CN104679958B - 基于弹簧模型的球b样条编针织物形变仿真的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的方法，本发明对基于球B样条构造的编针织物进行形变仿真，球B样条是通过定义一系列的控制点、控制点所在的控制半径以及和这些控制点相联系的B样条曲线来表现2D绘画和3D绘画，操作时，基于胡克定律在编针织物的各个线圈之间建立弹簧模型，通过改变球B样条曲线控制点和其对应的厚度可以实现编针织物精确的形变并且提高了存储和传输的效率。本发明的优点是：纬编针织物的计算机三维模拟采用参数化的方法，方便用户交互操作，使用更少的数据在计算机中能真实地模拟编针织物形变模型并达到了很好的模拟效果，为编针织物在CAD系统中的形变仿真提供一种新的思路方法。
Description
技术领域
本发明涉及基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的方法，属于计算机图形学领域。
背景技术
三维织物动态仿真技术，是研究如何利用计算机图形学、计算几何、纺织材料学、弹性力学领域的理论和技术在计算机上逼真模拟织物自然空间状态，是伴随着计算机硬件和图形学算法高速发展起来的一门高新技术。
例如，申请号为CN201010565036.6的专利公开了一种基于光滑粒子流体动力学的软组织形变仿真方法，属于图形处理技术领域，该方法选取光滑粒子流体动力学法，以黏弹性力学模型来反映软组织的生物力学特性，包含以下步骤：依据黏弹性模型，构建软组织形变仿真计算相关的一系列方程；选择合适的支持域搜索策略和光滑核函数，采用粒子近似法对方程组的各相关项进行近似计算，通过显示积分法计算各粒子的密度、位置、速度随时间的变化值；动态将粒子模型每个时间步长的状态输出到屏幕上，并进行纹理光照的渲染，显示软组织器官受力情况下的实时形变过程。
例如，申请号为CN201310341910.1的专利公开了一种柔性材料的形变仿真方法和装置，属于计算机领域。所述方法包括：根据模型在下一时刻的预设位置和局部碰撞表面的位置，判断所述模型在下一时刻是否发生碰撞；如果所述模型在下一时刻发生碰撞，根据模型碰撞点的当前位置和预设位置进行计算，得到所述模型碰撞点的下一时刻的位移；如果所述模型在下一时刻不发生碰撞，将所述模型在下一时刻的预设位置更新为所述模型的下一时刻的实际位置。本发明通过根据模型在下一时刻的预设位置和局部碰撞表面的位置进行碰撞的判断，简化了碰撞检测过程，通过模型碰撞点的当前位置和预设位置进行计算，得到模型碰撞点的下一时刻的位移。
例如，申请号为CN201110213387.5的专利公开了一种物体形变实时模拟图形处理技术，特别是涉及一种基于无网格伽辽金与质点弹簧耦合的软组织形变仿真方法。在前处理过程中，为软组织建立线性粘弹性生物力学模型；在计算形变过程中，根据软组织所承载的载荷动态划分无网格区域和质点弹簧区域，并在无网格区域与质点弹簧区域之间的连接区域建立过渡单元，构造过渡单元近似位移函数，实现无网格伽辽金方法与质点弹簧方法的自适应耦合；在后处理过程中，根据形变计算结果，将形变过程每个时间步长的质点或节点的状态输出到屏幕上，并进行光照渲染，最终在屏幕上显示软组织器官在受力情况下的实时形变过程。
计算机图形学学者和纺织学者不仅对织物的构造进行了研究也对织物的形变进行了研究。他们将线圈通过数组的形式一一对应在网格单元中，将网格看作是线圈，网格中的端点认为是主要变形点，当端点变形时线圈中与端点关联的变形控制点也会随之发生变形，当变形控制点发生移动时控制点周边的曲线也会发生相应的移动，从而发生线圈的整体变形。这种方法，将网格的变形近似于线圈的变形，只能实现一种近似的形变方法，并不能准确地实现织物的形变，在应用中,这种模型不如弹簧一质点模型逼真、复杂度较高并且表现织物的能力也较弱。粒子模型该模型将织物的经线和纬线的交点看作一个个粒子。整块织物是相应粒子的集合。粒子与粒子之间以及粒子和周围环境之间存在着相互的物理作用，它的模拟比较逼真，但计算量庞大,Breen的算例需要在IBMR56000上运行3到7天。网格划分得越细,计算时间的增长将是成几何指数并且粒子间相互作用的能量表达式通过复杂的实验确定,这些表达式是实验表象的数学抽象,物理意义不甚明了,表达式的确定很难说是完全准确客观的。