一種虛擬服裝的實時物理建模方法
2023-11-03 12:24:07 1
專利名稱：一種虛擬服裝的實時物理建模方法
技術領域：
本發明涉及計算機圖形三維仿真領域，尤其涉及一種虛擬服裝的實時物理建模方法。
背景技術：
隨著科技的進步，服裝模擬和布料仿真在技術領域的應用越來越多，這些應用遍及製造領域、動畫仿真領域、遊戲領域甚至醫學領域。製造領域，如服裝製造業的成衣造型，需要精確地對布料進行仿真和模擬，配以角色服裝的直觀展示效果，為客戶提供良好的體驗；動畫仿真領域，如電影特效的製作，有些鏡頭需要模擬角色穿著服裝的效果，以獲得震撼的特效果；遊戲領域，在人們越來越追求逼真效果的背景下，穿著服裝的角色更能體現交互環境下的良好場景；醫學領域，由於布料的模擬仿真技術也可運用於柔體的建模，如器官和組織，因此在醫學仿真手術等環境下也有很好的應用。 目前針對服裝的物理建模技術主要以下兩種
I.直接建模法
該建模方法不受設備的影響，只要有相應的幾何建模工具即可在任意環境中採用，因此使用頻率較高。這一建模方法主要優點有因其直接將幾何模型轉化為物理模型，減少了建模時間，可有效保證建模效率。在非常強調建模時間的應用場景下，該方法有明顯優勢。但由於該方法直接將幾何模型轉化為物理模型，大大增加了物理模擬中的冗餘項，造成模擬過程中的效率很低，因此這一方法又只適用於模擬要求不高的應用環境，如離線物理模擬和仿真等環境。2.間接建模法
該建模方法受設備影響，需要在圖形掃描設備的配合下建立，因此使用頻率不高。這一建模方法的主要優點有建模的模擬效率高，可以很好保證仿真的正確進行。但其缺點也是明顯的，由於建模過程存在掃描、模擬量處理和模型建立，因此其物理建模時間較長。因此，當前迫切需要一種虛擬服裝的實時物理建模方法。這一方法既能保證模擬效率的前提下，又能有比較迅速的物理建模過程。同時，支持角色服裝的物理映射和多種模型彈簧的模擬仿真。
發明內容
本發明的目的是提供一種虛擬服裝的實時物理建模方法，其從幾何建模開始，直到物理建模完成，都能有一個良好的效率。該物理模擬過程既能保證模擬效率的前提下，又能有比較迅速的物理建模過程。同時，該物理建模過程還支持角色服裝的物理映射和多種模型彈簧的模擬仿真。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種虛擬服裝的實時物理建模方法，包括以下步驟
步驟(I)，建立二維空間服裝的幾何模型，並對二維空間服裝的幾何模型進行規格化處
理；步驟(2)，根據二維空間服裝的幾何模型建立三維空間映射關係，並進行面向服裝物理建模的預處理；
步驟(3)，在二維空間內對幾何模型進行三角形點的融合處理，用以建立基本物理模
型；
步驟(4)，在三維空間內對幾何模型進行三角形對間的合併處理，用以建立完整物理模
型； 步驟(5)，根據角色模型數據點和服裝的映射關係，建立人體收斂服裝模型。最好步驟在所述的步驟(I)中，規格化處理具體方法為對服裝幾何模型的拓撲結構進行調整，使其符合物理模擬要求。最好步驟在所述的步驟(2)中，首先將步驟(I)建立的二維空間服裝的幾何模型中的每一質點通過矩陣映射關係映射至三維空間，並建立相應三維空間的服裝模型；然後依據人物模型特點，對相應三維點進行微調，保證服裝模型和角色人物模型保持空間一致性；最後，根據已知的三維模型數據建立基本模擬微分方程迭代條件函數，為實時建模做準備。