JP3765863B2

JP3765863B2 - Method for simulating clothes movement

Info

Publication number: JP3765863B2
Application number: JP03036696A
Authority: JP
Inventors: 嘉之坂口
Original assignee: デジタルファッション株式会社
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JPH09223247A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、衣服の製造工程における、衣服の設計、型紙の設計、および試作した衣服の評価のための衣服の動きのシミュレーション方法に関し、特に、実際に衣服を試作することなく、さまざまな種類の生地の物理特性を用いて、人体の動きによる衣服の形状変化を計算して視覚的に表示することにより、設計や評価に有用な情報を与えるためのものである。
【０００２】
本発明の適用分野としては、衣服をデザインするアパレル産業界を初め、テレビジョンなどを用いた通信販売における衣服の試着シミュレーション、ゲームやアニメーションにおける人物の動き、ＶＲ（Virtual Reality ）に登場する人物の服装のシミュレーション、近い将来に実現することが考えられる、いわゆるテレビ電話における衣服のカムフラージュのための利用などが考えられる。
【０００３】
【従来の技術】
衣服の形状は、衣服の型紙や縫製条件だけでなく、衣服をまとう人体形状にも大きく依存する。人体が衣服をまとう状況を計算するには、人体と衣服との衝突を計算する必要がある。そしてその計算のためには正確な衝突モデルを使う必要がある。
【０００４】
衝突モデルは、衝突検出と衝突処理との２つの部分に分けられる。衝突検出とは、衣服のどの部分がどれのどこと衝突するかを算出するためのものであり、衝突処理とは、衝突した部分がどのように動きを変えるかを算出するためのものである。これらのうち、特に注目すべきは衝突検出である。
【０００５】
従来の衣服形状計算として、布の静的形状およびドレープ性を物理的な法則に従って計算する手法がある。これらは有限要素法を用いており、その例として繊維高分子研究所報告第１４２号（１９８４）「コンピュータによるドレープ現象の構造解析」および「綿要素を用いた衣服の立体性の予測法」、ならびに特開昭６３−３０３１０６号公報（発明の名称「衣類の着用状態を予測表示する方法」）などがある。
【０００６】
しかしこの手法では、人体が静止している場合にだけ計算が可能であり、人体が動くような場合には計算ができないという大きな欠点があった。
【０００７】
布の変形状況を算出する動的モデルとしては、１９８８年にTerzopoulos とFleischer により“Deformable models ”,The Visual Computer, Vol.4, pp. 306-331, 1988. が発表されている。このモデルは、時間軸に沿って布の変形を計算する動的モデルである。
【０００８】
Terzopoulos らによる動的モデルでは、仮想的な斥力を想定し、人体から衣服を押し出す力を発生させ、人体と衣服との衝突計算を行なっている。そのためTerzopoulos らのモデルでは、布の変形状況を安定に計算することができず、実際上人体が動く場合の衣服変形状況をシミュレートすることはできなかった。
【０００９】
人体が動きを持つ場合の衣服形状計算としては、Thalmannらの研究がよく知られている。その研究の一例としてP.Volino, M.Courchesne, N.M.Thalmann: Versatile and Efficient Techniques for Simulating Cloth and Other Deformable Objects, Computer Graphics Proceedings, pp. 137-144, 1995. がある。
【００１０】
しかしこの研究では、衝突検出の手法としては、注目点に最も近い距離にある部分を算出する手法が用いられている。Thalmannらの手法では衣服の中にある人体形状を非常に簡略化して計算量を減らしてはいるものの、本質的に計算に多大の時間がかかるため、実用的な衣服のシミュレーションを行なうことは実際上できなかった。また、シミュレーションをより正確にするために人体の形状を複雑にすればさらに多くの時間がかかるという問題点があった。
【００１１】
日本における研究として、坂口、美濃、池田による「仮想服飾環境PARTY −衣服形状計算における、衣服と人体との衝突計算方法−」電子情報通信学会論文誌,vol.J78-D-II,No.3,pp.483-491 （1995）がある。この方法では、衝突検出を、注目点の単位時間当たりの動き予測ベクトルの方向と範囲とに限定して探索を行なっている。そのためこの方法では、比較的効率よく衝突検出を行なうことが可能である。
【００１２】
しかし、このように注目点の単位時間当たりの動き予測ベクトルの方向と範囲とに限定して探索を行なう衝突検出では、衝突物体間の相対速度が大きく、単位時間間隔当たりの衝突物体の相対的移動距離が大きい場合に、衝突の検出もれが発生するという問題があった。この問題を避けるためには、単位時間間隔当たりの相対的移動距離を小さくする必要があり、そのために人体の動きと衣服の動きとの相対速度を小さくする必要があった。実際の応用にあたっては、単位時間間隔を非常に小さく設定するか、人体の動きの速度を十分に遅くする必要があった。その結果この方法でも、衝突の検出もれが発生しないように計算を行なおうとする場合、計算に時間がかかりすぎるという欠点があり、実際上衣服の動きのシミュレーションを行なうことはできなかった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような問題は、人体の動きが速い場合に、衣服と人体との衝突が検出できなくなるということにより生ずる。以下にその問題点を図を参照して説明する。
【００１４】
衣服の形状計算では、衣服を構成する布を分割して多くの微小な質点で表現する。また人体は３角パッチで構成される。布を構成する質点が人体と衝突したときに、どのように跳ね返されるかを計算した後、各質点間に布の自己形状を保持する制約を与えることにより衣服形状を計算する。
【００１５】
このとき、布モデルと人体モデルとの衝突は、点と面との衝突になる。図７を参照して、この衝突の検出は、布モデルの質点（衝突物）１０２の位置から、探索ベクトル１０４に沿って、衝突する３角パッチ面（被衝突物）１００を探索することにより行なう。このとき、図７に示されるように、探索ベクトル１０４の範囲に被衝突物１００がある場合には衝突検出が可能である。しかし、図８に示すように、探索ベクトル１０４の範囲に被衝突物１００が存在しない場合には、衝突検出が不可能となる。
【００１６】
この問題は、衣服の動きを計算する単位時間間隔（Δｔ）を微小にすることで、ある程度解決することができる。しかしそうした解決方法は、本質的な解決法法ではなく、また単位時間間隔（Δｔ）を微小にすることで、所定時間のシミュレーションを行なうために必要な計算量が膨大にかかるという問題点がある。
【００１７】
仮に衝突が検出されないような事態が発生すると、布モデルの質点が人体の内部に入り込んでしまう。一方、布の自己形状保持力によって質点は人体内部から出ようとする。そのためこの場合、質点が人体の内面と衝突してしまい。これを人体の外へ押出すことは難しいために、衣服の形状の計算を続行することは不可能になる。
【００１８】
こうした問題のために、従来の衣服のシミュレーション方法は、衣服の設計や評価に利用はできるものの、そうした分野でも衣服のリアルタイムのシミュレーションなどには適用できず、同様に上に挙げたゲームやアニメーションにおける衣服のシミュレーション、テレビジョンなどをもちいた通信販売における試着シミュレーションなど、多くの有用な用途に適用できないという問題点があった。
【００１９】
それゆえに、請求項１に記載の発明の目的は、人体の各要素と、対応の衣服の各要素との間の衝突を確実に検出できるようにすることにより、実時間で、人体に装着した衣服の動きを正確にシミュレートして表示できるようにし、それによって衣服の設計や評価に有用であるのみならず、さらに多くの用途に利用可能な衣服のシミュレーション方法を提供することである。
【００２０】
請求項２に記載の発明の目的は、人体の各要素と、対応の衣服の各要素との間の衝突を確実に検出できるようにし、かつ高速に人体と衣服との間の衝突演算を行なうことによって、実時間で、人体に装着した衣服の動きを正確にシミュレートして表示でき、それによって衣服の設計や評価に有用であるのみならず、さらに多くの用途に利用可能な衣服のシミュレーション方法を提供することである。
