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1、【7 4 】5 0 2 织物与服装仿真技术进展 钟跃崎王善元 ( 东华大学纺织学院,上海,2 0 0 0 5 1 ) 摘要:叫顾近十五年来织物与服装三维模拟及仿真技术所取得的发展,着重综述以物理建模为出发枉的维织物及服装复杂变 形形态模拟的主流技术及方法。 关键词:双物服装变形模拟物理建模仿真技术三维织物 中围法分类号:T 鼬4 l7 l文献标识码:A 1 技术进展与文献综述 限于计算机技术特别是硬件的发展,直到19 8 6 年,第个织物变形的三维计算机模拟程序才被开 发出来【l 一,在此之前,纺织学界的研究工作主要集 中在诸如非线性连续体薄板理论、有限元方法在织 物力学研究中的应用,弯曲、剪
2、切、自重等在织物悬 垂及屈曲中的不同影响方式等等。特别是有限元方 法的应用_ 2 “。如c 。1 1 i e r 等【”o 用有限元方法分析和 模拟织物的悬垂性。类似的还有G a n 等【”o 和K a 醒 等【2 ,用几何非线性有限元方法对织物的悬垂性进 行研究。C h e n 等”8 - 假设织物为连续介质材料,用 柔性薄板理论预测织物的悬垂性。A s c o u 曲等l ” 在简单一维杆单元的基础【| ,采用大变形动态有限 元方法分析了各时间步长内服装面料从水平状态到 最终悬垂静止的一系列变形过程。F i s c h e n l 2 6 J 等在 应力合成,几何精确薄板理论,非线性薄板理
3、论的基 础之上,模拟纺织材料的非线性力学响应特性。应 该说,有限元方法适用于以织物力学分析和模拟为 主的仿真研究。 目前图形仿真的建模方法主要可以分为三大 类:几何方法、物理方法及综合方法。几何方法不考 虑面料或服装的物理特性,采用悬链线、B 样条插值 等方法。生成的图形具有类织物的形态,但是不代 Q :K 塑型簪哿旦型 Z U 二口 由此可见,棉条总重量Q 与诸多因素有。在机 构不变的情况下,及D 、H 、w 不变的情况下,Q 仅 与d o 有关,在以往的讨论中,仅考虑了Q 与分式分 母中d o 的关系,而忽略了分子中的d 。,显然是片面 的,其结论离d 。的最佳值有较大偏差,是不可靠 的。
4、 2 由一维寻优法求得最佳点 由于Q 等式中分子分母中都古有d 。,不易用数 学方法求得最佳值。而需利用计算机为工具,采用 一维寻优方法求得最佳点,得到相应的优化工艺参 数: 裹1 优化工艺参数 大圈条 小圈条 对照表1 ,表2 可知:原先优化的气孔直径巩 偏小,对于大圈条尤为明显,重新优化的幽值比原 先的值大5 0 6 0 ,而小圈条增大3 0 左右。 鉴于小圈条有利于梳棉机的高速高产,在此将 小圈条不同条简直径的优化工艺参数列表3 ,以供 参考。 裹2 原工艺参数 D ( n m )d 0 ( n l r r L ) r ( m m )P ( n m ) 3 结论 以前的教科书中关于条筒容
5、量的计算有偏差, 其优化工艺参数d o 偏小。文中提供的数据可为纺 机配件厂确定条筒尺寸提供一定的帮助,以利于降 低棉纺厂的生产成本,提高生产效率。 参考文献 l 中国纺织大学棉纺教研室主编棉纺学( 册) 北京:纺织工业出 版社,2 2 卜2 3 3 2 薛覆中编工程最优化技术天津:天津大学出版社,8 4 1 0 2 3 张培强M A T L 蠕语言台肥:中国科技大学出版社,1 0 8 1 3 0 H 控弘鸵,凹印儿,弛卯邵蛆, 们伸H 4鲫”加3瓣 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to rem
6、ove the watermark 纺织学报第二十三卷第六期 一一 :塑! :! 翌j 表某种特定的织物,罔形的生成速度快。物理方法 是通过构造织物对象的结构力学模型,利用计算机 图形方法生成具有某种特定形态的仿真织物。根据 力学结构和求解方法的不同,可将其划分为力法和 能量法。综合方法足几何算法与物理建模的综合运 用。下面对这三种方法分别加以综述总结。 ll 几何方法 1 9 8 6 年,w e i 川为计算机动画领域发布r 第一 个面料模型,将织物结构视为网格和结点构成的形 状。用悬链线的悬挂与松弛产生类似褶皱的形状, 再用样条曲线对形状面进行拟合,使之平滑。H i n d s 等2 1
