基于质点弹簧结构的通用服装三维模型仿真方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及仿真分析，特别是涉及一种基于质点弹簧结构分析的服装三维模型仿 真方法及系统。
【背景技术】
[0002] 布料以及服装的计算机仿真一直是国内外研究的热点与难点。在虚拟现实技术 中，布料是柔性物体，与普通刚体的三维仿真不同，布料的表面形状随时在发生着变形。进 而，由布料和衣片组成的三维服装的模拟所需要解决的问题会更多，除了真实性以外，还要 强调实时性、交互性，最终要与人体进行复杂的碰撞检测。不论是在国际还是国内，柔性织 物与三维服装的造型与仿真研究倍受关注，除了具有以上的理论与技术上的挑战性之外， 其在不同的领域都有着广泛的应用前景：
[0003] (1)服装的计算机辅助设计。利用服装的虚拟现实技术可以做到设计可视化、虚拟 立体裁剪，以及服装版型的自动生成。
[0004] (2)计算机三维动画和游戏。实现实时地模拟角色的着装特效，给玩家带来更加真 实的体验。
[0005] (3)虚拟试衣。随着"互联网+"及服装020的发展，服饰类的产品不可避免地面 临虚拟试穿试戴的环节，传统电子商务中静态的模特图片营销已经不能满足消费者不断提 高的要求。
[0006] (4)服装的个性化定制。个性化定制已经成为服装设计与加工很重要的一个发展 方向，与电子商务的要求一样，消费者也需要进行线上的体验，虚拟试衣的效果将直接影响 消费的意愿。
[0007] 从研究的过程来说，服装的仿真是从单片布料的模拟开始的。针对布料的编织弹 性特性，将布料对象看作由虚拟质点和弹簧构成网格结构，通过求解欧拉方程迭代求解每 个质点的受力和运动情况。随后本行业中提出了一种使用大步长的隐式积分方法求解织物 模拟的运动方程，实时地增强对粒子的约束，运算速度得到了大幅度的提高。研究者们尽管 对于布料的运动方程表达不完全一样，但大部分都是基于牛顿运动的物理模型。国外学者 基于对布料变形的超弹现象，通过设置伸长阈值并引入补偿力，来克服布料仿真过程中出 现的超弹现象。当检测到弹簧的伸长超过伸长阈值时，增大弹簧力使得弹簧快速回复到适 当的位置上，但会造成弹簧的震荡，影响系统的稳定性。国内学者针对"服装-人体"碰撞 检测中实时性与复杂性的瓶颈，提出无需更新大量中间数据的前提下减少碰撞检测时间复 杂度的解决方法。国内学者进一步提出实现织物力学特性与仿真模型参数的映射关系，力 图让模拟的织物变形符合真实面料的物理属性。随后国内学者又尝试了虚拟织物的多触点 交互原型系统，实现两个手指的感知并呈现织物形变效果。
[0008] 对于面向服装辅助设计领域的服装模拟研究，则更多考虑的是如何将衣片模拟出 真实的穿着效果。通常是建立二维衣片到三维服装的映射模型，通过求解服装真实感模拟 方程，给出质点所受内力和外力的组成，并呈现服装褶皱与悬垂的效果。或者反过来，先生 成三维服装曲面，再通过交互设计展开成二维的衣片以供生产环节使用。
[0009] 另外，基于近几年出现的体感交互设备，也出现了一些商用的二维或三维试衣系 统，但都是利用传感器的体感信息分别处理人体与服饰的位置与姿态，回避了服装动力学 物理属性，并非真实的动态试衣。
[0010] 近几十年来，各种改进的方法不断地推进柔性织物的仿真水平，但总体来说在以 下几个方面还有待进一步提尚：
[0011] (1)实时性亟待提高。要实现布料中大量质点的运动轨迹符合真实织物的特性还 是比较耗时的工作。迭代过程中需要大量重复计算质点的动力学方程，服装质点与人体的 碰撞检测与响应也是影响计算效率的主要因素，所以目前常用的布料解算器（比如Maya、 3DS Max软件）需要大量的时间进行渲染，而不是实时仿真。
[0012] (2)算法的通用性不强。早期的方法仅使用规则的矩形平面做布料的模拟，目前研 究中也多是采用规则化的质点网格形式，而且采用的衣服模型也是非常简单的样式，比如T 恤、裙子等等，还有一些算法是研究二维衣片缝合生成三维服装的技术。可以说，目前的大 部分算法对于那些使用通用的三维建模软件建立的服装模型来说是不适合的。