【００２１】
請求項３に記載の発明の目的は、簡単な処理により、人体の各要素と、対応の衣服の各要素との間の衝突を確実に検出できるようにすることにより、実時間で、人体に装着した衣服の動きを正確にシミュレートして表示でき、それによって衣服の設計や評価に有用であるのみならず、さらに多くの用途に利用可能な衣服のシミュレーション方法を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明に係る衣服の動きのシミュレーション方法は、人体の形状と、衣服の形状と、この衣服の生地の物理特性と、衣服の縫製情報とに関する情報を格納する記憶装置に格納された情報を利用して演算を実行するシミュレーション装置において実行されるシミュレーション方法であって、人体に着装させるための衣服の初期形状を定めるステップと、人体の形状に関する情報を、人体の所定の動作に対応して変化させるステップと、人体の動作に対応する、人体の形状に関する情報の変化に応答して、人体に装着された衣服の形状の変形を計算する計算ステップと、変化させるステップと計算ステップとを繰返し、衣服の形状の変化を、コンピュータグラフィックスを用いてアニメーション表示するステップとを含む。計算ステップは、人体の形状を構成する要素と、人体に着装された衣服を構成する要素との対応関係を予め求めるステップと、人体の形状を構成する各要素の動きを、対応する、衣服を構成する要素に伝達するステップと、人体の形状を構成する各要素の動きを伝達された、衣服を構成する各要素と、人体との間での衝突計算処理を行なって、衣服を構成する各要素の位置を、前記記憶装置に格納された衣服の物理特性を用いて、定めるステップとを含む。
【００２３】
衣服の物理特性を用いて衣服の位置を求める際に、予め人体の形状を構成する要素と、衣服を構成する要素との対応関係を求めておき、人体の形状を構成する各要素の動きを、対応する、衣服を構成する要素に伝達した後に人体との間での衝突の計算処理を行なうので、人体の形状を構成する各要素と、衣服を構成する要素との間の相対的な移動は、このように人体の形状を構成する各要素の動きを衣服の構成要素に伝達しない場合と比較して小さくなる。人体の動きが速い場合にも、従来の静的な方法を用いて衣服と人体との衝突が確実に検出できる。そのため、従来のように衝突が検出されない事態が発生することにより衣服の形状計算が続行不可能になるおそれは少なく、人体の動きが速い場合でも確実に衣服の動きをシミュレートすることができる。衣服の動きを実時間でシミュレートすることが可能になり、衣服の設計や評価のみならず、上述したような他のさまざまな用途に利用することが可能になる。
【００２４】
請求項２に記載の発明に係る衣服の動きのシミュレーション方法は、請求項１に記載の発明の構成に加えて、対応関係を予め求めるステップが、衣服表面の注目点の位置から、設定された探索範囲の領域内に存在する、最もこの注目点に近い人体の要素を、この注目点に対応するものとして対応関係を定めるステップを含むことを特徴とする。
【００２５】
このように人体の単位時間当たりの最大移動量を基準として、衣服と人体の各要素の対応関係を定めるので、人体の動きの速さの影響を受けずに、人体と衣服との対応関係を確実に定めることができる。
【００２６】
請求項３に記載の発明に係る衣服の動きのシミュレーション方法は、請求項１に記載の発明の構成に加えて、伝達するステップが、人体の各構成要素の単位時間当たりの移動ベクトルを求めるステップと、求められた移動ベクトルを、対応する、衣服を構成する要素の位置座標ベクトルにベクトル加算するステップとを含むことを特徴とする。
【００２７】
このように、簡単なベクトル計算により人体の動きを衣服に伝えることができるので、人体と衣服との相対速度を十分に小さくする実用的な手法を得ることができた。
【００２８】
【発明の実施の形態】
衣服の動きのシミュレーション装置とは、人体とその動き、衣服を含めた服飾要素、およびバックグラウンドとなる環境に関する情報を用い、物理的な法則に基づく計算を行なうことによって、仮想的な服飾環境を計算機の内部に構築するものである。その計算内容は、人体、環境、服飾の３種類の要素から構成される。
【００２９】
人体とは、実際の人体の３次元形状を汎用的な３角パッチで表現した３次元形状データである。この人体に動きのシーケンスを与え、仮想環境の内部で動かす。
【００３０】
環境は、人体がおかれている背景や周囲の要素（椅子やテーブルなどの他、重力や空気の抵抗などを含む。）である。
【００３１】
服飾要素は、人体が身に着ける衣服やアクセサリーなどである。衣服には、布の力学的物性値と、型紙形状と、縫製情報とを与える。
【００３２】
この仮想的な服飾環境において、人体が動けばその動きに伴って衣服の形状も変化する。操作者は、人体と、環境と、服飾要素とのいずれにも操作を加えることができる。その操作によって生じる影響は、計算機で実時間に計算され、コンピュータグラフィックス（ＣＧ）によって結果が操作者に提示される。
【００３３】
このような仮想環境は、従来のＣＡＤ（Computer-Aided Design ）からさらに進んで、人間の創造性を引出すためのツールとなるだろう。
【００３４】
本願発明では、以下の形態によって、上記したような衣服の動きのシミュレーションを行なう方法を実現する。まず、本願発明においては、人体と衣服との相対速度が大きな場合にも計算を誤りなく行なうために、衝突計算の手順の前に人体の動きを衣服に伝達することにより、人体と衣服との相対速度を小さくするようにした。人体と衣服との相対速度が十分小さければ、従来の布変形状況を算出する動的モデルに代えて、人体が静止している場合に用いられる従来の静的な衝突計算方法を適用することが可能になる。この方法では、ボールが速い速度で突然衣服に衝突してくるような場合の衣服の動きをシミュレートするのは難しいが、衣服をまとった人体が動くような場合には、十分に対応して実時間で衣服の動きをシミュレートすることができる。また、処理内容も人体の動きを衣服に伝えるだけなので、後述するように簡単な方法で実現することができ、実用的である。
【００３５】
人体の動きを衣服に伝達し、相対速度を小さくするための人体動作伝達方法の処理は、（１）人体と衣服との対応点の計算と、（２）人体の動きによる衣服対応点の座標移動、とに分けられる。これらについて以下図１を参照してその手法を説明する。
【００３６】
図１（Ａ）を参照して、人体２０と、布の質点２２、２４および２６との間での衝突を計算する場合について説明する。またこの場合、人体２０が点線の楕円３０で示される位置まで移動するものとし、この人体の単位時間中の移動量を表わすベクトル（以下「移動ベクトル」と呼ぶ。）２８をｖ_bΔｔとする。このとき、たとえば布質点２４の位置から、人体の単位時間当たりの最大移動量に余裕分（３ｃｍから９ｃｍ）を加えた範囲の領域内で探索し（３２）、この質点２４に対応する人体の３角パッチ２０を見つける。このようにして、布の各質点と、人体の３角パッチとの対応関係を定める。
【００３７】
次に、図１（Ｂ）を参照して、衣服の質点２４の座標を、対応する人体の３角パッチ２０の単位時間中の移動ベクトルｖ_bΔｔ３４分だけ移動する。具体的には、質点２４の座標を位置ベクトルとして、この座標位置ベクトルに移動ベクトル３４をベクトル加算する。
【００３８】
この処理を行なうことで、図１（Ｃ）に示すように、人体と、その人体の３角パッチに対応する衣服の質点との間の相対速度は、衣服の変形分だけになる。そのためこの相対速度は十分に小さくなり、人体と衣服との静的な衝突計算方法を適用して、各質点２２、２４および２６の移動分３６、３８および４０を計算することが可能になる。もちろん人体が静止している場合には、人体の動きの伝達処理を行なう必要はないが、人体の動きの伝達処理を行なっても同じ結果を得ることができる。また、人体と衣服との対応点の計算も、人体のうち、動きのある部分のみを計算対象にすればよい。
【００３９】
このようにして人体と衣服との間の相対速度を小さくした後に、衣服と人体との衝突および衣服同士の自己衝突の計算を行なう。このとき、人体の動作を衣服に伝達することによって、人体の動きの影響は既に布の動きに反映されている。そのため図１（Ｃ）に示される段階での衣服と人体との間の衝突計算では、人体の動きがないものとして取扱わなければならない。
【００４０】
以下、人体の動きに対処する衣服形状計算方法について具体的に説明する。
衣服形状計算は、次の式（１）に示す力の釣合い式で記述することができる。
【００４１】
【数１】