7、将人体模特的上半躯干进行数字化图象处理 以获得基础人形,然后用大量的三维平面构成服装, 通过插值技术保持构成服装的平面问的连续性,最 后将三维平面转换为二维的服装纸样。 12 物理方法 第一个物理建模的模型是由F e y n r n a n 研究成 功的 3 。他对面料悬垂的模拟是通过最速下降法 获得面料能量最小的状态,即最终的悬垂形态。 T e r 山s 等【4 。1 力图建立一个适于所有弹性变 形的模型。首先给出空间中变形体某一点的位置矢 量,然后推导出相应的拉格朗日微分运动方程,离散 为常微分方程后,通过对时间的积分获得每一时间 步长内对面料形态的模拟,模型中未包括杨氏模量 等基本材料力
8、学参数。 粒子系统( P a r t i c l es y s t e m ) 的引入,对于织物变 形形态的计算机模拟工作是一个有益的促进。粒子 系统首次出现在计算机图形学界是1 9 8 3 年,由 R e l l l l 提出的,用于边缘模糊的不定形物质的造 型和绘制。R e e v e s 和B l a u L 2 2 一还用结构化粒子系统 的概念生成了树木和草地,S i m s J 在大型并行计算 机上用粒子系统生成了瀑布、漩涡、火、风暴及爆炸 景象的视觉效果。 在这些早斯的工作中,粒子仅有自己的生命周 期,彼此间并无力学关联。1 9 8 7 年,R e y n o l d s 俐提 出
9、了交连粒子系统( C 0 u p l e d - p a r t i c l e8 y s t e m ) 的概 念,即系统中的粒子间存在相互作用。这一概念最 终为B r e e n 等h ”2 3 采用,以此对面料的变形进行 模拟。 传统的结构力学研究采用连续体力学模型,但 是织物是由纱线交织或编织在一起的,严格的说并 不是连续体。因此,早在1 9 7 8 年,S h a n a h a n ,L l o y d 和H e a r k e 等就提出连续体模型并不能精确模拟纺 织材料柔软、大变形、各向异性、非线性的力学行为, 并建议用非连续体系统来解决复杂的织物变形。 B r 一等的粒子系统受
10、粒子模型的启发,将织物构 造为具有相互作用的粒子系统,首次提出从外观的 模拟中区分毛、棉、涤棉的小同质感。他们将经纬 向单元问节点看作粒子并构造粒子的昕有能量状 态。模拟过程分为二个步骤。第一步,粒子可以自 由落下,与地面或身体对象的所有碰撞都在这一步 中确定,其结果生成面料悬垂的大致形状。在第二 步巾,用能量最小化进程计算粒子内部的能量函数 以生成面料形态的逼真细节。在求解各能量项的具 体参数时,R r e e n 等是通过对试样在K E s F 系统中 测得的弯曲和剪切曲线用分段多项式逼近获得其近 似值,并外推至大变形区域得到的。 遗憾的是,由于K E s F 测试系统的理论基础是 连续体
11、力学模型,因此B r e e n 等的模型在理论上犯 了循环逻辑的错误,这也是该模型受到质疑的主要 原因之一。但是其出色的图形模拟结果值得肯定。 E b e r h e r d t 等_ 1 0 在B r e e n 等工作的基础上,采用 拉格朗日方程得到由能量计算出的力学方程,并给 出了动态模拟效果。 在数值积分的过程中,为了解决以往为避免失 稳而采取的小步长积分所带来的耗时缺陷,B l r a f f 和w i t k i n _ 2 9J 提出了一种稳定的大步长隐式积分方 法,通过改进的共轭梯度法求解由隐式积分生成的 大规模稀疏矩阵,从而实时的增强对粒子的约束,独 立于共轭迭代。其结果比
12、同类模拟明显增加,生成 的图形包括织物在圆台上的悬垂,穿短杉的舞者跳 舞时以及人体行进中服装的变形,充分展示了这一 技术的魅力。其生成图形的空间分辨力和速度至今 无人能及。 o k a b e 等_ 1 纠的服装面料可视系统是为了实现 传统服装加工过程的自动化。是一个二维纸样到三 维图形拟合再到二维精化纸样的过程,其中考虑了 材料的各向异性性质、变形的几何非线性以及与人 体的接触等。L i 等【1 4J 的工作主要是服装在气流环 境中的变形状态。N g 等J 制作的服装可视化系统 通过一组能量函数最小化技术获得变形形态,是对 F e y n m a n n 函数的改进。发表的模拟包括悬挂的衣
13、服及面料在方形台面上的悬垂。1 、e n g 等1 2 8J 讨论了 原先用于流体力学分析的有限体积元方法在模拟织 物复杂变形上的应用。其求解过程采用了单步 N 州o r 卜R a p h s o n 法,由此得到织物悬垂的最终形 态。 1 3 综合方法 此法在对褶皱的处理方面特别有效。 这一方面的工作包括R u d o n l i n ,T a i l l e f e r 等, T s ( ) p e l a s ,D h a l l d e 等引和K u n i i 等0 1 6 J 。R u d a n i n 将 面料裹在对象上以确定对象的外凸轮廓,再用几何 算法将其映射为2 D 空间