【发明内容】
[0013] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于质点弹簧结构分析的服装三维模型仿 真方法及系统，目的是能够实现服装三维模型的通用性，突破规则网格质点模型的限制。
[0014] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
[0015] 基于质点弹簧结构的通用服装三维模型仿真方法，该方法的步骤包括
[0016] 获取服装模型的顶点和三角面的信息；
[0017] 通过所述顶点和三角面的信息，构建邻接关系，并建立该服装的质点弹簧结构模 型；
[0018] 基于数值求解算法，将所述弹簧模型中质点的位置和力学量展开，并进行迭代运 算获得质点在t时刻的运动轨迹，g卩服装的三维仿真模型。
[0019] 优选的，该方法的步骤进一步包括对所述质点的运动轨迹进行约束和补偿。
[0020] 优选的，所述邻接关系包括邻接点和邻接面；
[0021] 所述邻接点是以任意点为顶点，通过边与该点连接的周边的点；
[0022] 所述邻接面是以任意三角面为中心面，与该中心面共边的三角面。
[0023] 优选的，所述步构建邻接关系包括
[0024] 利用边将每个顶点的邻接点连接，并将所有边作为结构弹簧；
[0025] 在每个三角面及其邻接面中的所有顶点中，选取三个顶点作为弯曲弹簧的质点。
[0026] 优选的，所述选取的三个顶点的入度为2。
[0027] 优选的，利用所述基于质点弹簧结构的弹簧模型对服装仿真时，只采用结构弹簧 和弯曲弹簧作为仿真参数，忽略剪切弹簧。
[0028] 优选的，所述对所述质点的运动轨迹进行约束和补偿的步骤包括
[0029] 假设某弹簧两质点分别为VjP V ,，其初始弹簧满足：L 1]= p fp,;
[0030] 新的坐标位置的弹簧向量为L' p' i_p' 则质点坐标的补偿向量为：
[0032] 优选的，所述利用迭代算法进行模型的仿真迭代的步骤进一步包括
[0033] 在每次迭代之后，检查每个弹簧的状态是否符合约束条件；如果不符合，则对新的 坐标位置进行补偿修正，以修正后的坐标作为迭代后的结果。
[0034] 基于质点弹簧结构的通用服装三维模型仿真系统，该系统包括
[0035] 服装信息获取模块，用于获取服装模型的顶点和面的信息；
[0036] 弹簧模型构建模块，通过所述点和面的信息，构建邻接关系，并建立该服装的基于 质点弹簧结构的弹簧模型；
[0037] 运动轨迹解析模块，基于数值求解算法，将所述弹簧模型中质点的位置和力学量 展开，获得质点在t时刻的运动轨迹；
[0038] 迭代模块，基于所述弹簧模型和质点t时刻的运动轨迹，利用迭代算法进行模型 的仿真迭代，获得服装的三维仿真模型。
[0039] 优选的，该系统进一步包括约束模块，用于执行以下步骤
[0040] 假设某弹簧两质点分别为VjP V ,，其初始弹簧满足：L 1]= p fp,;
[0041] 新的坐标位置的弹簧向量为L' p' i_p' 则质点坐标的补偿向量为：
[0043] 本发明的有益效果如下：
[0044] 本发明所述技术方案针对任意服装三维模型进行了设计，满足了通用性的要求。 本发明基于三维模型不是规则的网格质点结构的特点，将不规则三角面映射成结构和弯曲 弹簧模型；本发明引入质点运动的预测机制，不对质点的移动速度进行显式的计算，提高了 算法的可靠性，并为约束计算和位置纠偏提供了机会；本发明使用简便易行的方法实现了 刚性弹簧变形，有效解决了过拉伸现象，更加符合服装布料的物理特性；本发明无需计算质 点运动中的速度数据，只需计算三角面片顶点的位置信息，在执行速度上具有优势，为实时 地服装仿真奠定了基础。本发明所述技术方案具有简洁性和可模块化的优势。
【附图说明】
[0045] 图Ι-a示出本发明所述模型的不规则顶点模型的示意图；
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