【００４２】
式（１）に記載の各項はそれぞれ力を表わしているが、それぞれの力の説明を次の表１に示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
上の式（１）および表１において、ｒ（以下、下線はベクトルを示す。）は、衣服や人体の計算点の３次元座標ベクトル（ｒ_x，ｒ_y，ｒ_z）を示す。ｒ′は速度ベクトル、ｒ″は加速度ベクトルをそれぞれ表わす。式（１）の各項のうち左辺の第４項は、質点間相互の制約を表わしている。また左辺の第６項は、人体と布、布同士の衝突の制約を表わす。右辺の第２項は、人体の動きにより布が受ける制約を表わしている。これら式（１）の左辺の第４項および第６項ならびに右辺の第２項は、他の力と比較して大きなものになる。そのため、式（１）の解き方には工夫が必要になる。
【００４５】
表１において、見出しを第０行、以下第１行、第２行、などとして各行を指定する。また表１の「力」の列を第１列、「内容」の列を第２列、「関数」の列を第３列として以下説明する。
【００４６】
表１の第１列には関数「Ｆ」が記載されている。これらはいずれも［ｘ，ｙ，ｚ］の３次元ベクトルである。この各要素はそれぞれ時間ｔの関数である。表１の第４行第３列の式において「Ω」は領域（衣服）全体についてこの表に示した計算を行なうことを示す。表１において筆記体で記載した小文字のＬは、ある点と他の点との間の時刻ｔにおける距離を、同じく筆記体で記載した小文字のＬ₀は上記した２点間の初期長さをそれぞれ表わす。またΨは、布特性を計るためのＫＥＳ（Kawabata Estimate System for fabric ）法での引張り特性の測定値を示している。なお、本実施の形態では布の特性を測定する上でＫＥＳ法を用いているが測定法はＫＥＳ法のみに限定されるわけではなく、目的に応じて他の適切な方法を適用することができる。
【００４７】
同じく表１においてμは任意の点が代表する質量を示す。表１の第２行第３列のρ_airは空気の摩擦係数を、第３行第３列のρ_clhは布の摩擦係数を、それぞれ示す。またφはＫＥＳ法による曲げ特性の測定値を示している。
【００４８】
次の式（２）に示すように、上述した制約を式（１）から分離し、順次それぞれの制約の影響を与えていけば、この式を解くことが容易になる。
【００４９】
【数２】

