基于粒子-弹簧模型的动态服装仿真.pdf
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1、第2 5 卷第6 期 纺织学报v 0 1 2 5 N o 6 2 0 0 4 年1 2 月 J o u m a l T e x t i l eR e s e a r c h D e c 2 0 0 4 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = 一 基于粒子一弹簧模型的动态服装仿真 纪峰李汝勤 张瑞云 ( 东华大学纺织学院,上海,2 0 0 0 5 1 ) 摘要:采用基于粒子一弹簧模型的仿真系统模拟服装在风等外力作用下的悬垂效果。发展了传统的对象一空间的冲突检测技 术,采用基
2、于最小包围盒的快速碰撞检测算法检测人体与服装的碰撞,最著提高了模拟速度。同时采用内力修正法克服失真现 象,取得自然逼真的模拟效果。 关键词:织物服装动态仿真最小包围盒碰撞算法内力修正法 中圈分类号:T s1 0 1 3 文献标识码:A文章编号:0 2 5 3 9 7 2 “2 0 0 4J 0 6 2 2 0 3 面料的建模方法通常可分为几何法、物理法和 综合法,纺织领域内的研究人员注重的是基于物理 的仿真模型。目前已经发展起来的基于物理的建模 方法如有限元素法、有限体积法及非连续的粒子模 型q 1 等已经能够生成特定约束条件下的织物变形 模拟效果。 本文采用基于粒子一弹簧系统的仿真模型对织
3、物以及服装的变形形态进行仿真,将通过几何技术 得到的服装网格点数据作为空间粒子的初始状态, 然后使粒子在内力以及重力、风、人体约束等外力作 用下运动,从而生成服装的悬垂形态。在碰撞的检 测和处理方面,文中提出一种基于最小包围盒的快 速碰撞检测算法。在人体数据的基础上,通过算法 自动生成一组规则几何体的集合,以此对空间的人 体数据点进行最大程度的包围逼近并取代人体参与 碰撞检测和处理。因质点与空间规则几何体的碰撞 检测算法比与空间三角形的碰撞检测已大大简化, 同时运算次数也显著降低,所以该方法可大大提高 系统的计算速度。在现有算法中,关于碰撞检测和 处理的计算通常占到整个计算的3 0 一5 0
4、左右, 而用文中提出的算法,碰撞检测和处理所占用的时 间仅为总计算时间的1 6 6 左右。同时,因为最小 包围盒可对人体数据点实现更为精确的逼近,所以 较之常规的层次包围盒法的模拟结果更为逼真。 本系统的特点是通过对软件的优化降低了对硬 件的依赖性,即使在一般的P c 机上也可正常运行, 因为它不需要一些特殊扩展硬件的支持。并且由于 该系统是在v c + + 编程软件上结合0 p e n G L 函数库 执行的,所以易于与w i n d o w s 系统兼容,这对它将来 向网络方向的发展提供了良好的技术支持。 1 基于粒子一弹簧系统的织物仿真模型 1 1 模型的几何拓扑结构 在模型中,织物是由
5、f n 质点( 粒子) 构成的 网格结构。每个粒子通过轻质弹簧与周围粒子相 连,每个弹簧的自然长度为两端粒子的原始间距。 模型中定义了3 种类型的弹簧:结构弹簧、剪切弹簧 和弯曲弹簧,分别反映了织物抵抗面内伸缩、剪切以 及面外弯曲的性能。 1 2 模型中的力 定义R ( ) ,口;f ( t ) ,o i ( t ) ( 其中i = 1 z ,= 1 n ) 分别为质点P 。在t 时间的空间位置、速度和 加速度,粒子的运动遵循牛顿运动学定律:,:,= m a “ 其中m 为每个粒子的质量,厶为粒子P 。,所受 到的合力,f i 又可分内力和外力。系统内力是由弹簧 的伸缩引起的,在该模型中弹簧具