最好步驟在所述的步驟(3)中，首先根據步驟(2)中的幾何模型建立質點-彈簧模型索引點，並對幾何模型的三角形數據建立針對點的物理模擬領接表；然後，在二維空間內，在物理模擬領接表內對每一個三角形面片點搜索並進行冗餘比較；最後，對搜索出的冗餘項進行冗餘融合操作，建立索引表，並根據索引表建立結構彈簧物理模型和剪切彈簧物理模型。最好步驟在所述的步驟(4)中，首先根據上述建立好的物理模擬領接表，建立彎曲彈簧比較數組；然後根據彎曲彈簧比較數組和幾何模型建立搜尋彎曲彈簧節點的第一對照表，形成冗餘的彎曲彈簧三角形對數據，並進行合併操作，建立第二對照表；最後根據第二對照表建立彎曲彈簧物理模型。最好步驟在二維平面內，實時去除結構彈簧物理模型和剪切彈簧物理模型中三角形面片點的冗餘物理連接關係，建立適合於物理仿真模擬的單質點-單彈簧模型，保證實時模擬中，橫向和縱向的物理模擬效果。最好步驟彎曲彈簧物理模擬關係的建立，首先在三維空間中，遍歷每一模擬質點模擬關係中的對應點，確定潛在的物理映射關係；然後針對遍歷點和模型三角形對進行過濾操作，降低映射冗餘項；最後建立第二對照表，並建立輸出彎曲彈簧關係點，保證實時模擬中，運動中的的物理模擬效果。綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是既能保證模擬效率的前提下，又能有比較迅速的物理建模過程，實時完成物理建模過程，會較以往建模方式得到較大速度提升。同時，支持角色服裝的物理映射和多種模型彈簧的模擬仿真。
本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中
圖I是本發明的流程 圖2是本發明的總體模塊結構框 圖3是幾何模型規格化階段的模塊結構框圖；圖4是針對物理建模的預處理階段模塊 圖5是建立基本物理模型的模塊結構 圖6是建立彎曲彈簧物理模型的模塊結構 圖7是對布料進行點映射的流程圖。
具體實施例方式本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只 是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。參見圖1，是本發明一種虛擬服裝的實時物理建模方法的流程圖。該方法首先輸入需要輸入角色動畫數據和服裝模型數據；接著在二維空間，建立服裝初始化數據，並對初始化數據進行規格化處理，以使其適應場景的需要；然後進入整個方法的核心部分，在核心部分中，首先對幾何模型進行預處理，保證物理建模的正確執行，然後進入基礎建模部分，計算每個質點的對應物理模擬關係，分別建立結構彈簧物理模型和剪切彈簧物理模型，再建立彎曲彈簧物理模型；最後對相應點進行映射計算，保證動畫的模擬真實性。圖2為發明一種虛擬服裝的實時物理建模方法總體模塊結構框圖。下面將結合附圖2，具體介紹本發明系統的幾何建模部件和物理建模部件
幾何建模部件
幾何建模部件主要針對模型的初始化建立過程，分為兩個模塊幾何模型初始化模塊和幾何模型規格化模塊；其中最重要的是幾何模型規格化模塊，參見圖3，顯示了幾何模型規格化階段的模塊結構框圖。在初始化階段主要是完成了對布料幾何模型的創建，其整體步驟為首先讀取服裝模型數據，建立模型的三角形索引和頂點索引，創建頂點數組，完成上述步驟，幾何模型基本建立在二維空間，將二進位模型數據或手繪二維服裝模型通過分析，轉換成相應的幾何數據；然後讀取材質坐標信息，建立模型對應的材質坐標，；最後階段，連接模型對應的模型材質信息和法線信息，用於光照模型。在幾何模型的規格化階段將建立幾何模型的規格化參數，包括模型的極值比例、模型中心參數、模型極值點參數等。並根據載入模型的幾何參數，對原模型進行點更新處理，保證場景中顯示模型的正確。供後續的計算使用。在整個模擬過程中，將建立模型的參數化調整方案。首先計算模型的極值點參數；然後進入計算過程，獲取極值比例，計算模型中心參數；最後更新幾何模型的頂點值，分為局部更新和整體更新兩種。最終完成布料模型的幾何建模。物理建模部件 包括以下模塊