【００５０】
式（２）において、ｒなどの下付きの添字（Ｎ）（Ｎ＝０，１，２，３）は、その変数が第Ｎ次近似精度のものであることを示している。以下に、この式（２）に従って衣服の動きのシミュレーションを行なう装置および方法について説明する。
【００５１】
図２に、本願発明に従った衣服の動きのシミュレーション方法を実現するための装置５０の概略を、図３にそのブロック図をそれぞれ示す。図２および図３を参照してこの装置５０は、マウスなどの入力装置６０からなる操作部分と、高速グラフィックス装置５２を持つ表示部分と、高速の演算を行なうための演算装置５４および並列計算装置５８と、プログラムやデータを格納するための外部記憶装置５６と、図示されない、演算装置５４や並列計算装置５８内のＣＰＵとメモリとの間の高速通信を行なう通信装置とからなる演算部とを含む。
【００５２】
図２および図３を参照して、演算装置５４は、表示装置５２の表示内容に対応して入力装置６０を介して操作者から与えられる指令に応答して、その内部のメモリと、並列計算装置５８と、外部記憶装置５６とを用いて以下のような計算処理を行なう。なお、以下の計算処理では、布を構成する多数の質点について同様のベクトル計算を多数行なうため、それらベクトル計算は、各点ごとに並列に、同時に行なうための並列計算装置５８が設けられている。演算装置５４は、そうしたベクトル演算以外の演算と制御とを行なう。なお既に述べたように、演算に必要な人体データや布に関するデータなどの初期情報は外部記憶装置５６に格納されているものとする。
【００５３】
演算装置５４および並列計算装置５８によって実行されるプログラムの制御の流れを図４を参照して説明する。
【００５４】
図４を参照して、まずステップ７０で、大きな力になる制約を外して、初期値として（ｒ ₍₀₎，ｒ′₍₀₎）を設定する。
【００５５】
続いてステップ７２で、式（２）の第１式の運動方程式を解いてｒ′を求める。
【００５６】
次にステップ７４で、式（２）の第２式を用いて、（ｒ ₍₀₎，ｒ′）を用いて、人体の動きの制約が満たされるｒ ₍₁₎を求める。このステップ７４の処理が、人体の速度を衣服に伝達する処理を行なう部分であって、本願発明の大きな特徴である。
【００５７】
さらにステップ７６で、（ｒ ₍₁₎，ｒ′）を用い、式（２）の第３式に従って、布形状保持の制約を満たすｒ′₍₂₎を求める。
【００５８】
ステップ７８で、（ｒ ₍₁₎，ｒ′₍₂₎）を用い、式（２）の第４式に従って、布と人体、布同士の衝突の制約を満たすｒ′₍₃₎を求める。
【００５９】
続いてステップ８０で、（ｒ ₍₁₎，ｒ′₍₃₎）を用いて布形状の更新を行ない、ステップ８２でこの更新した値により表示装置５２によるＣＧ表示を行なう。
【００６０】
ステップ８４で、すべてのフレームについての計算および表示が終わったか否かを判断し、終わっていれば処理を終了する。全フレームの処理が終了していなければステップ８６で、上の計算で求められた（ｒ ₍₂₎，ｒ′₍₃₎）を新たな初期値（ｒ ₍₀₎，ｒ′₍₀₎）としてステップ７２に制御を戻す。
【００６１】
このような制御の流れに従って計算を行ない、ＣＧ表示を行なうことにより、人体の動きに対応した布の動きがシミュレートされ、表示装置５２上にアニメーション表示される。このようにして、衣服を着た人体に歩行などの動作を与え、具体的には人体の形状を表わすデータを、そうした人体の動作に対応して変化させることにより、その動作に対応した衣服の動的な変形を視覚的に見ることが可能になる。
【００６２】
以下に、人体に衣服を着装した状態での、人体の歩行に対応した衣服の変形をシミュレートした実験について説明する。衣服を人体に着せ付けた後、人体に歩行動作を与え、衣服形状の変形を計算する実験を行なった。実験に用いた人体モデルは、１２５６個の３角パッチから構成され、１７個の部分に分かれていた。この１７個の部分は、３軸方向に回転できるように木構造に連結された。木構造の下位部分は、当然上位部分の回転の影響を受けるようなっていた。
【００６３】
次に、実際の人体の歩行シーンをビデオテープで撮影し、その中の６秒間のシーンから等間隔に２０フレームを取出した。取出されたフレームすべてに対して、ビデオ画像中の人体と重なるように、人体モデルの各関節角度を操作してキーフレームを作成した。さらに、このキーフレームをもとに０．０１秒間隔の動作を線形補間により作成した。
【００６４】
衣服として、８枚の型紙から構成される婦人用ワンピースを、直立した人体に着せ付けた後、人体に上述したような歩行動作を与えた。また、衣服には綿布の物理特性（自重、曲げ特性）を与えた。
【００６５】
この実験における、歩行動作を与える前の人体の着装状態のＣＧ表示を図５に示す。図６に、本願発明に従って、人体に歩行動作を与えた際の、人体の着装状態のＣＧ表示を示す。図６に示すように、本願発明では正確な衝突検出を行ない、衣服の動きをシミュレートすることが可能であることがわかった。特に、既に述べたような人体の速い動きにも、本願発明の方法によれば正確な衝突検出を行なうことが可能であり、実時間で衣服の動きのシミュレーションを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に従った方法の原理を示す模式図である。
【図２】本願発明の装置の概略構成を示す図である。
【図３】本願発明を実施する装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本願発明を実施する装置において実行されるプログラムのフローチャートである。
【図５】歩行動作を与える前の人体の着装状態のＣＧ表示を示す図である。
【図６】本願発明に従ってシミュレートされた、歩行時の人体の着装状態のＣＧ表示を示す図である。
【図７】衝突検出が可能な状態を説明するための図である。
【図８】衝突検出が不可能な場合を説明するための図である。
【符号の説明】
２０人体の３角パッチ
２２、２４、２６布の質点
２８人体の移動ベクトル
３４移動ベクトルに対応するベクトル
５０衣服のシミュレーション装置
６０入力装置
５２表示装置
５４演算装置
５６外部記憶装置
５８並列計算装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a garment movement simulation method for garment design, pattern design, and evaluation of prototype garments in the garment manufacturing process, and more particularly, various types of garments without actually garment prototypes. It is intended to give useful information for design and evaluation by calculating and visually displaying the change in the shape of clothes due to the movement of the human body using the physical characteristics of the fabric.
[0002]
Applicable fields of the present invention include apparel industry designing clothes, try-on simulation of clothes in mail order sales using television and the like, movements of people in games and animations, and people appearing in VR (Virtual Reality) It can be used for simulation of clothes and for camouflaging clothes in so-called videophones that can be realized in the near future.
[0003]
[Prior art]
The shape of clothes greatly depends not only on the pattern of the clothes and the sewing conditions, but also on the shape of the human body wearing the clothes. In order to calculate the situation where the human body wears clothes, it is necessary to calculate the collision between the human body and clothes. And it is necessary to use an accurate collision model for the calculation.
[0004]
The collision model is divided into two parts: collision detection and collision processing. Collision detection is to calculate which part of clothing collides with which and where collision processing is to calculate how the collision part changes movement . Of these, collision detection is particularly important.
[0005]
As a conventional garment shape calculation, there is a method of calculating the static shape and drape of a fabric according to physical laws. These use the finite element method, and examples include the Institute for Textile Polymer Research No. 142 (1984) “Structural analysis of drape phenomenon by computer” and “Method of predicting the three-dimensionality of clothes using cotton elements”, JP-A-63-303106 (invention name “method for predicting and displaying the wearing state of clothing”) and the like.
[0006]
However, this method has a major disadvantage that it can be calculated only when the human body is stationary, and cannot be calculated when the human body moves.
[0007]
In 1988, Terzopoulos and Fleischer published “Deformable models”, The Visual Computer, Vol. 4, pp. 306-331, 1988. This model is a dynamic model that calculates the deformation of the fabric along the time axis.
[0008]
In the dynamic model by Terzopoulos et al., A virtual repulsive force is assumed, a force that pushes clothes from the human body is generated, and the collision between the human body and clothes is calculated. For this reason, Terzopoulos et al.'S model could not stably calculate the deformation state of the cloth, and could not actually simulate the deformation state of the clothes when the human body moved.
[0009]
The research of Thalmann et al. Is well known for calculating clothing shapes when the human body has movement. An example of this work is P. Volino, M. Couchesne, NMThalmann: Versatile and Efficient Techniques for Simulating Cloth and Other Deformable Objects, Computer Graphics Proceedings, pp. 137-144, 1995.
[0010]
However, in this research, as a collision detection method, a method of calculating a portion at a distance closest to the attention point is used. Although the method of Thalmann et al. Greatly simplifies the human body shape in the clothes and reduces the amount of calculation, it takes a lot of time for the calculation, so it is actually necessary to simulate a practical clothes I could n’t. Further, if the shape of the human body is complicated in order to make the simulation more accurate, there is a problem that it takes more time.
[0011]
As a study in Japan, Sakaguchi, Mino, and Ikeda, “Virtual Clothing Environment PARTY-A Method for Calculation of Collision between Clothes and Human Body in Calculation of Clothing Shapes”, IEICE Transactions, vol.J78-D-II, No.3 pp.483-491 (1995). In this method, the collision detection is limited to the direction and range of the motion prediction vector per unit time of the target point. Therefore, in this method, collision detection can be performed relatively efficiently.
[0012]
