[发明专利]基于改进弹簧‑质点模型的花色组织变形模拟方法

说明书

技术领域：

本发明属于织物计算机图形学技术领域，特别涉及一种基于改进弹簧-质点模型的花色组织变形模拟方法。

背景技术：

基于物理模型的针织物模拟一直是针织CAD和计算机图形学中的一个热点研究内容。它需要交叉运用计算机图形学、弹性力学、针织学等领域的知识，专注于实时地、高效地、真实地生成纬编针织物运动和变形的实际效果，在针织物设计生产、虚拟试衣、电影游戏等领域得到广泛的应用。

申请号为201510109211.3的专利公开了基于球B样条的纬编针织物的仿真方法，属于计算机图形学与针织学的交叉领域，对基于球B样条构建的纬编针织物进行仿真。通过定义一系列的控制点、控制点所在的控制半径以及控制点相联系的B样条曲线来实现纬编针织物的单纯几何形态仿真。

申请号为201510251426.9的专利公开了一种基于混合包围盒的动态织物仿真方法，属于计算机与力学的交叉领域。所述方法包括：运用基于三角形面片的弹簧质点模型对服装建模，并进行碰撞检测与响应，实现了效果逼真的实时织物动态模拟。

纬编花色组织模拟过程中，主要涉及到织物的有效物理模型构建，纱线的真实感模拟，纱线的碰撞检测等。对于织物物理模拟，首先遇到的问题为物理模型的建立，传统的织物物理模型建模方法有连续介质模型、粒子系统和传统的弹簧-质点模型，其中弹簧-质点模型以其高效便捷性广泛应用于纬编织物物理建模。

在实际模拟系统开发中如何更真实高效实时地处理纬编花色组织变形问题是纬编针织物变形模拟的关键问题。需要解决的难点在于如何巧妙并合理的减少模拟运算过程，降低计算难度。目前使用比较广泛的方法是使用传统的弹簧-质点模型与线圈型值点建立关联，当质点发生位移，相对应的型值点也随之发生位移，产生线圈形态的变化。这种方法只能近似的模拟线圈的变形，因为纬编针织物编织中存在针床间的相互运动，立体效果极为明显，因此这种平面的物理模型并不能真实地模拟出线圈真实的立体效果和线圈变形效果。例如，Meissner等引入弹簧-质点模型，用模型中的质点控制线圈的型值点，根据能量守恒定律，通过动力学计算获得质点的位移和速度，但模拟效果缺乏真实感；Yuksel等将织物网格化，在网格中填入用直线连接的多边形组织，通过放松弹簧和平滑多边形线圈的方式，模拟出了多种纬编织物线圈形态，模拟效果逼真，但模拟时间长，实时性差。有限元模型将织物看作连续的介质，因此在表达纬编花色组织变形细节方面，效果并不生动。综上所述，目前用于模拟纬编花色组织变形的模型和方法存在效果欠缺真实、模拟速度达不到实时性等问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于改进弹簧-质点模型的花色组织变形模拟方法，对基于NURBS曲线构造的纬编花色组织进行变形模拟，同时通过线圈的参数化处理来方便用户进行交互操作，在真实地展示纬编针织物线圈变形效果的同时实现实时性，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于改进弹簧-质点模型的花色组织变形模拟方法，其步骤为：

(1)建立纬编花色组织的长方体弹簧-质点模型：将弹簧-质点模型立体化，生成长方体立体模型，各质点均匀分布在空间的网格上，长方体的每条边作为结构弹簧，对角线作为剪切弹簧；

(2)花色组织线圈变形的模拟：根据真实的花色组织偏移量分析，模拟花色组织线圈的变形，将织物以线圈为基本单元，建立线圈与物理模型的联动关系；

(3)花色组织线圈偏移量的分析：分析花色组织线圈偏移量的回归方程，通过对花色组织织物线圈进行测量，得到线圈偏移量与线圈型值点间的关系；

(4)任意方向拉力下的纬编针织物模拟效果：在长方体弹簧-质点模型上创建线圈型值点，型值点坐标与质点坐标建立关联，使花色组织线圈型值点的偏移量与质点位移量成比例；

(5)纱线的股线捻度模拟：以NURBS曲线为结合中心，生成圆柱，再通过分别平移圆柱，形成相互平行的单纱效果；通过圆的极坐标方程原理，旋转互相平行的圆柱，形成纱线的股线捻度效果。

优选地，上述技术方案中，基于NURBS曲线的纬编花色组织几何建模及其模拟，在相互穿套线圈的型值点间建立长方体弹簧-质点模型，通过弹簧力的传播，获得能够实时性展现织物变形效果的动画。