有限元模型从宏观角度把织物看作连续的介质,静态变形用有限元方法模拟也就是自然的工程思想。有限元模型从连续介质的本质上计算织物的变形,其表达没有粒子模型复杂,计算效率较高，但是，总而言之，上述这些方法存在的共同问题是:大变形非线性的处理直接关系到结果的准确性；比较而言,计算效率不低,但仍然不能满足实时的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的方法。本发明对基于球B样条构造的编针织物进行形变仿真，球B样条是通过定义一系列的控制点、控制点所在的控制半径以及和这些控制点相联系的B样条曲线来表现2D绘画和3D绘画。操作时，给出一组控制点和其对应厚度，即能够获得球B样条曲线，通过改变控制点和其对应厚度能够实现编针织物精确的形变并且能提高存储和传输的效率。
本方法的目的是基于弹簧实现织物的形变仿真，同时对线圈模型进行参数化处理，方便用户交互操作，添加光照、纹理映射真实感绘制，在计算机中能真实地模拟编针织物形变模型并达到了很好的模拟效果并能够为编针织物在CAD系统中的的形变仿真提供一种新的思路方法。
本发明基于胡克定律(Hooke's law)在嵌套线圈的型值点之间建立弹簧模型，从而实现编针织物在外力作用下内力的传递。当纬编针织物受到外力作用时，其会产生形变；由于编针织物相互嵌套的结构，线圈受力的变形不仅受到线圈外力的影响，也受到相邻线圈的力的相互作用。对纬编针织物受力后的形变进行分析，实现了纬编针织物的形变仿真。输入不同的平行力F，在不同的方向拉针织物会有不同的效果。通过胡克定律(Hooke'slaw)能够计算得到型值点相应的偏移量，每一个型值点加上X轴和Y轴相应的偏移量，得到改变后的线圈的型值点坐标，通过计算机模拟，即能够得到不同力变形后的平针组织模拟效果。对针织物中的任意一个线圈在任意方向拉动，基于弹簧模型，通过力的传递能够计算出受力的线圈对相邻的线圈的力的作用，相邻的线圈又对其周围的线圈产生力的作用，因此得到针织物的某一线圈在受力后的仿真模拟效果。若对平针组织左上角的线圈进行左上拉，通过胡克定律(Hooke's law)计算出受力线圈在X轴和Y轴的偏移量；受力线圈又对其周围的线圈产生力的作用，同样通过胡克定律(Hooke's law)能够计算出其在X轴和Y轴的偏移量，进而得到相应的针织物模拟仿真效果通过控制和改变球B样条曲线相应的型值点，能够实现动画和其相应的变形。本发明所述基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的方法包括以下步骤：
(1)平行拉力下的纬编针织物模拟效果：
线圈是编针织物的基本单元，使用几个型值点作为球B样条的控制定点，构建线圈三维空间模型，在嵌套线圈的型值点之间建立弹簧模型，从而实现编针织物在外力作用下内力的传递，当纬编针织物受到外力作用时，其会产生形变；由于编针织物相互嵌套的结构，线圈受力的变形不仅受到线圈外力的影响，也受到相邻线圈的力的相互作用，对纬编针织物受力后的形变进行分析，实现了纬编针织物的形变仿真；输入不同的平行力F，在不同的方向拉针织物会有不同的效果，通过胡克定律(Hooke's law)能够计算得到型值点相应的偏移量，每一个型值点加上X轴和Y轴相应的偏移量，得到改变后的线圈的型值点坐标，通过计算机模拟，即能够得到不同力变形后的平针组织模拟效果。
(2)任意线圈受力下的纬编针织物模拟效果：
对针织物中的任意一个线圈在任意方向拉动，基于弹簧模型，通过力的传递能够计算出受力的线圈对相邻的线圈的力的作用，相邻的线圈又对其周围的线圈产生力的作用，因此得到针织物的某一线圈在受力后的仿真模拟效果，若对平针组织左上角的线圈进行左上拉，通过胡克定律(Hooke's law)计算出受力线圈在X轴和Y轴的偏移量；受力线圈又对其周围的线圈产生力的作用，同样通过胡克定律(Hooke's law)能够计算出其在X轴和Y轴的偏移量，进而得到相应的针织物模拟仿真效果通过控制和改变球B样条曲线相应的型值点，则能实现动画和其相应的变形。
(3)在互相嵌套的线圈的各个型值点之间建立相应的弹簧模型；