However, in the collision detection in which the search is limited to the direction and range of the motion prediction vector per unit time of the target point as described above, the relative speed between the collision objects is large, and the relative collision object per unit time interval is large. When the moving distance is large, there is a problem that a collision detection leak occurs. In order to avoid this problem, it is necessary to reduce the relative movement distance per unit time interval. For this reason, it is necessary to reduce the relative speed between the movement of the human body and the movement of the clothes. In actual application, it was necessary to set the unit time interval to be very small or to sufficiently slow down the movement speed of the human body. As a result, even with this method, there is a drawback in that it takes too much time to perform the calculation so as not to cause a collision detection leak, and it has been impossible to actually simulate the movement of clothes.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described problem is caused by the fact that the collision between the clothes and the human body cannot be detected when the human body moves fast. The problem will be described below with reference to the drawings.
[0014]
In the calculation of the shape of clothes, the cloth constituting the clothes is divided and expressed by many small mass points. The human body is composed of triangular patches. After calculating how the material points that make up the cloth are rebounded when colliding with the human body, the clothing shape is calculated by giving a constraint that holds the self-shape of the cloth between the material points.
[0015]
At this time, the collision between the cloth model and the human body model is a collision between a point and a surface. Referring to FIG. 7, this collision detection is performed by searching a colliding triangular patch surface (collision object) 100 along the search vector 104 from the position of the mass point (collision object) 102 of the cloth model. Do. At this time, as shown in FIG. 7, when the colliding object 100 is within the range of the search vector 104, collision detection is possible. However, as shown in FIG. 8, when the colliding object 100 does not exist in the range of the search vector 104, collision detection becomes impossible.
[0016]
This problem can be solved to some extent by reducing the unit time interval (Δt) for calculating the movement of clothes. However, such a solution is not an essential solution, and there is a problem that the amount of calculation required for performing a simulation for a predetermined time is enormous by making the unit time interval (Δt) minute. .
[0017]
If a situation occurs in which a collision is not detected, the material point of the cloth model enters the human body. On the other hand, the material point tends to come out from the inside of the human body by the self-shape holding force of the cloth. Therefore, in this case, the mass point collides with the inner surface of the human body. Since it is difficult to push it out of the human body, it is impossible to continue calculating the shape of the garment.
[0018]
Because of these problems, conventional garment simulation methods can be used for garment design and evaluation, but they cannot be applied to real-time garment simulations in these fields as well. There was a problem that it could not be applied to many useful applications such as clothing simulation and try-on simulation in mail order sales using television.
[0019]
Therefore, the object of the invention described in claim 1 is to attach to the human body in real time by making it possible to reliably detect the collision between each element of the human body and each element of the corresponding clothing. It is intended to provide a method of garment simulation that can be used for many applications as well as being useful for garment design and evaluation by allowing garment movements to be accurately simulated and displayed.
[0020]
The object of the invention described in claim 2 is to make it possible to reliably detect a collision between each element of the human body and each element of the corresponding garment and to perform a collision calculation between the human body and the garment at high speed. This makes it possible to accurately simulate and display the movement of clothes worn on the human body in real time, which is not only useful for designing and evaluating clothes, but also for simulating clothes that can be used for many other purposes. Is to provide a method.
[0021]
The object of the invention described in claim 3 is to enable the human body to be detected in real time by reliably detecting a collision between each element of the human body and each element of the corresponding clothing by a simple process. The object is to provide a method for simulating a garment that can be used to simulate and display the movement of a worn garment, thereby being useful not only for the design and evaluation of the garment but also for many other purposes.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The method for simulating the movement of clothes according to the first aspect of the present invention is stored in a storage device that stores information on the shape of the human body, the shape of the clothes, the physical characteristics of the cloth of the clothes, and the sewing information of the clothes. A simulation method that is executed in a simulation device that performs an operation using the obtained information, the step of determining an initial shape of clothes to be worn on the human body, and information on the shape of the human body, a predetermined action of the human body A change step corresponding to the movement of the human body, a calculation step for calculating a deformation of the shape of the clothes worn on the human body in response to a change in information on the human body shape corresponding to the movement of the human body, and a changing step and a calculation Repeating the steps to animate the change in the shape of the garment using computer graphics. The calculation step includes a step of obtaining a correspondence relationship between an element constituting the shape of the human body and an element constituting the clothing worn on the human body in advance, and a movement corresponding to each element constituting the shape of the human body. Each component of the garment is calculated by performing a collision calculation process between the component constituting the garment and the human body, to which the movement of each component constituting the shape of the human body is transmitted Determining the position of the element using physical characteristics of the garment stored in the storage device .
[0023]
