CN103366054A - 一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法 - Google Patents

Abstract

一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理与褶皱增强方法，对接缝区域建立质点弹簧模型，将其合并到初始衣物模型中进行整体仿真，并对局部褶皱区进行细化；在衣物建模阶段给出了质点弹簧接缝模型，将其合并到初始模型中，统一进行仿真计算；在动态仿真阶段，先进行一次初始仿真，针对仿真结果，使用Moreton方法计算曲率，选出局部最大变形点并向外扩散，确定出局部褶皱区域，对其进行网格细化，再次进行仿真计算，实现更细致的褶皱效果。具体步骤是（1）构建衣物的初始质点弹簧模型；（2）建立接缝模型，将其合并到初始模型中，得到衣物整体模型；（3）对整体模型进行初始仿真，分析仿真结果，找出最大褶皱点，并向外扩散划分出局部褶皱区；（4）对局部褶皱区的三角形进行细分，再次对整体模型进行物理仿真，得到比初始仿真更细致的褶皱效果。

Description

一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法

技术领域

本发明涉及一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法，属于柔性织物仿真技术领域。

背景技术

接缝褶皱是布料由于缝合线的上下穿插扭曲导致的波纹状褶皱。缝合过程是针带引线连续上下穿过几层布料，最后引线的路径即为接缝线。在缝合过程中，引线受到一定程度的张力而收缩，导致缝合线在长度和厚度上的皱缩，对所穿透的布料层施加了压力，从而产生接缝褶皱。衣物的主要表现形态和细节是褶皱，通过对衣物质点弹簧模型的动态仿真，可以看到产生的折叠和褶皱。

在接缝仿真方面，Ma等人提出了一种可以仿真接缝处皱褶的接缝模型，即根据缝合形成织物的褶皱，但是主要关心的是接缝的可视化效果而不是关心对衣服悬垂行为的改变。Inui等人研究了布料的力学特征与接缝褶皱如何相关联以及怎样仿真体现出来这种关联关系，但是他们主要关心接缝的外观表现对布料的影响。

从当前研究人员的工作来看，针对褶皱合成主要有基于数据库的方法，基于几何对褶皱建模的方法和基于物理分析褶皱然后细化的方法。Culter等在粗糙布料仿真基础上加入程序褶皱模型，褶皱是人为设计的。Rohmer等用一个自动化真实褶皱生成方法来替代人工设计添加褶皱。该方法可以加入到任何已有衣物仿真中，包括软弹簧仿真或者蒙皮模型。Volino等人提出了一个快速几何褶皱算法，可以在任意粗糙表面变形模型中添加。该算法调节预定于褶皱高度图的幅度来实现表面不变的仿真。褶皱样板加在初始变形网格表面，由一些褶皱模板来合成复杂的褶皱变形。

传统的褶皱合成方法主要存在以下一些问题：

（1）模型分辨率越高，仿真越精细，分辨率越低，仿真越粗糙；但是高分辨率的模型会带来很大的仿真计算量，耗时严重，低分辨率模型仿真的计算时间短，但是细节不够细腻。

（2）人工设计褶皱模式很耗时且需要专业技能。此外，人工设置只能用于固定的帧，即真实布料褶皱连续变化，随时间变形，且会动态地分离或者融合。

针对上述问题，本发明提出了一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法。先对初始低分辨率的模型做物理仿真，对仿真结果进行分析，找出最大褶皱点，向外扩散划分出局部褶皱区，然后对局部褶皱区三角形进行细分，最后对整体模型再做物理仿真，那么就可以在保证仿真效率的同时得到比初始仿真更细致的褶皱效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法，提高仿真的逼真度和效率。

本发明采用的技术方案：一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法，对接缝区域建立质点弹簧模型，将其合并到初始衣物模型进行整体仿真，并对局部褶皱区进行细化；在衣物建模阶段给出了质点弹簧接缝模型，并将其合并到初始模型中，统一进行仿真计算；在动态仿真阶段，先进行一次初始仿真，针对仿真结果，使用Moreton方法计算曲率，选出局部最大变形点并向外扩散，确定局部褶皱区域，对其进行网格细化，再次进行仿真计算，实现更细致的褶皱效果。

