[发明专利]基于质点弹簧结构的通用服装三维模型仿真方法及系统

说明书

技术领域

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

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：

(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。

(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。

(3)虚拟试衣。随着“互联网+”及服装O2O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。

(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。

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。

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。

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。

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高：

(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、3DSMax软件)需要大量的时间进行渲染，而不是实时仿真。

(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

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。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

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

获取服装模型的顶点和三角面的信息；

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；

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，即服装的三维仿真模型。