When determining the position of clothes using the physical characteristics of clothes, the correspondence between the elements that make up the shape of the human body and the elements that make up the clothes is obtained in advance, and the movement of each element that makes up the shape of the human body is determined. Since the calculation process of the collision with the human body is performed after the transmission to the corresponding element constituting the clothing, the relative movement between each element constituting the shape of the human body and the element constituting the clothing Is smaller than the case where the movement of each element constituting the shape of the human body is not transmitted to the garment component. Even when the movement of the human body is fast, a collision between the clothes and the human body can be reliably detected using a conventional static method. For this reason, there is little possibility that the calculation of the shape of the garment cannot be continued due to the occurrence of a situation in which no collision is detected as in the conventional case, and the movement of the garment can be reliably simulated even when the movement of the human body is fast. The movement of the clothes can be simulated in real time, and can be used not only for the design and evaluation of clothes but also for various other applications as described above.
[0024]
According to a second aspect of the present invention, in the clothing motion simulation method, in addition to the configuration of the first aspect, the step of obtaining the correspondence relationship in advance is set from the position of the attention point on the clothing surface. The method includes a step of defining a correspondence relationship with a human body element closest to the attention point existing in the search range as a corresponding to the attention point.
[0025]
In this way, since the correspondence between each element of clothing and the human body is determined based on the maximum amount of movement of the human body per unit time, the correspondence between the human body and clothing can be determined without being affected by the speed of movement of the human body. Can be determined reliably.
[0026]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the method for simulating the movement of clothes, wherein, in addition to the configuration of the first aspect of the invention, the step of transmitting obtains a movement vector per unit time of each component of the human body. And adding the obtained movement vector to the corresponding position coordinate vector of the element constituting the clothes.
[0027]
As described above, since the movement of the human body can be transmitted to the clothes by a simple vector calculation, a practical method for sufficiently reducing the relative speed between the human body and the clothes can be obtained.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The clothing movement simulation device uses information about the human body and its movement, clothing elements including clothing, and the background environment, and performs calculations based on physical laws to create a virtual clothing environment. It is built inside the computer. The calculation contents are composed of three types of elements: human body, environment, and clothing.
[0029]
The human body is three-dimensional shape data that represents a three-dimensional shape of an actual human body with general-purpose triangular patches. This human body is given a sequence of movement and moved inside the virtual environment.
[0030]
The environment is the background of the human body and surrounding elements (including chairs and tables, as well as gravity and air resistance).
[0031]
The clothing element is clothes or accessories worn by the human body. The clothes are given a mechanical property value of the cloth, a pattern shape, and sewing information.
[0032]
In this virtual clothing environment, if the human body moves, the shape of the clothes changes with the movement. The operator can apply operations to any of the human body, the environment, and the clothing elements. The influence caused by the operation is calculated in real time by a computer, and the result is presented to the operator by computer graphics (CG).
[0033]
Such a virtual environment will be a tool for eliciting human creativity by further progressing from conventional CAD (Computer-Aided Design).
[0034]
In the present invention, a method for simulating the movement of clothes as described above is realized by the following embodiment. First, in the present invention, in order to perform the calculation without error even when the relative speed between the human body and the clothes is large, by transmitting the movement of the human body to the clothes before the collision calculation procedure, The relative speed was made small. If the relative speed between the human body and clothes is sufficiently low, the conventional static collision calculation method used when the human body is stationary can be applied instead of the conventional dynamic model that calculates the cloth deformation situation. It becomes possible. In this method, it is difficult to simulate the movement of the clothes when the ball suddenly hits the clothes at a high speed, but when the human body wearing the clothes moves, it is sufficient You can simulate the movement of clothes in real time. Further, since the processing contents are only transmitted to the clothes as the movement of the human body, it can be realized by a simple method as described later and is practical.
[0035]
The processing of the human body motion transmission method for transmitting the movement of the human body to the clothing and reducing the relative speed includes (1) calculating the corresponding point between the human body and the clothing, and (2) the coordinates of the clothing corresponding point by the movement of the human body. It is divided into movement. The method will be described below with reference to FIG.
[0036]
With reference to FIG. 1 (A), the case where the collision between the human body 20 and the mass points 22, 24, and 26 of a cloth is calculated is demonstrated. In this case, it is assumed that the human body 20 moves to the position indicated by the dotted ellipse 30, and a vector (hereinafter referred to as “movement vector”) 28 representing the movement amount of the human body during the unit time is represented by v _b Δt. . At this time, for example, from the position of the material point 24, a search is made in a region within a range in which a margin (3 to 9 cm) is added to the maximum movement amount per unit time of the human body (32), and the human body corresponding to this mass point 24 is searched. Find the triangular patch 20. In this way, the correspondence between each mass point of the cloth and the triangular patch of the human body is determined.
[0037]
Next, referring to FIG. 1B, the coordinates of the mass point 24 of the clothes are moved by the movement vector v _b Δt34 during the unit time of the corresponding triangular patch 20 of the human body. Specifically, the coordinates of the mass point 24 are used as a position vector, and a movement vector 34 is added to the coordinate position vector.
[0038]
By performing this process, as shown in FIG. 1C, the relative speed between the human body and the mass point of the clothing corresponding to the triangular patch of the human body is only the deformation of the clothing. Therefore, this relative velocity becomes sufficiently small, and it is possible to calculate the