具体步骤，如图1所示：

（1）构建衣物的初始质点弹簧模型；

（2）建立接缝模型，将其合并到初始模型中，得到衣物整体模型；

（3）对整体模型进行初始仿真，分析仿真结果，找出最大褶皱点，并向外扩散划分出局部褶皱区；

（4）对局部褶皱区的三角形进行细分，再次对整体模型进行物理仿真，得到比初始仿真更细致的褶皱效果。

所述步骤（1）的构建衣物的初始质点弹簧模型方法具体如下：

（2.1）建立数据结构，构建衣物物理模型

衣物物理模型由顶点、三角形面片、弹簧组成，分别对它们建立数据存储结构；顶点结构包括顶点的质量、速度、当前位置、上一时刻位置属性；三角形结构包括三角形编号、顶点的索引号属性；弹簧结构包括弹簧类型、弹性系数、阻尼系数、初始弹簧长度属性；

（2.2）导入网格数据，初始化上述物理模型

使用DirectX默认支持的.X文件作为源格式文件，导入网格数据，包括顶点、法向量、材质、纹理等信息，得到衣物的初始质点弹簧模型。

所述步骤（2）的建立接缝模型，将其合并到初始模型中，得到衣物整体模型，方法如下：

（3.1）确定缝线区域，对该区域的网格进行细分；接缝区域信息包括接缝线经过的顶点、三角形。接缝线上每个顶点都认为是一个针孔；通过在接缝线经过的每个三角形边上插入三个顶点，并与相邻三角形的插入顶点连接，细分接缝区域的网格；

（3.2）对细分后的接缝区域建立弹簧模型，包括节点弹簧、引线弹簧和压缩弹簧。节点弹簧连接相邻针孔，引线弹簧模拟接缝线的张力作用，压缩弹簧指上述（3.1）中对接缝线经过的三角形边进行细化后添加的弹簧；

（3.3）将上述接缝区域的弹簧模型合并到衣物初始质点弹簧模型中，得到衣物整体模型。

所述步骤（3）中的对整体模型进行初始仿真，找出最大褶皱点，向外扩散划分出局部褶皱区，方法如下：

（4.1）采用数值积分方法对整体模型进行物理仿真，分析仿真结果，使用Moreton方法计算各顶点曲率，找出发生最大褶皱变形的顶点；

（4.2）将上述顶点作为种子点，根据其邻接质点关系向外扩散出局部褶皱区。

所述步骤（4）中的对局部褶皱区的三角形进行细分，再次对整体模型进行物理仿真，得到比初始仿真更细致的褶皱效果，方法如下：

（5.1）对局部褶皱区内的三角形进行细分，通过在三角形内部插入顶点，将一个原始三角形分为四个小三角形；

（5.2）局部褶皱区细分完成后，对整体模型再次做物理仿真，得到比初始仿真更细致的褶皱效果。

本发明与现有技术相比的有益效果是：增强了仿真细节。通过对接缝区域建立质点弹簧模型，将其合并到初始衣物模型进行整体仿真，更好的展现了接缝处的褶皱效果，更符合真实的衣物特征。通过分析仿真结果，找出最大褶皱点并向外扩散，确定局部褶皱区域，对局部褶皱区进行网格细化，再次进行物理仿真，在保证仿真效率的的同时得到比初始仿真更细致的褶皱效果。

