[物理论文]拟穿衣中织物模型的建立和碰撞检测的处理 .

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1、[物理论文]拟穿衣中织物模型的建立和碰撞检测的处理.;1　前言随着计算机技术和人类社会经济的发展,对于纺织服装业ｃａｄ/ｃａｍ的应用要求也越来越高,二维服装ｃａｄ系统已经不能满足要求,人们迫切希望借助计算机完成一些更加实用的三维功能。若能直接将二维服装ｃａｄ系统设计的衣片,在计算机上真实地模拟出穿在人体上的效果,便可以帮助设计师直接在计算机上进行着装效果检查、服装裁剪片缝合检查等工作。这样就可大大提高服装从设计阶段到生产阶段间的效率,具有非常重要的实用价值。要通过计算机实现这一功能,有两个关键的问题必须解决:1)建立合适的织物变形模型;2)

2、选择高效而实用的碰撞检测算法。58F(_&€}FPLuqW![州学习语言教育物理化学.gzU521.]58F(_&€}FPLuqW!研究织物变形仿真的方法通常分为三类:几何的、物理的和混合的(几何和物理方法的混合)。纯几何的造型方法很难反映织物的物理特性,因此基于物理的方法研究,近年来已占据了主导地位。在织物变形物理仿真模型中[1],按比拟织物结构的方式又可分为两大类:1)离散质点型模型:比较典型的有ｆｅｙｎｍａ等建立的质点格模型、ｂｒｅｅｎ等建立的粒子模型和ｘｐｒｏｖｏｔ等建立的弹簧质点模型;2)连续介质型模型:比较典型的

3、有ｔｅｒｚｏｐｏｕｌｏｓ等建立的弹性变型模型、ｌｉｌｉｎｇ等建立的空气动力模型、ａｏｎｏ建立的波传播模型、ｃｏｌｌｉｅｒ等建立的有限元模型等。以上的织物变形物理仿真模型,由于其建模的原理和方法不尽相同,因此,它们适用于不同的应用场合有其各自的优缺点。我们结合设计虚拟穿衣功能的实际,认为ｘｐｒｏｖｏｔ所建立的弹簧质点模型,模型简单,易于计算机实现,在模拟衣片复杂的动态变形过程时,能够取得比较真实的模拟效果和较快的模拟速度。在模拟三维服装穿在人体上的真实效果时,会遇到大量的碰撞现象:衣片同人模之间以及衣片自身间的一种相互渗透和穿越。只有很好地解

4、决了渗透和穿越的问题,才能逼真地完成虚拟穿衣的模拟过程。因此,碰撞检测是整个模拟过程的关键。碰撞检测非常耗时,最简单的碰撞检测算法是对两个碰撞体中的所有基本几何元素(通常为三角形)进行两两相交测试。现有的碰撞检测算法大致可划分为两大类:空间分解法(ｓｐａｃｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ),和层次包围盒法(ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｂｏｕｎｄｉｎｇｖｏｌｕｍｅｓ)。前者是将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元格,只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。比较典型的方法有八叉树和ｂｓｐ树。层次包围盒法的核心思想是利用体积略大而几何特性简单

5、的包围盒将复杂几何对象包裹起来,在进行碰撞检测时,首先进行包围盒之间相交测试,只有包围盒相交时,才对其所包裹的对象,做进一步求交计算。在构造碰撞体的包围盒时,若引入树状层次结构,可快速剔除不发生碰撞的元素,减少大量不必要的相交测试,从而提高碰撞检测效率。比较典型的包围盒类型有沿坐标轴的包围盒ａａｂｂ(ａｘｉｓａｌｉｇｎｅｄｂｏｕｎｄｉｎｇｂｏｘｅｓ),包围球(ｓｐｈｅｒｅ),方向包围盒ｏｂｂ(ｏｒｉｅｎｔｅｄｂｏｕｎｄｉｎｇｂｏｘ)等。在本文中,我们充分利用了ａａｂｂ层次包围盒法的优势,同时在构建静态人模的ａａｂｂ树时,又借助层次空间分解法

6、中子空间在空间排列上的有序性和相关性的思想,将缝合衣片的相对位置同人模自身的结构信息相结合,灵活地构造人模ａａｂｂ树,这样减少了需相交测试的元素,从而提高了碰撞检测的效率。2　织物的变形模型2.1　织物变形模型的描述我们建立的织物变形模型是以ｘｐｒｏｖｏｔ的弹簧质点模型作为基础,将织物设想为一个个质点集合,质点间相互关系归结为质点间的弹簧作用。其中弹簧分为三类:结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧,具体构成如图1所示。图1　织物模型离散成规则格1)结构弹簧:在质点ｐｉｊ和ｐｉ+1,ｊ间,以及ｐｉｊ和ｐｉ,ｊ+1间的弹簧为结构弹簧,结构弹簧是为了保持

7、质点间初始状态时的距离。2)剪切弹簧:在质点ｐｉｊ和ｐｉ+1,ｊ+1间,以及ｐｉ+1,ｊ和ｐｉ,ｊ+1间的弹簧为剪切弹簧。剪切弹簧是为了防止织物在自身平面过渡和不真实的变形,而给织物的一个剪切刚性。3)弯曲弹簧:在质点ｐｉｊ和ｐｉ+2,ｊ间,以及ｐｉｊ和ｐｉ,ｊ+2间的弹簧为弯曲弹簧,弯曲弹簧是为了防止织物弯曲。2.2　质点的位移在缝合衣片过程中,衣片上所有质点因受力而产生一定的位移,质点位移我们选用ｎｏｗｔｏｎ运动定律来描述:ｆ外力(ｉ,ｊ)+ｆ内力(ｉ,ｊ)=ｍａ(ｉ,ｊ)其中,ｍ是质点ｐ(ｉ,ｊ)的质量。在本文中,我们假定布料是各向均

8、质的,因此,质点的质量可由衣片总质量除以质点总数得到,ａ(ｉ,ｊ)是该点加速度,ｆ外力(ｉ,ｊ)是该点所受的外力,ｆ内力(ｉ,ｊ)是该点所受的内力。为了简化模型,在我们三维服装ｃ