[发明专利]用于在纱线级模拟编织织物的行为的计算机实现的方法、系统和计算机程序产品

说明书

技术领域

本发明涉及在纱线级模拟编织布料的行为的领域。

背景技术

编织布料是由交织的纱线形成的，通常两组正交的纱线被称为经纱和纬纱。交织的纱线在纱线间接触处会经受到摩擦力，并且与针织织物相比，这种摩擦将编织织物保持在一起，而针织织物则通过缝合纱线被保持在一起。编织布料是十分普遍的，并且其展示出各种各样的编织图案和纱线材料，既刚性又有弹性。普通的编织织物包括雪纺、灯芯绒、牛仔布、法兰绒、华达呢、羊绒或天鹅绒。

编织布料的大尺度力学特性是由纱线的精细尺度的行为、它们的力学特性、布置和接触相互作用决定的。然而，流行的布料模型无法对纱线级力学特性进行建模，而Kaldor等人的工作[2008；2010]是显著的例外。如在质量弹簧系统的情况下[Breen等人1994；Provot 1995]，他们使用离散元件，或如在有限元模型的情况下[Etzmuss等人，2003]，他们使用连续体公式的离散化。

这种离散化的模型通常足以捕获编织布料的相关行为，特别是在适度的力下悬垂的编织布料。但纱线级的模型为计算机动画引入了令人兴奋的可能性。视觉上感兴趣的效应(如详细的撕裂、抽丝或宽松的纱线端头)需要对单根纱线进行建模。此外，基于纱线的模型可以构成基石用于开发大尺度布料模拟的准确解决方案，揭示实际织物中测量的非线性和复杂的相互作用[Wang等人，2011；Miguel等人，2012；Miguel等人，2013]。

计算成本一直是解决在纱线级布料模拟的关键挑战。捕获单根纱线的力学特性需要使用杆模型[Pai 2002；Spillmann和Teschner 2009；Bergou等人，2008；Casati和Bertails-Descoubes，2013]，并且编织图案产生了许多接触，其是纱线的数量的二次方。甚至对低纱线密度的织物进行建模也很快就会导致自由度(DoF)和接触的数量的激增，并且常见的织物可能含有100纱线/英寸的数量级。

计算机图形学中的大多数布料模拟模型将布料视为薄壳，并制定了弹性变形模型来捕获其力学特性[Terzopoulos等人，1987]。然后，布料建模面临定义数值上是鲁棒的并与真实布料的行为相匹配的变形能量和离散度的挑战。计算机图形学中布料建模中的一些关键的里程碑包括：质量弹簧模型，其近似真实编织织物的行为[Breen等人，1994]、添加对模型不可伸展性的应力限制[Provot 1995]、有效处理自身碰撞[Volino等人，1995]、根据具有高效时间积分的约束定义变形能量[Baraff和Witkin，1998]、用于处理屈曲的鲁棒模型[Choi和Ko，2002]、一致的弯曲模型[Bridson等人，2003；Grinspun等人2003]、高效的不可伸展性[Goldenthal等人，2007]、以及高效的动态重绘[Narain等人，2012]。

在计算机动画方面最近的工作也已经致力于匹配实际布料中的非线性行为。相关的工作包括非线性参数模型的设计[Volino等人，2009]、根据力和变形示例估计材料系数[Wang等人，2011；Miguel等人，2012]、以及设计内部摩擦模型来捕获布料滞后[Miguel等人，2013]。

与流行的薄壳模型相比，Kaldor等人[2008]在纱线级对针织布料的动力学特性进行建模，允许他们根据基础纱线力学特性预测全套服装的大尺度行为。他们使用不可伸展的杆模型捕获了单根纱线的力学特性，并且利用刚性惩罚力和速度-过滤器摩擦的组合捕获纱线间接触的力学特性。在2010年后期，他们通过使用惩罚力的局部旋转线性化，扩展了他们的工作以加速纱线间接触处理。然而，本发明针对以下情况提出了一种更高效的解决方案：编织布料避免在纱线交叉处完全地处理纱线间接触。Metaaphanon等人[2009]提出了用于编织布料的纱线级模型。他们通过设定经纱和纬纱弹簧端点之间的约束来对纱线间相互作用进行建模。此外，他们设计了从质量弹簧模型到纱线级模型的自动过渡。

纱线级模型在纺织研究领域得到了深入的研究。基于纱线的分析模型[Hearle等人，1969]被用于通常基于几何纱线模型来预测织物在特定变形图案下的力学行为。假设持久的接触并考虑到卷曲分离，这些分析模型(如Peirce的参数圆截面纱线[Peirce 1937]或Kawabata的更加简单的引脚连接的桁架[Kawabata等人，1973])在交叉点处对纱线进行建模。然而，对于大多数分析模型，这些方法被限于其被设计以用于的指定情况，并且针对一般负载情况开发分析框架将非常复杂[King等人，2005]，更别提整套服装了。