附图说明

图1为本发明实现步骤示意图；

图2为本发明中三角形质点弹簧结构；

图3为本发明中接缝的弹簧模型；

图4为本发明中衣物仿真计算流程图；

图5为本发明中三角形质点弹簧模型仿真效果；

图6为本发明中面片接缝仿真效果；

图7为本发明中衣物细化褶皱效果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明具体实现如下：

（1）构建基于质点弹簧模型的衣物物理模型；

第一步，建立数据结构，构建衣物物理模型。衣物物理模型由顶点、三角形面片、弹簧（如图2所示，弹簧包括相邻顶点之间的张力弹簧和具有公共边的两三角形的非公共顶点之间的交叉弹簧）组成，分别对它们建立数据存储结构。顶点结构包括顶点的质量、速度、当前位置、上一时刻位置等属性；三角形结构包括三角形编号、顶点的索引号等属性；弹簧结构包括包括弹簧类型、弹性系数、阻尼系数、初始弹簧长度等属性；

第二步，导入网格数据，初始化上述物理模型。使用DirectX默认支持的.X文件作为源格式文件，导入网格数据，包括顶点、法向量、材质、纹理等信息，得到衣物的初始质点弹簧模型。

（2）构建接缝区域的弹簧模型，并合并到初始物理模型中，得到衣物整体模型；

第一步，确定缝合区域信息。通常系统在缝合前需要定义缝合信息，即完成衣片中各组边界、顶点之间对应关系的描述，系统在缝合信息结构体中主要保存以下参数：

①服装类信息：服装名称、类型、面片数量等。

②面片类信息：面片ID、边的ID、各边上的点数及点的索引等。

③缝合类信息：确定需要进行缝合操作的面片及边的ID。

④关键点信息：需要缝合的关键点信息。

⑤缝合类型信息：等长缝合或不等长缝合。

⑥参考点信息：保证服装与人体空间位置相对应的特殊点。

第二步，确定接缝弹簧类型。如图3所示，接缝区域的弹簧包括引线弹簧、节点弹簧和压缩弹簧。引线弹簧指作用在厚度方向的弹簧(B-B'、C-C')和作用在长度方向的弹簧(A-D和A-D')；针孔节点的交错可以简化为节点弹簧，比如弹簧A-A'和D-D'；压缩弹簧是将引线进一步细化而添加的弹簧，比如A‐B、B‐C和C‐D；节点弹簧和压缩弹簧的主要作用是模拟布料层厚度方向的变形。

第三步，在初始衣物模型上构建接缝模型。首先确定接缝线数据（顶点、三角形），接缝线上每个顶点都认为是一个针孔，接缝的不同层次之间在针孔位置应插入顶点。将接缝线的边一分为四，即在三角形边中间插入三个顶点，与相邻三角形的插入顶点连接。其次对接缝线上顶点加密，局部细分网格。最后，将接缝模型合并到初始衣物模型中，得到整体模型。

（3）对整体模型进行物理仿真；

衣物动态仿真的完整流程如图4所示，具体步骤为：

第一步，针对衣物质点弹簧模型，计算质点受到的外力和弹性内力。如果第二步采用显式积分方法，则直接计算出力的矢量，如果采用隐式积分方法，则计算出力关于速度和位置的表达式。

第二步，运动积分。针对受力模型，建立运动偏微分方程，采用数值积分方法求解方程，计算出衣物质点每一帧的运动状态信息，包括顶点的位置和速度信息，从而实现衣物的动态仿真，数值积分方法包括显式积分和隐式积分。

第三步，根据积分求出的顶点位置信息，进行约束处理，避免衣物产生过度变形。

第四步，根据积分求出的顶点速度，进行连续性碰撞检测，对发生碰撞的顶点计算碰撞响应，修改碰撞点的位置和速度。

第五步，按照最终计算出的顶点位置绘制出当前仿真时刻的衣物图像，把当前的位置和速度信息带入到下一帧的仿真计算中去，重复第一步。仿真效果如图5所示，左上角为衣物只受重力的效果图，其余为加入外力后的仿真结果图。