14、的图形,重新计算面料图 形内的点以获得3 D 的面料轮廓,由此得到近似悬 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【7 6 】5 0 4 2 0 0 2 年1 2 月 垂的形状,再用l 、e r D o u l 。s 变形模型精化最终形 态。T a i l l e f e r 将褶皱归纳为两类:垂直褶皱和水平 帮皱。象w e i l 一样先用悬链线拟合,只是增加了许 多来自拉伸能、弯曲能、重力势能和内排斥能等物理 约束,而4 i 是仅自儿何约束,他的工作只
15、限于悬挂的 面料,町以视为w e i l 的延伸。T s o p e l a s 将眼装看作 是轴向载荷作用下的细薄圆柱形管体,用薄壁墙变 彤理论模拟褶皱,他的工作未涉及及面料间及面料 与人体之间的碰撞:, r ) h a n d e 等j 仃弯曲表而模拟织物的悬垂,他们用 母线( g e n e r a x ) 和准线( d i r c c t r i x ) 生成参数曲 商, 引入织物的弯曲和剪切性能,生成r 非常好的 织物由刚性平面下垂的形态模拟,但不能模拟从复 杂形状的物体L 悬垂下来的形状。 K u z i i 等首先用弹簧联结结点构成的网格模拟 面料并定义了两种能量:度最能量和弯曲
16、能量。用 梯度下降法寻找并求解最小能量状态,并由此给出 模拟的初步形态。在这一步之后,用奇异理论( s i n g u l a r i t yt h e 。r y ) 精化最终形态。他的算法对于特征 点的确定未形成明确规则,而且末考虑面料与衬垫 物间的相互作用。 2 总结与前景展望 织物与服装维模拟及仿真技术本身涉及到纺 织材料结构力学、计算机图形学、计算力学等多方面 的交叉研究内容,随着建模方式的基本完善,目前的 研究承点集中在算法的精化( 如改进求解方法提高 速度) 以及与三维人体建模结合,研究虚拟穿着和数 字化服装定制方向,应该说,从目前的技术水平过渡 到具有应用价值的三维服装C A D
17、 C A M 系统、虚拟 试穿系统,还需完成三维服装造型的真实性评价,三 维造型与二维版型间的相互转换,交互式服装设计 接口,人体测量与三维成型等一系列研制开发工作。 计算机技术的概念创新与市场拓展是紧密相关 的,对我国的服装工业及计算机技术的发展,织物与 服装三维模拟及仿真技术都具有广泛的研究价值和 应用前景。 参考文献 l Jw e l lr h es y n t h 吲s 甜d o 出O 崎群Hf h ”p 川e rc 施f h 】“( 胁 蜀g g r a p h ) 1 9 8 6 ( 2 n ) :4 9 5 4 2BKH i n 出a n dJ M c c a n n e yI
18、n t e I R f I eG m 1 日1 t 瞻l 胛、i s u a l C b m D u t e r 1 9 9 0 ( 6 ) :5 3 6 l 3 H T l gNN g 蛐dRL c h a r dLG n m 划a l ec h n p u t e r m c sT e c h 。 n l q u 鹧f o rM ( d e E f # C b t h ,I E E EC 凹n p u t e rG r a p h 【1 dA p p b c a tL s ,S c u t b e r1 9 9 6 :2 8 4 I 4r ) 1 e r u he Ld ,E h n l
19、c d l yD e f o n m b l eM o d e l s D u 忙r G r a p h m ( P r 。cs l g g r a p h ) 1 9 8 7 ( 4 ) :2 0 5 2 1 4 5 DT e r u ha n dKF l e l s c b I ) 如r r l l a b l eM 0 d d s v j n l a lC o n l 一 p u t P r1 9 8 8 ( 4 ) :3 0 6 3 3 l 6MM ma 1 1 dJW d h d 雌c 0 U l 蚴D n e c t l 。na n dR e 蚋珊f 。r 【0 m p e rA
