面向服装变形的三维布料仿真技术研究与实现

发布时间：2017-07-28 08:18

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着计算机软件和硬件技术的日益发展，计算机网络已然成为了大众生活中不可或缺的重要组成部分，O2O 商务、不同的网络或者大型游戏、网上购物等已经成为了大多数人每天必不可少的活动[1]，这些应用都有效的推动了计算机动画和虚拟现实以及仿真模拟技术的发展。为了推动并且实现这些应用，对现实生活中各种物体的动态以及真实性模拟成为了计算机仿真研究领域的主流方向[2]。 近几年，随着人们生活水平的大幅度提高，“衣”作为人类基本需求之首已经广泛地引起了计算机仿真领域专家的兴趣。所谓“衣”也就是服装，由不同的布料织物构成，而布料和我们的生活息息相关，涉及我们生活的方方面面，包括人们出行需要穿戴的衣帽、作为床上用品的“四件套”、普通餐桌上需要放置的桌布，以及在网络游戏中不同人物不同的造型和服装等。

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1.2 研究现状

随着计算机仿真技术的不断发展，和服装变形相关的布料模拟仿真技术一直是计算机图形学领域内的一个研究热点。布料仿真技术是计算机模拟仿真技术的一个主流，目前已被应用于多个领域，包括计算机辅助与制造、三维动画、虚拟现实以及电子商务等。模拟仿真技术是指遵循环境、几何或者性能等相似的原理，用物理的模型或者数学的模型代替现实的系统，从而在计算机上以编程的方式进行实验和研究的方法。近几年许多专家学者都对于模拟仿真技术有着深入的研究和了解，本章节主要是对布料仿真相关技术的简要介绍，后续章节会更加明确的给出具体论述。布料仿真技术主要包括模型的构建以及数学积分计算两部分。

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第二章 布料仿真基本建模方法和受力分析

2.1 构建布料仿真模型的方法

构建布料仿真模型是进行布料仿真的基础，许多的专家和学者都进行过这方面的研究，并且最终形成了不同的构建布料模型的方法。根据布料仿真所使用的方法，可以将布料仿真技术分为以下几种：基于几何的布料模型构建方法、基于物理的布料模型构建方法和基于混合方法的布料模型构建方法。 采用基于几何的方法构建布料模型时，大多不需要考虑布料的内部结构等特性，且忽略布料的材料性质和加工工艺等性能，仅仅依靠数学的方法，经验性的模拟出布料所固有的特定的悬垂褶皱形态，通过几何方程表示布料的几何特征。因此，该方法的仿真速度较其他方法快，具有一定的发展空间和适用前景。

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2.2 弹簧质点模型

经过前文的介绍以及对于不同的布料建模方法进行比较之后，鉴于弹簧质点模型的易实现性、高效性以及自主性，本文主要采用弹簧质点模型为基础的布料模型进行建模工作，然后对各个质点进行受力分析，得到相应的微分方程。应用不同的积分方法可以有比较的选择适合最终呈现效果的方程解决方法，所以下文首先深入介绍弹簧质点模型。由 Provot 提出的弹簧质点模型[27]是采用物理方法进行布料建模的一种主要方法，以其简单性、实用性以及高效性得到了广泛的应用。本文也采用此模型作为基本的布料仿真模型。 弹簧质点模型把布料看作是由一系列均匀分布的质点构成，各个质点之间由不同类型的弹簧连接，这些弹簧没有质量，初始长度即两个质点间距离，用来模拟布料不同方向上的质点间的相互作用。布料的质量均匀分布在每个质点上，由这些质点离散化的表示为布料模型。

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1第三章 数值积分方法和碰撞检测...............16

3.1 积分方法介绍...............16

3.2 超弹性现象的研究 ...............18

第四章 布料仿真技术实现.................23

4.1 布料仿真基本流程............... 23

4.2 布料仿真的积分方法实现.............. 23

第五章 布料模拟实验过程以及最终结果分析...............33

5.1 VTK 概述...............33

5.2 实验结果...............33

第五章 布料模拟实验过程以及最终结果分析

5.1 VTK 概述

VTK（Visualization toolkit）是指视觉化工具函数库，是开源的、支持并行处理的适用于图形应用的函式库。它包括很多类库，提供多种 API 接口，是在三维函数库 OpenGL 的基础上进一步发展的图形库，主要采用了面向对象的设计方法。在 VTK 中，可以通过函数的调用直接形成点、各种不同平面图形，然后经过渲染函数的调用、窗口的设置、背景窗口的显示等最终显示出所需要的图像的样式。本位主要是使用了其中对于点的显示，通过布料建模、受力分析然后用不同的积分方式使得布料中的质点形成位移的变化，然后使用质点约束法进行位置的修正，最后生成不同的点的坐标，在 VTK 库中调用点的函数，将不同坐标赋值给函数，然后进行渲染工作最终使得质点能够形成图像呈现在屏幕上。使用之后发现 VTK 主要有以下一些优点：1. 在三维图形的展示方面有强大的功能，其支持体绘制同时也支持传统的面绘制，可以很大程度上改变图形的可视化效果；2. 可以有效的处理大量的数据，对于布料模拟中的大量点有很好的显示效果；3. 着色功能强大，能够支持多种着色效果；4. 可移植性良好，，同时还支持对于多种数据类型的处理；5. 另外，VTK 可以同时在 Windows 系统下和 Unix 系统下工作，极大的方便了更多的用户。

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5.2 实验结果

本文在前期主要以桌布为原型进行了布料仿真模拟。本文第三章详细介绍了不同的数值积分方法，同时在分析了优缺点后，本文选取了显式欧拉法、显式中点法、四阶龙格-库塔法和 Verlet 积分四种方法进行受力微分方程的比较工作，以确定更加适合布料仿真的方法。 上面两张图是不同点数下使用显示欧拉积分进行布料仿真的对比图，可以看到当选

本文编号：582956