（4）分析仿真结果，找出局部褶皱区，对该区域进行细化，再次进行物理仿真。

第一步，使用Moreton方法计算曲率，找出发生最大褶皱变形的顶点，将其作为种子点，根据其邻接质点关系向外扩散出局部褶皱区。

本发明的基本思想是利用微分几何的欧拉定理，建立曲面法曲率与曲面主曲率及主方向的关系。把曲面的高斯曲率记为k_G，平均曲率记为k_h。

首先取顶点p_i周围三角面片的各法向量的平均值作为三角网格曲面在点p_i处的法向量，记为n。过点p_i与n垂直的平面称为网格曲面在此点的切平面，设t_j为向量p_ip_j在此网格曲面的切平面上的单位投影。作过点p_ip_j且在点p_i有切向t_j的圆，则曲面在点p_i处沿p_ip_j方向的法曲率

可近似地取为此圆的半径r的倒数。半径可由下面的公式求出:

$\frac{n\·(p_i-p_j)}{\left|\right|p_i-p_j\left|\right|}=\frac{1}{2}\frac{\left|\right|p_j-p_i\left|\right|}{r}$

这样就可以表示出点p_i处沿p_ip_j方向的法曲率

$\stackrel{\‾}{k_j}=2\frac{(p_j-p_i)\·n}{(p_j-p_i)\·(p_j-p_i)}$

设b_x和b_y为网格曲面的切平面上的一组基，取t_j,x和t_j,y为向量t_j关于基b_x、b_y的坐标，e_x和e_y为主方向e₁关于基b_x、b_y的坐标；则由欧拉定理，有:

$\stackrel{\‾}{k_j}={\left[\begin{array}{c}{t}_{j,x}\\ t_{j,y}\end{array}\right]}^T\·\stackrel{\‾}{K}\·\left[\begin{array}{c}{t}_{j,x}\\ t_{j,y}\end{array}\right]$

其中， $\stackrel{\‾}{K}=\left(\begin{array}{cc}{e}_x& e_y\\ {-e}_y& e_x\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{cc}{k}_1& 0\\ 0& k_2\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{e}_x& e_y\\ {-e}_y& e_x\end{array}\right)}^{-1}$

取i,j=1,2,…m，m为p_i的度，上述式子可以写成方程组Ax=b.

其中， $A=\left(\begin{array}{cccc}{t_{1,x}}^2& t_{1,x}& t_{1,y}& {t_{1,y}}^2\\ {t_{2,x}}^2& t_{2,x}& t_{2,y}& {t_{2,y}}^2\\ & \·\·\·& \·\·\·& \\ {t_{m,x}}^2& t_{m,x}& t_{m,y}& {t_{m,y}}^2\end{array}\right)$

和 $X=\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ x_1\\ x_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{{e_x}^{2}k}_1+{e_y}^2{k}_2\\ 2e_x{e}_y(k_1-k_2)\\ {e_x}^2{k}_2+{e_y}^2{k}_1\end{array}\right)$ $b=\left(\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{k_1}\\ \stackrel{\‾}{k_2}\\ \·\·\·\\ \stackrel{\‾}{k_m}\end{array}\right)$

因为 $x_0+x_2={e_x}^2{k}_1+{e_y}^2{k}_2+{e_x}^2{k}_2+{e_y}^2{k}_1=k_1+k_2,$ ${2x}_0{x}_2-\frac{{x_1}^2}{2}=k_1{k}_2,$ 所以我们就可以由上述方程组的解来表示平均曲率和高斯曲率的值:

$k_h=\frac{x_0+x_2}{2},k_G={2x}_0{x}_2-\frac{{x_1}^2}{2}$

所以现在的曲率计算就转化为求解方程组Ax=b，可以用最小二乘的方法来求解:

x＝(A^TA)^-1A^Tb

上述x0、x1、x2是x向量的元素，没有物理含义，是辅助符号，同k1,k2一样。

A是矩阵，x、b是向量，没有物理含义，是方程组Ax=b的一部分。

第二步，对局部褶皱区内的三角形进行细分，通过在三角形内部插入顶点，将一个原始三角形分为四个小三角形。

第三步，运用数值积分方法，对细分褶皱区后的整体模型再次做质点弹簧仿真，得到比初始仿真更细致的褶皱效果。

接缝仿真实验：在织物悬垂的仿真场景下，固定织物一点，使织物在重力作用下自然悬垂。实验采用的模型质点个数为256个，接缝的顶点数为16个，采用显式积分方法仿真，帧率为30，仿真步长设置为0.01秒。如图6所示，随着时间的推移，布料的接缝处显示出了波纹状褶皱，这与平常的观察结果是一致的。考虑到接缝处的弹簧必然处于压缩状态，因此实验中通过多次迭代约束尽量保证弹簧的最大拉伸或压缩为10%。那么由于重力及弹力的累积，最上面顶点，相当于承受整块布的受力累积，因此产生了过度变形，其他部分变形基本正常。