movements

36, 38 and 40 of the respective mass points 22, 24 and 26 by applying a static collision calculation method between the human body and clothes. Of course, when the human body is stationary, it is not necessary to perform the transmission process of the human body, but the same result can be obtained by performing the transmission process of the human body. In addition, the calculation of the corresponding points between the human body and the clothes may be performed only on the moving part of the human body.
[0039]
After reducing the relative speed between the human body and the clothes in this way, the collision between the clothes and the human body and the self-collision between the clothes are calculated. At this time, by transmitting the movement of the human body to the clothes, the influence of the movement of the human body is already reflected in the movement of the cloth. Therefore, in the collision calculation between the clothes and the human body at the stage shown in FIG. 1 (C), it must be handled that there is no movement of the human body.
[0040]
Hereinafter, a clothing shape calculation method for dealing with the movement of the human body will be described in detail.
The clothing shape calculation can be described by the force balance equation shown in the following equation (1).
[0041]
[Expression 1]

[0042]
Each term described in the formula (1) represents a force, and the following explanation of each force is shown in Table 1.
[0043]
[Table 1]

[0044]
In the above formula (1) and Table 1, r (hereinafter, the underline indicates a vector) indicates a three-dimensional coordinate vector (r _x , r _y , r _z ) of a calculation point of clothes or a human body. r ′ represents a velocity vector, and r ″ represents an acceleration vector. The fourth term on the left side of each term of the formula (1) represents the mutual restriction between the mass points. The sixth term on the left side represents the human body. The second term on the right side represents the constraint that the fabric receives due to the movement of the human body.The fourth and sixth terms on the left side of these equations (1) and the right side Since the second term is larger than other forces, it is necessary to devise how to solve equation (1).
[0045]
In Table 1, each row is designated with the heading as the 0th row, the first row, the second row, and so on. In the following description, the “force” column in Table 1 is the first column, the “content” column is the second column, and the “function” column is the third column.
[0046]
In the first column of Table 1, the function “ F ” is described. These are all three-dimensional vectors of [x, y, z]. Each element is a function of time t. In the expression in the fourth row and third column of Table 1, “Ω” indicates that the calculation shown in this table is performed for the entire region (clothes). L lowercase described in cursive in Table 1, the distance at time t between the certain point and the other points, also L ₀ of lower case described in cursive the initial length between the two points described above Represent each. Further, Ψ indicates a measured value of tensile properties by a KES (Kawabata Estimate System for fabric) method for measuring fabric properties. In this embodiment, the KES method is used to measure the characteristics of the cloth, but the measurement method is not limited to the KES method, and other appropriate methods may be applied depending on the purpose. it can.
[0047]
Similarly in Table 1, μ represents the mass represented by an arbitrary point. Ρ _air in the second row and third column of Table 1 indicates the friction coefficient of air, and ρ _{clh in} the third row and third column indicates the friction coefficient of the cloth. Φ indicates a measured value of the bending property by the KES method.
[0048]
As shown in the following equation (2), if the above-described constraints are separated from the equation (1) and the influences of the respective constraints are sequentially given, it becomes easy to solve this equation.
[0049]
[Expression 2]