6、有刚性和粘弹性, 粒子R 所受内力是连接该粒子与邻近粒子的所有 弹簧张力之和。对系统所受外力的选用取决于所要 达到的模拟效果,这里所用到的外力有:1 ) 重力: k ( 岛) = ,愕,其中g 为重力加速度;2 ) 空气阻尼: F 。i ( P i ) = 一C 。秽i ,其中c 岫为阻尼系数;3 ) 摩擦 力:F 施( R ) = 一c 。或c 。,其中c 。、G 。分别是静、 动摩擦系数,摩擦力在碰撞时才会遇到;4 ) 风力:由 拖曳力,叫和浮力两部分组成,n d = 一I # K1 I I ,F = ( 也c o s 臼I I 。) , 其中Z ,为粒子对风的相对速度,丙;,为粒子的单位
7、 法向量,观,轲。之间的夹角为7 c 2 一口,亩i 代表 F 断方向的单位向量,方向为垂直瓦且指向人体外 部,岛和托分别为力的单位控制系数,通常都取 0 0 1 。 1 3内力修正法克服失真现象 粒子一弹簧模型本身在用于织物仿真方面存在 的主要缺陷是它的失真现象,即“超弹”和“超缩”。 这是因为模型中的弹簧处于理想状态具有无限 的线性伸缩率,往往使模拟结果呈现出一种超常的 伸缩现象。针对这种情况,采用了内力修正法,其 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermar
8、k 2 0 0 4 年第6 期 纺织学报 【2 3 】 一 基本思想是:在每一时间步长下检测各个弹簧的伸 长率R ,若发现尺超出设定的阈值范围,则即时增 大该弹簧的张力,不管弹簧是处于超弹还是超缩的 情况下,弹簧张力的增加都会将两端的粒子“拖”回 正常位置。通过修正系统内力来克服失真,正是体 现了织物自身对非正常变形的反应和调整。 内力修正法优势之一在于算法简单易行,同时 还可维持系统的稳定。当失真现象发生时,长度修 正或速度修正都会令相关粒子的位置或速度在瞬时 产生很大改变,从而导致局部区域因剧烈调整产生 振动和不稳,而内力修正可使这一情况得以缓冲。 图1 为由5 0 5 0 网格点阵构成的
9、方巾在重力作用 下与球体的碰撞模拟结果,其中( a ) 、( b ) 分别展示对 失真现象纠正前、后的结果,表明这一方法可以获得 自然有效的模拟效果。 ( a ) 失真现象( b ) 纠正后结果 图l内力修正法纠正失真 2 服装的物理仿真 本文采用综合法对服装进行仿真。先用几何技 术对人体数据点进行逼近,在人体数据基础上通过 计算偏离值生成服装款式数据点并转化为空间粒子 的初始状态点阵;对粒子赋予“生命”后使它们在内、 外力的综合作用下运动起来,最终形成服装的动态 悬垂形态。在本系统中,人体的三维数据点来源于 三坐标测量仪;构成人体各部分( 颈、躯干、四肢) 的 数据都是以z n 网格点的形式
10、分别保存在文 件中。 2 1 最小包围盒对人体数据的逼近 最小包围盒法的基本思想是用尽可能简单、规 则的几何体精确地包围人体数据,从而取得最逼近 人体的一簇几何体的集合。人体各部分的数据分别 以zx 忍网格点的形式读入文件,对每一部分来说 都是一系列点构成的“闭合线”的集合,而绝大部分 闭合线在x y 平面上的投影都近似圆形。用一个 小圆柱体( 为偏圆台的一个特例) 来包围这条“线”: 在戈一y 平面上,圆柱底面的投影刚好包围住曲线 上所有点的投影;圆柱上底面的彳坐标取曲线上所 有点z 坐标的最大值,而下底面的z 坐标取最小值。 每一条闭合线都对应一个小圆柱,2 个圆柱之间由 一个偏圆台来衔接
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