[发明专利]一种动态布料仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维织物动态仿真技术领域，特别是涉及到用一种动态布料仿真方法。

背景技术

由于柔性织物真实感仿真技术的广泛应用背景，因而吸引了众多计算机图形学家和纺织学家为此进行深入研究，他们分别从不同角度，采取多种研究方法进行研究，并已取得了一定的进展。从目前的研究结果来看，对织物仿真的建模有如下一些方法。

Jerry Weil采用余弦曲线及草几何变换模拟悬垂布料。将布料悬挂在一些约束点上，利用悬链线计算布料自由悬挂时的形状，根据实际需要，通过对悬链线和约束点构成的三角形不断细分产生织物皱褶，取得了较好模拟效果。但该方法只能模拟悬垂织物的外形，无法反映织物的真实属性。

B.K.Hind利用纯几何变换进行织物形态模拟。构造了基于等距面的交互服装设计系统，将服装作为一组围绕人体模型连接在一起的衣片进行生成。服装的褶皱通过参数上附加调和函数(正弦曲线等)产生。然而这种方法仅适用余合体服装的三维涉及，当涉及宽松服装时，直线与褶皱成为主要因素，此时该方法不能正确定义服装曲面，而且没有考虑服装织物的物理性质，不能真实展现服装质感和悬垂感。

针对几何模拟技术的缺陷，基于物理和能量特性的织物模拟仿真方法得到人们的广泛重视。尽管模拟计算复杂度很高，但该方法不仅能够反映柔性织物的外形特征，而且通过对柔性织物的内部结构的深入分析，可以得到较为逼真的织物空间状态。

Breen提出了织物的粒子模型(Particle Model)，该模型假设织物是一种不连续的物质，织物的经线与纬线每个交叉点被视为一个粒子，所有这些粒子集合的整体构成织物，织物的物理特性由粒子与邻近的四个粒子间的相互作用决定。采用能量最小化原理，求解织物最小能量状态，即最终平衡的状态。

Terzopoulos在薄板弹性变形方程基础上提出了对所有弹性体都适用的通用形变模型(Elastically Deformation Model)。把物体形状和运动的描述统一起来，该模型采用拉格朗日运动学方程描述变形体的机械运动。

Provot采用弹簧-质点模型来模拟柔性织物。织物首先被离散为规则的四边域网格，网格交点为质子，质子间以无质量弹簧相连。运用牛顿运动定律，给出运动方程。由于利用线性形变的弹簧去模拟非线性的织物形变，会出现失真情况，Provot采用了基于反演动力学的直接修正法，解决了该问题。

基于物理和能量特性的织物模拟仿真方法，常常要涉及到大量复杂微分方程组的求解，成为影响仿真效率的主要问题，研究人员提出了各种积分方法来解决这一任务。显式积分方法简单灵活，易于实现，但受稳定因素影响，无法实现具有刚性特征的织物动态模拟；隐式积分方法稳定性好，却忽略了非线性因素，而且计算复杂，直接影响到仿真的最终结果和实际效率。因此需要一种考虑系统受力形变的线性和非线性特征，最大限度地利用了时间域和空间域上的模拟局部参数，协调好计算效率和布料系统模型的稳定性方法。

发明内容

本发明要解决现有动态布料仿真方法存在仿真散乱失真现象、仿真效果差的问题，提供了一种仿真效率好、不存在失真现象的动态布料仿真方法。

本发明的技术方案：

一种动态布料仿真方法，其步骤如下：

1、构建布料的物理模型，布料模型是基于质点-弹簧模型的粒子系统，将布料抽象成一个由m×n个虚拟质点组成的网格，网格中每一个质点与其周围相邻的四个质点通过刚性的结构弹簧相连，与其对角线上的质点之间则通过刚性较小的剪切弹簧相连，质点与其空间上间隔一点相邻的质点间则通过非线性的弯曲弹簧相连；

布料的类型和运动取决于质点间的弹簧力和布料的拓扑结构，布料受到的作用力与其运动状态的关系可以由动力学方程来表示，如下式：