(4)在编针织物受到平行外力的作用下，输入不同的平行力F，通过胡克定律(Hooke's law)计算得到型值点相应的偏移量，得到改变后的线圈的型值点坐标，通过计算机模拟，即能得到平行力作用下基于球B样条的编针织物组织模拟效果；
(5)针织物任意线圈受到外力时，基于弹簧模型，通过力的传递能够计算出受力的线圈对相邻的线圈作用的力的大小及方向，通过胡克定律(Hooke's law)计算出各个型值点的坐标值，得到基于球B样条的编针织物某一线圈在受力后的仿真模拟效果。
基于球B样条的编针织物的造型极其模拟，当编针织物受到外力时，在相互嵌套线圈的型值点之间建立弹簧模型，通过弹簧模型实现力的传递，从而通过改变能够实现动画和其相应的变形。输入不同的平行力F，在不同的方向拉针织物会有不同的效果。
本发明的优点是：基于球B样条构造的编针织物实现了基于球B样条的三维针织物的形变模拟和仿真效果。B样条建模使用的数据更少，这意味着在存储和传输时效率更高。基于胡克定律(Hooke's law)在编针织物的各个线圈之间建立弹簧模型，通过改变球B样条一系列控制点以及控制点所在的控制半径精确地模拟出编针织物的在力的作用下的三维模型。纬编针织物的计算机三维模拟采用参数化的方法，方便用户交互操作，通过输入不同的参数，实现不同样式的编针织物在不同方向的平行力作用下的三维模型和以不同大小和方向的力任意拉动编针织物线圈时的三维模型。借助OpenGL开发工具，添加光照、纹理映射真实感绘制，在计算机中能真实地模拟编针织物形变模型并达到了很好的模拟效果，为编针织物在CAD系统中的的形变仿真提供一种新的思路方法。
附图说明
图1是本发明的基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真以平针组织为例的平行力下的平针组织模拟效果示意图，其中，图1(a)为垂直上拉纬编针织物模拟示意图；图1(b)为右上拉纬编针织物模拟示意图；
图2是本发明的基于弹簧模型垂直上拉4*4平针组织的线圈的仿真模拟效果示意图；
图3是本发明的左上拉8*8平针组织左上角第一个线圈的仿真模拟效果示意图；
图4是本发明的基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的系统实现流程图；
图5是本发明的基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的基本组织线圈参数对话框示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本发明所述基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的方法的主要步骤为：
(1)基于弹簧模型的变形方法：在嵌套线圈的型值点之间建立弹簧模型，从而实现编针织物在外力作用下内力的传递。当纬编针织物受到外力作用时，其会产生形变。由于编针织物相互嵌套的结构，线圈受力的变形不仅受到线圈外力的影响，也受到相邻线圈的力的相互作用。对纬编针织物受力后的形变进行分析，实现了纬编针织物的形变仿真。输入不同的平行力F，在不同的方向拉针织物会有不同的效果。通过胡克定律(Hooke's law)能够计算得到型值点相应的偏移量，每一个型值点加上X轴和Y轴相应的偏移量，得到改变后的线圈的型值点坐标，通过计算机模拟，即能够得到不同力变形后的平针组织模拟效果。
(2)在不同的力的作用下纬编针织物会呈现出不同的的模拟效果；输入不同的平行力F，在不同的方向拉针织物会有不同的效果。通过胡克定律(Hooke's law)能够计算得到相应的偏移量，每一个型值点加上X轴和Y轴相应的偏移量，得到改变后的线圈的型值点坐标，通过计算机模拟，即能够得到不同力变形后的平针组织模拟效果。图1以平针组织为例，展示了编针织物受到垂直上拉旳力和斜45度上拉的力时，相应的仿真模拟效果示意图。
(3)线圈是纬编针织物的基本单元。对编针织物中的任意一个线圈在任意方向拉动，拉动的线圈会拉动周围的线圈，基于胡克定律(Hooke's law)，计算出线圈每个型值点的倔强系数，当给定一个特定的力，根据倔强系数，进而能够求得不同线圈的所有型值点的偏移量，将线圈各个型值点加上相应的偏移量，得到新的坐标，从而得到针织物的某一线圈在受力后的仿真模拟效果，如图2为4*4的平针组织的线圈在受到不同大小的力的作用下的针织物模拟仿真效果。若对平针组织左上角的线圈进行左上拉，通过胡克定律(Hooke'slaw)计算出受力线圈在X轴和Y轴的偏移量；受力线圈又对其周围的线圈产生力的作用，同样通过胡克定律(Hooke's law)能够计算出其在X轴和Y轴的偏移量，进而得到相应的针织物模拟仿真效果，如图3所示。