[0050]
In equation (2), a subscript (N) such as r (N = 0, 1, 2, 3) indicates that the variable is of the Nth approximation accuracy. Hereinafter, an apparatus and a method for simulating the movement of clothes according to the equation (2) will be described.
[0051]
FIG. 2 shows an outline of an apparatus 50 for realizing a method for simulating clothes movement according to the present invention, and FIG. 3 shows a block diagram thereof. Referring to FIGS. 2 and 3, this apparatus 50 includes an operation portion including an input device 60 such as a mouse, a display portion having a high-speed graphics device 52, an arithmetic device 54 for performing high-speed arithmetic, and parallel computation. An arithmetic unit comprising: a device 58; an external storage device 56 for storing programs and data; and a communication device (not shown) that performs high-speed communication between the CPU in the arithmetic device 54 and the parallel computing device 58 and the memory. including.
[0052]
Referring to FIG. 2 and FIG. 3, the arithmetic unit 54 responds to a command given from the operator via the input device 60 corresponding to the display content of the display device 52, and its internal memory and parallel calculation The following calculation processing is performed using the device 58 and the external storage device 56. In the following calculation processing, since many similar vector calculations are performed for many mass points constituting the cloth, a parallel calculation device 58 is provided for performing these vector calculations in parallel at the same time for each point. . The computing device 54 performs computation and control other than such vector computation. As described above, it is assumed that initial information such as human body data and cloth data necessary for calculation is stored in the external storage device 56.
[0053]
A control flow of a program executed by the arithmetic device 54 and the parallel computing device 58 will be described with reference to FIG.
[0054]
Referring to FIG. 4, first, in step 70, the constraint that causes a large force is removed, and ( r ₍₀₎ , r ′ ₍₀₎ ) are set as initial values.
[0055]
Subsequently, at step 72, the equation of motion of the first equation of equation (2) is solved to obtain r ′.
[0056]
Next, in step 74, using the second equation of equation (2) and using ( r ₍₀₎ , r ' ₎ , find r ₍₁₎ that satisfies the constraints on the movement of the human body. The process of step 74 is a part for performing the process of transmitting the speed of the human body to the clothes, and is a major feature of the present invention.
[0057]
Further, at step 76, ( r ₍₁₎ , r ') is used, and r ' ₍₂₎ that satisfies the constraint of the cloth shape retention is obtained according to the third equation of equation ₍₂₎ .
[0058]
In step 78, ( r ₍₁₎ , r ' ₍₂₎ ) is used, and r ' ₍₃₎ that satisfies the constraint of the collision between the cloth and the human body and between the cloths is obtained according to the fourth expression of the expression (2).
[0059]
Subsequently, at step 80, the cloth shape is updated using ( r ₍₁₎ , r ' ₍₃₎ ), and at step 82, the display device 52 performs CG display using the updated value.
[0060]
In step 84, it is determined whether calculation and display for all frames have been completed. If completed, the process ends. If the processing of all the frames has not been completed, in step 86, ( r ₍₂₎ , r ′ ₍₃₎ ) obtained by the above calculation are replaced with new initial values ( r ₍₀₎ , r ′ ₍₀₎ ). Then, control is returned to step 72.
[0061]
By performing calculation according to such a control flow and performing CG display, the movement of the cloth corresponding to the movement of the human body is simulated and displayed on the display device 52 as an animation. In this way, the human body wearing clothes is given an action such as walking, and more specifically, by changing the data representing the shape of the human body corresponding to the movement of the human body, It becomes possible to see the dynamic deformation visually.
[0062]
Hereinafter, an experiment simulating deformation of clothes corresponding to walking of a human body in a state where the human body is wearing clothes will be described. After putting clothes on the human body, an experiment was performed to give a walking motion to the human body and calculate the deformation of the clothes shape. The human body model used in the experiment was composed of 1256 triangular patches and divided into 17 parts. These 17 parts were connected to a tree structure so as to be able to rotate in three axial directions. The lower part of the tree structure was naturally affected by the rotation of the upper part.
[0063]
Next, the actual walking scene of the human body was photographed with a video tape, and 20 frames were taken out from the 6-second scene at regular intervals. Key frames were created by manipulating the joint angles of the human body model so that all the extracted frames overlapped with the human body in the video image. Furthermore, an operation at intervals of 0.01 seconds was created by linear interpolation based on this key frame.
[0064]
As a garment, a dress for women composed of eight patterns was put on an upright human body, and then the human body was given a walking action as described above. In addition, physical properties (self-weight, bending properties) of cotton cloth were given to clothes.
[0065]
FIG. 5 shows a CG display of the wearing state of the human body before giving a walking motion in this experiment. FIG. 6 shows a CG display of the human body wearing state when a walking motion is given to the human body according to the present invention. As shown in FIG. 6, it was found that the present invention can accurately detect a collision and simulate the movement of clothes. In particular, according to the method of the present invention, it is possible to perform accurate collision detection even for a fast movement of the human body as already described, and it is possible to simulate the movement of clothes in real time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the principle of a method according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an apparatus for carrying out the present invention.
FIG. 4 is a flowchart of a program executed in the apparatus for carrying out the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a CG display of a wearing state of a human body before giving a walking motion.
FIG. 6 is a diagram showing a CG display of a wearing state of a human body at the time of walking simulated according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a state in which collision detection is possible.
FIG. 8 is a diagram for explaining a case where collision detection is impossible.
[Explanation of symbols]
20 Human

Body Triangle Patches

22, 24, 26 Fabric Mass 28 Human Body Movement Vector 34 Vector Corresponding to Movement Vector 50 Clothes Simulation Device 60 Input Device 52 Display Device 54 Computing Device 56 External Storage Device 58 Parallel Computing Device

Claims

It is executed in a simulation device that performs calculations using information stored in a storage device that stores information related to the shape of a human body, the shape of a garment, the physical characteristics of the fabric of the garment, and the sewing information of the garment. A simulation method comprising:
Determining an initial shape of the garment to be worn on the human body;
Changing information related to the shape of the human body in response to a predetermined movement of the human body;
Calculating a deformation of the shape of the clothing in response to a change in information about the shape of the human body corresponding to the movement of the human body;
Repeating the changing step and the calculating step, and animating the change in the shape of the garment using computer graphics,
The calculation step includes:
Predetermining a correspondence relationship between an element constituting the shape of the human body and an element constituting the clothes worn on the human body;
Transmitting the movement of each element constituting the shape of the human body to the corresponding element constituting the clothes;
The movement of each element constituting the shape of the human body is transmitted, the collision calculation process between each element constituting the garment and the human body is performed, and the position of each element constituting the garment is determined. A method for simulating clothing movement, comprising the step of determining using physical properties of the clothing stored in a storage device .

In the step of obtaining the correspondence relationship in advance, from the position of the attention point on the clothing surface, the human body element that is within the set search range and is closest to the attention point is assumed to correspond to the attention point. The method for simulating clothing movement according to claim 1, comprising a step of determining.

The transmitting step includes
Obtaining a movement vector per unit time of each component of the human body;
The method of simulating clothing movement according to claim 1, further comprising: adding the obtained movement vector to a corresponding position coordinate vector of an element constituting the clothing.