褶皱细化实验：模拟衣服粗仿真与细化褶皱后的仿真。织物的面片数为512，仿真步长为0.01。如图7所示，左图为初始仿真效果图，可以看出褶皱比较宽，比较大条，右图为加以褶皱细化合成后的效果，褶皱的条纹比较细致，细节上更有真实感。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法，其特征在于通过以下步骤实现：

（1）构建衣物的初始质点弹簧模型；

（2）建立接缝模型，将其合并到初始模型中，得到衣物整体模型；

（3）对整体模型进行初始仿真，分析仿真结果，找出最大褶皱点，并向外扩散划分出局部褶皱区；

（4）对局部褶皱区的三角形进行细分，再次对整体模型进行物理仿真，得到比初始仿真更细致的褶皱效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法，其特征在于：所述步骤（1）的构建衣物的初始质点弹簧模型，方法如下：

（2.1）建立数据结构，构建衣物物理模型

衣物质点弹簧模型由顶点、三角形面片、弹簧组成，分别对它们建立数据存储结构；顶点结构包括顶点的质量、速度、当前位置、上一时刻位置属性；三角形面片结构包括三角形编号、顶点的索引号属性；弹簧结构包括弹簧类型、弹性系数、阻尼系数、初始弹簧长度属性；

（2.2）导入网格数据，初始化上述物理模型

使用DirectX默认支持的.X文件作为源格式文件，导入网格数据，包括顶点、法向量、材质、纹理等信息，得到衣物的初始质点弹簧模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法，其特征在于：所述步骤（2）的建立接缝模型，将其合并到初始模型中，得到衣物整体模型，方法如下：

（3.1）确定接缝区域，对该区域的网格进行细分；接缝区域的信息包括接缝线经过的顶点、三角形面片。接缝线上每个顶点都认为是一个针孔；通过在接缝线经过的每个三角形边上插入三个顶点，并与相邻三角形的插入顶点连接，细分接缝区域的网格；

（3.2）对细分后的接缝区域建立弹簧模型，接缝区域的弹簧包括节点弹簧、引线弹簧和压缩弹簧。节点弹簧连接相邻针孔，引线弹簧模拟接缝线的张力作用，压缩弹簧指上述（3.1）中对接缝线经过的三角形边进行细化后添加的弹簧；

（3.3）将上述接缝区域的弹簧模型合并到衣物的初始质点弹簧模型中，得到衣物整体模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法，其特征在于：所述步骤（3）中的对整体模型进行初始仿真，分析仿真结果，找出最大褶皱点，并向外扩散划分出局部褶皱区，方法如下：

（4.1）采用数值积分方法对整体模型进行物理仿真，分析仿真结果，使用Moreton方法计算各顶点曲率，找出发生最大褶皱变形的顶点；

（4.2）将上述顶点作为种子点，根据其邻接质点关系向外扩散出局部褶皱区。

5.根据权利要求1所述的一种基于质点弹簧模型的衣物接缝处理和褶皱增强方法，其特征在于：所述步骤（4）中的对局部褶皱区的三角形进行细分，再次对整体模型进行物理仿真，得到比初始仿真更细致的褶皱效果，方法如下：

（5.1）对局部褶皱区内的三角形进行细分，通过在三角形内部插入顶点，将一个原始三角形分为四个小三角形；

（5.2）局部褶皱区细分完成后，对整体模型再次做物理仿真，得到比初始仿真更细致的褶皱效果。

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