在基于球B样条的纬编针织物造型系统中，首先基于球B样条建立编针织物的三维模型，对编针织物的整体施加平行力或者对编针织物的某一线圈施加外力，以纱线为曲线单元，进行插值，通过绘制即得到织物的几何模拟效果，本发明的基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的系统设计流程图如图4所示。针织基本组织的计算机三维模拟使用VC++和OpenGL开发工具，添加光照和纹理映射真实感绘制，采用参数化的方法，基本参数输入窗口如图5所示。
输入需要的参数，输入不同大小的外力，选择力的方向和受力的线圈得到基于球B样条的编针织物形变模拟效果。基于球B样条的编针织物的造型极其模拟，当编针织物受到外力时，在相互嵌套线圈的型值点之间建立弹簧模型，通过弹簧模型实现力的传递，从而通过改变能够实现动画和其相应的变形。输入不同的平行力F，在不同的方向拉针织物会有不同的效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)平行拉力下的纬编针织物模拟效果：
线圈是编针织物的基本单元，使用几个型值点作为球B样条的控制定点，构建线圈三维空间模型，在嵌套线圈的型值点之间建立弹簧模型从而实现编针织物在外力作用下内力的传递，当纬编针织物受到外力作用时，其会产生形变；由于编针织物相互嵌套的结构，线圈受力的变形不仅受到线圈外力的影响，也受到相邻线圈的力的相互作用，对纬编针织物受力后的形变进行分析，实现了纬编针织物的形变仿真；输入不同的平行力F，在不同的方向拉针织物会有不同的效果，通过胡克定律能够计算得到型值点相应的偏移量，每一个型值点加上X轴和Y轴相应的偏移量，得到改变后的线圈的型值点坐标，通过计算机模拟，即能够得到不同力变形后的平针组织模拟效果；
(2)任意线圈受力下的纬编针织物模拟效果：
对针织物中的任意一个线圈在任意方向拉动，基于弹簧模型，通过力的传递能够计算出受力的线圈对相邻的线圈的力的作用，相邻的线圈又对其周围的线圈产生力的作用，因此得到针织物的某一线圈在受力后的仿真模拟效果，若对平针组织左上角的线圈进行左上拉，通过胡克定律计算出受力线圈在X轴和Y轴的偏移量；受力线圈又对其周围的线圈产生力的作用，同样通过胡克定律能够计算出其在X轴和Y轴的偏移量，进而得到相应的针织物模拟仿真效果通过控制和改变球B样条曲线相应的型值点，则能实现动画和其相应的变形；
(3)在互相嵌套的线圈的各个型值点之间建立相应的弹簧模型；
(4)在编针织物受到平行外力的作用下，输入不同的平行力F，通过胡克定律计算得到型值点相应的偏移量，得到改变后的线圈的型值点坐标，通过计算机模拟，即能得到平行力作用下基于球B样条的编针织物组织模拟效果；
(5)针织物任意线圈受到外力时，基于弹簧模型，通过力的传递能够计算出受力的线圈对相邻的线圈作用的力的大小及方向，通过胡克定律计算出各个型值点的坐标值，得到基于球B样条的编针织物某一线圈在受力后的仿真模拟效果。
2.根据权利要求1所述的基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的方法，其特征在于，当编针织物受到外力时，在相互嵌套线圈的型值点之间建立弹簧模型，通过弹簧模型实现力的传递，从而通过改变能够实现动画和其相应的变形，输入不同的平行力F，在不同的方向拉针织物会有不同的效果。
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2015
- 2015-03-12 CN CN201510108809.0A patent/CN104679958B/zh not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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