[发明专利]一种三维服装的粒子化计算机动态仿真方法

摘要

本发明公开了一种三维服装的粒子化计算机动态仿真方法，通过对衣物和人体的物理模型应用层次化建模和粒子化模拟的方法，实现快速并且鲁棒的物理仿真效果。该方法主要包括参数化的人体建模、粒子化人体模型、构建层次化衣物模型、基于粒子的快速碰撞检测算法。本发明在基于位置的仿真方法的基础上进行改进，提出使用网格重构技术，规范化衣物网格自身形态，增加计算过程的鲁棒性；使用不同大小和碰撞属性的粒子，实现快速鲁棒的离散时刻点碰撞检测和处理方法；使用多层次的粒子方法，引入细化表面密铺粒子方法防止穿过现象的出现，较为真实的实现多层衣物的仿真效果；使用带有优先级的约束求解方法，使用更少的迭代次数内实现仿真效果。

主权项

1.一种三维服装的粒子化计算机动态仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，进行参数化的人体建模；步骤2，载入衣物模型并构建对应的层次化网格模型；步骤3，粒子化人体表面网格模型；步骤4，粒子模型自由运动；步骤5，进行衣物自碰撞、多层衣物和人体间的碰撞检测；步骤6，进行约束求解并更新粒子模型状态；步骤1包括如下步骤：步骤1‑1，获取人体表面的特征点和特征尺寸；步骤1‑2，根据获取的特征点和特征尺寸，求出表面型值点；步骤1‑3，对每个人体部位进行分块表面重建，采用插值样条曲面建立每个人体分块部位的曲面构成曲面模型，获得人体部位生成点的法向量；步骤1‑4，通过分块之间的共用控制点，实现各个人体分块部位的曲面模型之间的光顺拼接；步骤1‑5，通过改变骨架点坐标以驱动人体动作实现人体动画，通过改变特征尺寸实现人体体型的改变，骨架点是特征点中人体每个分块部位接合处的点；步骤1‑3包括如下步骤：步骤1‑3‑1，将该人体部位分层，每层都是一条闭合曲线，通过使用插值样条建模，得到每层曲线的控制点，形成该人体部位的控制点矩阵；步骤1‑3‑2，控制点矩阵中的一个元素即为控制点的坐标，将该坐标与一组基函数的值代入插值样条曲面表达式中，求得该人体部位表面任意一个表面点的坐标；步骤1‑3‑3，对该人体部位生成的表面点进行三角网格化得到人体模型的三角面片；步骤1‑4通过重复型值点法实现插值样条曲面的光顺拼接，包括：对于一段曲线的光顺拼接，在一段曲线的首尾接合处各重复两个型值点作为辅助控制点从而实现该段曲线的光顺拼接；对于两段首尾接合的曲线的光顺拼接，则在两条曲线接合处各增加两个辅助控制点，辅助控制点选取与首尾接合处几何距离最近的型值点；对于一块曲面的光顺拼接，将曲面表面法线作为w轴，曲面表面同时垂直于分层闭合曲线和垂直于w轴的方向作为u轴，同时垂直于u轴和w轴的方向为v轴，确定曲面切线空间中u轴、v轴和w轴方向，并通过以下步骤实现在u轴方向上的首尾光顺拼接：在曲面片u轴方向首尾各重复两层v轴方向的型值点作为辅助控制点，将辅助控制点矩阵代入插值样条曲面计算公式；对于有公共交点的不同曲面片的光顺拼接，则取与曲面片交接线的所有点间平均几何距离最近的两层点作为辅助控制点；拼接完成的人体模型即为人体表面网格模型；步骤2包括如下步骤：步骤2‑1，载入衣物模型，所述衣物模型为三角面片组成的网格，模型网格是一个流形，三角面片的卷绕顺序严格满足右手定则，法线指向模型表面外侧，所述衣物模型称为基本网格模型；步骤2‑2，使用网格重构方法对衣物基本网格模型进行预处理，对网格表面重构迭代；在每次迭代过程中，依次查看所有的边，如果边的邻接面中与边对应的两个角度和超过180°，就翻转该边；如果边长长于网格中所有边长的均值的150％，则将边从中点处进行划分；如果边长短于网格中所有边长的均值的50％，则将该边坍缩成一个顶点；达到最大迭代次数后衣物基本网格模型的网格趋向于一个均匀三角网格；步骤2‑3，依据衣物模型的特征，初始化衣物顶点的物理状态；步骤2‑4，根据衣物模型网格表示，加载基于位置的仿真方法所需的约束，这些约束均为固有约束；步骤2‑5，对于衣物上的所有顶点均视作粒子，并设置粒子大小和碰撞属性参数；步骤2‑6，基于现有的衣物的基本网格模型，使用网格细分方法进行网格细分，得出衣物的精细网格模型；步骤2‑7，根据衣物的精细网格表示，加载生成精细褶皱所需的约束，这些约束均为固有约束；步骤2‑4加载基于位置的仿真方法所需的约束，包括：步骤2‑4‑1，加载衣物基本网格的平面内约束，根据每个三角面片添加基于三角形有限元的约束；步骤2‑4‑2，加载衣物基本网格的弯曲约束，用于模拟衣物抵抗弯曲的能力，对于基本模型中的每一条边，即每一对相邻三角网格面，弯曲约束定义为两个相邻三角网格面的夹角，一共包括一对相邻三角面的四个顶点；步骤2‑6对现有的基本网格模型进行网格细分，得出衣物的精细网格模型，包括：步骤2‑6‑1，将基本网格中所有的顶点以及顶点属性全部添加至新的网格模型中；步骤2‑6‑2，对于基本网格中的每一个三角面，生成一组细分网格点，每个网格点通过重心坐标与这个面的三个基本网格点相对应，这三个基本网格顶点称为这个细分网格点的上层顶点；对于每一个生成的细分网格顶点，记录顶点的层次信息，包括顶点的三个上层顶点标识符以及对应的重心坐标；步骤2‑6‑3，对于每一个细分过的基本网格三角面，根据细分顶点的顺序将细分面添加至精细网格中，添加时按照基本网格三角面的卷绕顺序添加细分面，保证细分网格面法线与基本网格面保持一致；步骤2‑7加载生成精细褶皱所需的约束，包括：步骤2‑7‑1，对每个精细网格顶点添加位置约束，使得顶点只在原有位置附近运动；步骤2‑7‑2，对精细网格使用基本的距离约束，即对于每一条精细网格边，对边的两个顶点使用距离约束。