行渲染，而不是實時仿真。
[0012] (2)算法的通用性不強。早期的方法僅使用規則的矩形平面做布料的模擬，目前研 究中也多是采用規則化的質點網格形式，而且采用的衣服模型也是非常簡單的樣式，比如T 恤、裙子等等，還有一些算法是研究二維衣片縫合生成三維服裝的技術。可以說，目前的大 部分算法對于那些使用通用的三維建模軟件建立的服裝模型來說是不適合的。
【發明內容】
[0013] 本發明要解決的技術問題是提供一種基于質點彈簧結構分析的服裝三維模型仿 真方法及系統，目的是能夠實現服裝三維模型的通用性，突破規則網格質點模型的限制。
[0014] 為解決上述技術問題，本發明采用下述技術方案：
[0015] 基于質點彈簧結構的通用服裝三維模型仿真方法，該方法的步驟包括
[0016] 獲取服裝模型的頂點和三角面的信息；
[0017] 通過所述頂點和三角面的信息，構建鄰接關系，并建立該服裝的質點彈簧結構模 型；
[0018] 基于數值求解算法，將所述彈簧模型中質點的位置和力學量展開，并進行迭代運 算獲得質點在t時刻的運動軌跡，g卩服裝的三維仿真模型。
[0019] 優選的，該方法的步驟進一步包括對所述質點的運動軌跡進行約束和補償。
[0020] 優選的，所述鄰接關系包括鄰接點和鄰接面；
[0021] 所述鄰接點是以任意點為頂點，通過邊與該點連接的周邊的點；
[0022] 所述鄰接面是以任意三角面為中心面，與該中心面共邊的三角面。
[0023] 優選的，所述步構建鄰接關系包括
[0024] 利用邊將每個頂點的鄰接點連接，并將所有邊作為結構彈簧；
[0025] 在每個三角面及其鄰接面中的所有頂點中，選取三個頂點作為彎曲彈簧的質點。
[0026] 優選的，所述選取的三個頂點的入度為2。
[0027] 優選的，利用所述基于質點彈簧結構的彈簧模型對服裝仿真時，只采用結構彈簧 和彎曲彈簧作為仿真參數，忽略剪切彈簧。
[0028] 優選的，所述對所述質點的運動軌跡進行約束和補償的步驟包括
[0029] 假設某彈簧兩質點分別為VjP V ,，其初始彈簧滿足：L 1]= p fp,;
[0030] 新的坐標位置的彈簧向量為L' p' i_p' 則質點坐標的補償向量為：
[0032] 優選的，所述利用迭代算法進行模型的仿真迭代的步驟進一步包括
[0033] 在每次迭代之后，檢查每個彈簧的狀態是否符合約束條件；如果不符合，則對新的 坐標位置進行補償修正，以修正后的坐標作為迭代后的結果。
[0034] 基于質點彈簧結構的通用服裝三維模型仿真系統，該系統包括
[0035] 服裝信息獲取模塊，用于獲取服裝模型的頂點和面的信息；
[0036] 彈簧模型構建模塊，通過所述點和面的信息，構建鄰接關系，并建立該服裝的基于 質點彈簧結構的彈簧模型；
[0037] 運動軌跡解析模塊，基于數值求解算法，將所述彈簧模型中質點的位置和力學量 展開，獲得質點在t時刻的運動軌跡；
[0038] 迭代模塊，基于所述彈簧模型和質點t時刻的運動軌跡，利用迭代算法進行模型 的仿真迭代，獲得服裝的三維仿真模型。
[0039] 優選的，該系統進一步包括約束模塊，用于執行以下步驟
[0040] 假設某彈簧兩質點分別為VjP V ,，其初始彈簧滿足：L 1]= p fp,;
[0041] 新的坐標位置的彈簧向量為L' p' i_p' 則質點坐標的補償向量為：
[0043] 本發明的有益效果如下：
[0044] 本發明所述技術方案針對任意服裝三維模型進行了設計，滿足了通用性的要求。 本發明基于三維模型不是規則的網格質點結構的特點，將不規則三角面映射成結構和彎曲 彈簧模型；本發明引入質點運動的預測機制，不對質點的移動速度進行顯式的計算，提高了 算法的可靠性，并為約束計算和位置糾偏提供了機會；本發明使用簡便易行的方法實現了 剛性彈簧變形，有效解決了過拉伸現象，更加符合服裝布料的物理特性；本發明無需計算質 點運動中的速度數據，只需計算三角面片頂點的位置信息，在執行速度上具有優勢，為實時 地服裝仿真奠定了基礎。本發明所述技術方案具有簡潔性和可模塊化的優勢。
【附圖說明】
[0045] 圖Ι-a示出本發明所述模型的不規則頂點模型的示意圖；
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