20、m a t ( h ”p u t e rG r a p h c 8 ( P 嗽s g g r a p h 】1 9 8 8 ( 4 ) :2 8 9 2 9 8 7M 饬兀g td 【h s s t 球A I l 1 1 a t 甜S y n t h 黜s 觚。砖w l t h ( b m 日瞻h m 讪l e 嘶h e sf 抽p u t e rG r a p h ( P s l g g r a p h ) , J 9 9 2 ( 2 ) :9 9 J 0 4 8PV d I n uM ( b u r c h e 锄c8 n dM 耀n 口m 1T h a b 啪V e 螂t i l ea
21、n d E f n tT e c m I q u 朗f o r 野m u l a t I o nC 1 0 t ha r o t h e rr ) e 如H n a b k O b j 钟b ,I kS i g 哪p hA c Mr r c 踣,N 州Y o r k 1 9 9 5 :1 3 7 1 4 4 0n FR r 畔n ,I ) HH o u s ea n dPHG e t t oAp h y s l c a I 陆e dP a n i c l cM 。d do fw d v e nC k 出v i 8 u dc o n 】p u t e r ,1 9 9 2 ( ) :2 6 4
22、2 7 7 1 0I k m h a r d e r h a H l tA f l ( 1 r 朗sW e ha dw d f 郫城S t 脚A F a s tF l 。【m l eP a n k S y 蛐nM o d e lf o ra 饿hD r a p l n gI F E E b m p u I e rG r a p k c s 口埘印一a t l o 珊,s e p t 目r l p c r1 9 9 6 :5 2 5 9 1 1wTR 删P a n l c l eS 州哪 AT e c h n ;q u e f o r 删e h 城aC b s s o fp u z z y0 幻
23、t s ,G m 巾u t 盯G r a p k 器( P cS i 略r a p h ) ,1 9 8 3 ( 3 ) : 9 1 1 0 8 1 2DE B r 艇n DH b L l s e ,a n dMJW 旧1 y ,P r e d i c t l 球t h eD 随阳 。fw 。州c h hu 螽1 1 9I n t 盯a 吐i n gI h K k s P r o cs i 龉r a 山A c M P r e s s N e w Y o r k 1 9 9 4 :3 6 5 3 7 2 1 3H0 k a b cE td T h r e e D i m 甑s i o n dA
24、p p a r e lC A DS y s t e m ,C 蛳 p 【l t e r G m p k c s ( 1 & g g r a p h ) ,1 9 9 2 ( 2 ) :1 0 5 1 1 0 1 4L L l ,M 【0 d a r e n ,跏dRKL ( h y ,A e r o d 如跗血F b r c eM 。d 幽f 。r 加】n 豫n 碹c l o t hM 甜mA j rm ,s u a I 白n 口“ e r ,1 9 ( ) :8 4 1 0 4 L 5HNN g ,RLG n m s d a l e ,a n d WGA 丑e nAS y n 册1 f o
25、r M 。d e l 1 1 曙a dV I s u d 妇d 。no fc o l t hM 8 t e “址s C 1 p u t e 作a n dg r a p k 诺, 1 9 9 5 ( 3 ) :4 2 3 4 3 0 1 6TL K 叽ia n dHG o t o d a ,s i r I g d a n t y1 h 她n c a lM 删n ga I l d A n l r n a t l 0 T 1o lL ;a m l 朗tW m M eR m T l a t i P m c e s s s L 越o ) m 口u t c r ,1 9 9 0 ( 6 ) :3 2 6
26、3 3 6 1 7 J Rc o 山e rHd ,D r a p ep r e d i c t l 帆b yM e a 璐o fF m l o E 1 e f r m n t A m l y s i # ,J1 k x tI n s t 1 9 9 l ( 1 ) :9 6 1 0 7 1 8Bc h e l la n dMG 0 n d a 捌,AP 蛹c a u y dM 0 d d0 fF a 晡c D r a p cU s l n gF 1e ) 【l b l eS h e 】ln l 呻r y1 h 址飚J 1 9 9 5 ( 6 ) : 驼4 4 4 0 1 9L ( 洫la n
