1.2服装
服装的几何建模方法着重模拟布料的几何表象,尤其是波纹、褶皱等,不考虑服装面料的物理特性,将织物视为可变形对象,用几何方程表达并模拟虚拟现实环境中的织物动画效果。目前常用B样条曲面、Bezier曲面:INURBS曲面来进行服装曲面造型。
Lalfeur等开始用简单的圆锥曲面代表一条裙子,并穿着在一个虚拟模特上,以人体周围生成的排斥力场来模拟碰撞检测。Hinds等将人体模型的上半躯干进行数字化图像处理以获得基础人形,提出了在人体模型上定义一系列位移曲面片的、典型的几何三维服装建模方法,用三维数字化仪取得人体模型上的三维空间点,然后用双3次B样条曲面拟合得到数字化的人体模型,服装衣片被设计成围绕人体模型的曲面,然后将之展开到二维,这些服装衣片是通过几何建模得到的。
此方法计算速度较快,模拟出的服装具有其形态特点,生成的图形具有一定的织物视觉效果,但不能代表特定的服装织物,信捷职称论文写作发表网,仿真效果较差。
2三维人体与腑装的物建模技术
2.1人体
为使三维人体动画仿真效果更佳,AHBarr提出了物理建模思想,将人体的物理特性加入到其几何模型中,通过数值计算对其进行仿真,人体的行为则在仿真过程中自动确定。
物理建模方法具有更加真实的建模效果,能有效地描述人体的动态过程,采用微分方程组的数值求解方法来进行动态系统的计算,计算更为复杂。
2.2织物和服装
服装的物理建模对服装进行三角、网格或粒子划分,通过构造织物对象的结构力学模型,进行能量、受力分析,用计算机图形技术可视化地模拟三维形态,能较真实地模拟柔性物体的特性。物理建模与织物的微细结构有关,需要确定织物物理力学参数。模拟结果与真实织物的接近程度取决于所用的数学模型和计算方法。
由于织物微结构的数学模型各不相同,物理模型可分为连续模型和离散模型两类。计算方法可分为力法和能量法。力法用微分方程表达织物内部微元之间的力,进行数值积分以获取每一时间步长下微元的空间位置,从而得到整个织物在该时间步长下的变形形态。能量法通过方程组计算整片织物的能量,然后移动织物结构内的微元使之达到最量状态,从而确定织物的最终变形形态。通常,能量法多用于织物静态悬垂的模拟,而力法用于动态悬垂的模拟。
2.2.1连续模型
连续模型将织物看作是由大量微元素相集合的连续体,运用研究连续体的力学方法对织物进行力学分析和研究。通常用变形壳体、弯板、薄片、薄膜单元或变形粱单元代表织物的微元。在连续模型中使用有限元方法是目前发展的一个趋势。
最早Shanahan等以材料片/板理论对织物建模。在19世纪80年代,Lloyd采用基于膜元素的有限元模型,Feynman使用弹性片理论,Terzopoulos等基于弹性理论的变形模型,Collier把织物看作正交各向异性的膜元素,采用几何非线性有限元法。2O世纪90年代,Ascough使用简单变形梁元素,Yamazaki等在粱元素基础上,加入外部力。2000年后,Kang等提出基于连续壳理论的显式动态有限元分析方法实现了一套三维服装悬垂形状预言快速反应系统,JinlianHu等提出有限体积法(FVM)。
在目前的使用中,织物的微观非连续结构与有限元素的分割尺寸相比很小,将织物看作连续体,并忽略织物在微元水平内的相互作用,在一定范围内具有合理性。即使是如此简化,连续模型的计算量仍相当大,计算过程繁琐耗时,不能用于服装的实时仿真。
2,2.2离散模型
织物是由大量纤维、纱线形成的复杂结构体,是非连续的,宜使用离散的方法建立模型。1994年Breen等提出采用相互联系的粒子系统模型模拟织物的悬垂特性,1996年Eberhardt等发展了Breen的粒子模型,体现了织物的滞后效应,增加了风动、身动等外力对服装面料的影响。在粒子系统的基础上,由Provot和Howlett先后提出的质点一弹簧模型结构简单,容易实现,计算效率较高,取得了较好的应用效果。该模型将服装裁片离散表达为规则网格的质点~弹簧系统。每一个质点与周围相连的若干个质点由弹簧相连,整个质点一弹簧系是一个规则的三角形网格系统。Desbrun等对质点~弹簧模型加以延伸、扩展和改进,综合显式、隐式积分,提出一种实时积分算法,可实现碰撞和风吹等检测和反应。刘卉等也用改进的质点一弹簧模型完成了模拟服装的尝试。