幾何預處理模塊
幾何模型預處理模塊主要功能是更新旋轉和位移參數並對角色模型的人體點進行映射處理，保證物理建模的正確進行。參見圖4。在幾何模型預處理階段完成的布料調整，有兩個關鍵過程1.旋轉調整，位移調整；2.空間映射。其整體步驟為首先初始化位置矩陣和旋轉矩陣，建立相應的調整參數，這些參數包括調整服裝幾何模型的位移值、旋轉值，將ニ維空間中的數據進行三維空間映射，使其符合物理模擬要求；然後更新幾何模型的旋轉量和位移量；最後，進行對應的計算和模擬。在幾何模型預處理階段完成的點映射，其關鍵過程為，對幾何模型的不動點進行定義，並停止其物理模擬屬性，將人體點與服裝點做一対一的點映射處理，保證後續物理模型的正確建立。基本物理模型模塊
基本物理模型模塊主要功能是將上述幾何模型輸入，通過建立兩種布料最基本的彈簧模型，建立起基本物理模型數據，參見圖5。首先建立通過幾何模型的點關係，在ニ維空間，建立質點-彈簧模型索引點，並由此索引點建立領接索引表，領接索引表通過ー個圖關係描述整個幾何模型中的點點關係，整個圖結構是有冗餘數據的。然後通過搜索上述領接索引表，確定節點之間的冗餘關係，建立非冗餘領接表。非·冗餘領接表也是通過一個圖關係描述整個物理模型中的點點關係，整個圖結構是沒有冗餘項的，保證了物理建模的快速進行和模擬的效率。最後通過物理仿真建立結構彈簧物理模型和剪切彈簧物理模型。整個基本物理模型的建立在使用非冗餘領接表的情況下得到了效率的很大提升。彎曲彈簧模型模塊
參見圖6，其功能是根據物理模擬關係，單獨對彎曲彈簧建立物理模型，構成完整的物理模型。彎曲彈簧在三種布料模擬彈簧中主要保證了布料的延展性和可拉伸性，因此彎曲彈簧的良好建立將直接影響服裝模擬的整體效果。但是如果不能很好處理彎曲彈簧的建立問題將會產生很多冗餘項，嚴重影響模擬效率。彎曲彈簧模型模塊主要功能是通過一定的排除算法，在三維空間，快速建立非冗餘的彎曲彈簧，在效率和效果間找到平衡。首先，建立比較數組和領接索引表，並對它們賦予初值，比較數組主要用來搜索不同點的冗餘關係，領接索引表建立了彎曲彈簧的領接關係，其中存在冗餘項；
然後，根據每ー領接關係(在前面的基礎物理模型中已經建立此領接關係表)，分別確定相同領接點、基準點和組內相同點，對相關非冗餘節點進行標記；
最後，根據標記建立非冗餘索引表，此表確定了彎曲彈簧的領接關係，依據此表並建立彎曲彈簧物理模型。映射模型模塊
參見圖7，其功能是根據建立好的物理模型數據進行角色模型數據點的映射，並輸出該模型。首先將所有映射數據點進行物理模擬固定，保證其在模擬過程中的映射關係；然後根據角色模型數據的映射點對服裝模型映射數據點進行更新；最後更新服裝模型的渲染數據域和物理模擬屬性。本發明並不局限於前述的具體實施方式
。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