27、d NGI JA S l u d yo f F 曲血D e f o n n a t i 呻U s i 啦N o m u l 朗r h 出t e E l 踟1 c n 船T 嘣n e R 鹳J ,1 9 9 5 ( 1 1 ) :6 6 0 6 6 8 2 0TJK a n ga 1 1 d WRY uD 唧eS i m l 山n o no f W 0 v 朗F a b i cb y U 目1 1 9 t h e F 商t E 1 e r r 啪t M 2 d dJ1 h tI n s t1 9 q 5 ( 4 ) :6 3 5 6 4 8 2 1 JA s c 。崞hHE 胁a n d A M
28、 B c bAS i m 口l eB 哪E l 咖廿n L a r g cD i s 回a c 锄口1 tM 。d df 。rt h eF “t eE 1 曰n e n ts h d “o f C b t hL ) 曲阳j1 h I m t ,1 9 9 6 ( 1 ) :1 5 2 1 6 5 2 2WTR e e 咒sa 1 1 dR 列a u 却阻。x i r r ea n dP r o b a b i l b t l cA l 鼬, n t h f n 3 如rS f l 8 d 王n ga n dR e f l d 刨n gS t r u c t u r e dP a r d c k
29、S y s r n S c o m p u t 盯G r a p k 姆( P r o cs 璋g m p h ) ,1 9 8 7 ( 4 ) :2 5 3 4 2 3DEB r o DH b u 8 e ,a n d MJW o 明yA P a n i d B 蝉d M 。d d 丘”s 曲d a i 粥t kD r 丑面珥妇曲ro ,w o v 哪C b c h ,出 R e sJ 1 9 9 4 ( 1 1 ) :6 8 5 6 8 9 2 4Ks i 胁P “d cA n i n m t i o n 粕dR e n d 盯l n gU s i 理d a t aP 啪心 c 。m t
30、a t l 。nc h p u t e r 砷h i c s ( P r s l 鹤姐p h ) 1 9 9 0 ( 4 ) : 4 0 5 4 1 3 2 5CW ”d d sF 1 0 c l 【sH e r d sa n dS c 啪k :AD i s t 汕u t e dB e h a v lM 。( 1 dC 。r 唧t e r p h i c s ( P 眦s l g g r a p h ) ,1 9 8 7 ( 4 ) :2 5 3 4 2 6 J e f h yWE i s c h S h g a nr h 培a 1 1 dT i m 。d l yGa a p pF i 1 E
31、 k tM 。l e 【吨a I l d m lo fF l 旺m l eF 扎n c P a r t s 正E E C 锄D u t c rG r a p M c sa n dA p p l i c a n 呻s ,S e p 【1 b 口1 9 9 6 :7 1 8 0 2 7 顾伯洪纺织材料力学性能研究有限元方法应用综述中国纺织 大学学报1 9 9 8 ( 3 ) :1 0 6 1 0 9 2 8JGT g SFC h e na n dJLH uA 胁睁V d 啪e M 眦 D d f o r 眦啪a t I o nA I l 甜y s i so f W o 眦F a “c sI n 时JN 1 】r n 盯M 舢E n g 啦4 6 ,1 9 9 9 :2 0 6 l 2 0 9 8 2 9D a v l dB m 盯A n d r e WW 1 悄nL a r g e & 哪i na o t hS 1 m m a t i ( 硫p l 】r 盯G 糟出c s ( P 耽野g 鲫p h 9 8 ) J m y1 9 2 41 9 9 8 :4 3 5 4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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