1.一種虛擬服裝的實時物理建模方法，其特徵在於包括以下步驟 步驟(I)，建立二維空間服裝的幾何模型，並對二維空間服裝的幾何模型進行規格化處理； 步驟⑵，根據二維空間服裝的幾何模型建立三維空間映射關係，並進行面向服裝物理建模的預處理； 步驟(3)，在二維空間內對幾何模型進行三角形點的融合處理，用以建立基本物理模型； 步驟(4)，在三維空間內對幾何模型進行三角形對間的合併處理，用以建立完整物理模型； 步驟(5)，根據角色模型數據點和服裝的映射關係，建立人體收斂服裝模型。
2.根據權利要求I所述的一種虛擬服裝的實時物理建模方法，其特徵在於在所述的步驟(I)中，規格化處理具體方法為對服裝幾何模型的拓撲結構進行調整，使其符合物理模擬要求。
3.根據權利要求I所述的一種虛擬服裝的實時物理建模方法，其特徵在於在所述的步驟(2)中，首先將步驟(I)建立的二維空間服裝的幾何模型中的每一質點通過矩陣映射關係映射至三維空間，並建立相應三維空間的服裝模型；然後依據人物模型特點，對相應三維點進行微調，保證服裝模型和角色人物模型保持空間一致性；最後，根據已知的三維模型數據建立基本模擬微分方程迭代條件函數，為實時建模做準備。
4.根據權利要求I所述的一種虛擬服裝的實時物理建模方法，其特徵在於在所述的步驟(3)中，首先根據步驟(2)中的幾何模型建立質點-彈簧模型索引點，並對幾何模型的三角形數據建立針對點的物理模擬領接表；然後，在二維空間內，在物理模擬領接表內對每一個三角形面片點搜索並進行冗餘比較；最後，對搜索出的冗餘項進行冗餘融合操作，建立索引表，並根據索引表建立結構彈簧物理模型和剪切彈簧物理模型，形成基本物理模型。
5.根據權利要求I所述的一種虛擬服裝的實時物理建模方法，其特徵在於在所述的步驟(4)中，首先根據上述建立好的物理模擬領接表，建立彎曲彈簧比較數組；然後根據彎曲彈簧比較數組和幾何模型建立搜尋彎曲彈簧節點的第一對照表，形成冗餘的彎曲彈簧三角形對數據，並進行合併操作，建立第二對照表；最後根據第二對照表建立彎曲彈簧物理模型，形成完整物理模型。
6.根據權利要求4所述的一種虛擬服裝的實時物理建模方法，其特徵在於在二維平面內，實時去除結構彈簧物理模型和剪切彈簧物理模型中三角形面片點的冗餘物理連接關係，建立適合於物理仿真模擬的單質點-單彈簧模型，保證實時模擬中，橫向和縱向的物理模擬效果。
7.根據權利要求5所述的一種虛擬服裝的實時物理建模方法，其特徵在於彎曲彈簧物理模擬關係的建立，首先在三維空間中，遍歷每一模擬質點模擬關係中的對應點，確定潛在的物理映射關係；然後針對遍歷點和模型三角形對進行過濾操作，降低映射冗餘項；最後建立弟~■對照表，並建立輸出彎曲彈黃關係點，保證實時I旲擬中，運動中的的物理I旲擬效果。
全文摘要
本發明公開了一種虛擬服裝的實時物理建模方法，涉及計算機圖形三維仿真領域，包括以下步驟步驟(1)，建立二維空間服裝的幾何模型，並對二維空間服裝的幾何模型進行規格化處理；步驟(2)，根據二維空間服裝的幾何模型建立三維空間映射關係，並進行面向服裝物理建模的預處理；步驟(3)，在二維空間內對幾何模型進行三角形點的融合處理，用以建立基本物理模型。本發明的有益效果在於既能保證模擬效率的前提下，又能有比較迅速的物理建模，實時完成物理建模過程，會較以往建模方式得到較大速度提升。同時，支持角色服裝的物理映射和多種模型彈簧的模擬仿真。
文檔編號G06T17/00GK102682473SQ20121013986
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月8日 優先權日2012年5月8日
發明者劉暢, 盧光輝, 吉祥, 曹躍, 楊帥, 蔡洪斌, 謝彰桓, 邱航, 陳雷霆 申請人:電子科技大學