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虚拟穿衣中织物模型的建立和碰撞检测的处理

作者:不详  来源:不详  发布人:admin  发布时间:2005-10-16 19:58:02

作者:高成英 刘宁 罗笑南
   摘 :结合实现静态虚拟穿衣中实际问题,详细地介绍了基于弹簧质点模型织物变形模型和基于AABB层次包围盒碰撞检测算法。借助层次空间分解法思想,将缝合衣片相对位置同人模自身结构信息相结合,灵活地构造人模AABB树,减少了不相交元素碰撞检测次数,从而提高了算法效率。最后还给出了实现整个虚拟穿衣过程具体步骤。关键词:织物变形仿真;弹簧质点模型;碰撞检测;空间分解法;层次包围盒法;显式欧拉方法

   1 前言随着计算机技术和人类社会经济发展,对于纺织服装业CAD/CAM应用求也越来越高,二维服装CAD系统已经不能满足求,人们迫切希望借助计算机完成一些更加实用三维功能。若能直接将二维服装CAD系统设计衣片,在计算机上真实地模拟出穿在人体上效果,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。这样就可提高服装从设计阶段到生产阶段间效率,具有非常重实用价值。通过计算机实现这一功能,有两个关键问题必须解决:1)建立合适织物变形模型;2)选择高效而实用碰撞检测算法。

   研究织物变形仿真方法通常分为三类:几何、物理和混合(几何和物理方法混合)。纯几何造型方法很难反映织物物理特性,因此基于物理方法研究,近年来已占据了主导地位。在织物变形物理仿真模型中[1],按比拟织物结构方式又可分为两类:1)离散质点型模型:比较典型有Feynma等建立质点格模型、Breen等建立粒子模型和XProvot等建立弹簧质点模型;2)连续介质型模型:比较典型有Terzopoulos等建立弹性变型模型、Liling等建立空气动力模型、Aono建立波传播模型、Collier等建立有限元模型等。

   以上织物变形物理仿真模型,由于其建模原理和方法不尽相同,因此,它们适用于不同应用场合有其各自优缺点。

   们结合设计虚拟穿衣功能实际,认为XProvot所建立弹簧质点模型,模型简单,易于计算机实现,在模拟衣片复杂动态变形过程时,能够取得比较真实模拟效果和较快模拟速度。

   在模拟三维服装穿在人体上真实效果时,会遇到碰撞现象:衣片同人模之间以及衣片自身间一种相互渗透和穿越。只有很地解决了渗透和穿越问题,才能逼真地完成虚拟穿衣模拟过程。因此,碰撞检测是整个模拟过程关键。碰撞检测非常耗时,最简单碰撞检测算法是对两个碰撞体中所有基本几何元素(通常为三角形)进行两两相交测试。

   现有碰撞检测算法致可划分为两类: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小单元格,只对占据同一单元格或相邻单元格几何对象进行相交测试。比较典型方法有八叉树和BSP树。层次包围盒法核心思想是利用体积略而几何特性简单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,才对其所包裹对象,做进一步求交计算。在构造碰撞体包围盒时,若引入树状层次结构,可快速剔除不发生碰撞元素,减少量不必相交测试,从而提高碰撞检测效率。比较典型包围盒类型有沿坐标轴包围盒AABB(axisalignedboundingboxes),包围球(sphere),方向包围盒OBB(orientedboundingbox)等。

   在本文中,们充分利用了AABB层次包围盒法优势,同时在构建静态人模AABB树时,又借助层次空间分解法中子空间在空间排列上有序性和相关性思想,将缝合衣片相对位置同人模自身结构信息相结合,灵活地构造人模AABB树,这样减少了需相交测试元素,从而提高了碰撞检测效率。

   2 织物变形模型

   2.1 织物变形模型描述

   们建立织物变形模型是以XProvot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,具体构成图1所示。图1 织物模型离散成规则

   1)结构弹簧:在质点Pij和Pi+1,j间,以及Pij和Pi,j+1间弹簧为结构弹簧,结构弹簧是为了保持质点间初始状态时距离。

   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变形,而给织物一个剪切刚性。3)弯曲弹簧:在质点Pij和Pi+2,j间,以及Pij和Pi,j+2间弹簧为弯曲弹簧,弯曲弹簧是为了防止织物弯曲。2.2 质点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位移,质点位移们选用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)质量。在本文中,们假定布料是各向均质,因此,质点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)是该点所受外力,F内力(i,j)是该点所受内力。为了简化模型,在们三维服装CAD系统中,只考虑两种外力:缝合力和重力。可以用以下公式来表示:F外力(i,j)=F缝合力(i,j)+F重力(i,j)

   在衣片缝合过程中,为了将不同衣片缝在一起,们在衣片对应缝合边上加载缝合力。在模型中,缝合力被定义成对应缝合点之间距离线性函数。对两个缝合点pi,j和qi,j间缝合力,可以按下公式计算:F缝合力(i,j)=Cs Dis(pi,j,qi,j) Npi,j-qi,j式中Cs为缝合力系数,该系数与织物缝合性能有关,通常,较难变形布料采用较缝合力系数;Dis(pi,j,qi,j)表示两缝合点pi,j和qi,j间距离;Npi,j-qi,j表示从pi,j点指向qi,j点单位方向矢量。为了获得较真实仿真效果,们在变形模型中考虑了衣片所受重力。质点所受重力可按下公式计算:F重力(i,j)=mi,j g式中mi,j为质点pi,j质量。在弹簧质点模型中,唯一考虑弹性内力是弹簧弹性变形力,由于采用是理想弹簧质点系统,可以利用胡克(Hooke)定律来计算弹簧弹性变形力:F内力(i,j)=-∑(k,l)∈Rk(Pi,jPk,l-‖Pi,jPk,l‖0Pi,jPk,l‖Pi,jPk,l‖)  其中,k是弹簧弹性变形系数,R是P(i,j)邻点集合,‖Pi,jPk,l‖0表示质点P(i,j)与质点P(k,l)之间原始距离,弹簧弹性变形系数k可以? 谰菟∮弥锏牟牧闲阅懿问呷范ā?/P>

   2.3 织物变形模型求解们选择显式欧拉方法来求解织物变形模型。求解公式下:ai,j(t+△t)=1mi,jFi,j(t)Vi,j(t+△t)=Vi,j(t)+△tai,j(t+△t)Pi,j(t+△t)=Pi,j(t)+△tVi,j(t+△t)其中,Fi,j是质点P(i,j)所受所有力合力,mi,j(t)是质点P(i,j)质量,ai,j(t)、Vi,j(t)和Pi,j(t)分别是质点P(i,j)在时间t加速度,速度和位置。△t是系统选定时间步长。

   3 基于AABB树层次包围盒碰撞检测

   3.1 建立AABB树一个碰撞体AABB被定义为包含该碰撞体,且边平行于坐标轴最小六面体。因此,描述一个AABB,仅需六个标量。在构造AABB包围盒时,需沿着碰撞体局部坐标系统轴向(X,Y,Z)来构造,所以所有AABB包围盒具有一致方向。

   AABB树是基于AABB二叉树,按照由上至下递归细分方式构造生成。在每一次递归过程中,求取最小AABB,需沿所选择剖分面将碰撞体分为正负两半,并将所对应原始几何元素(三角面)分别归属正、负两边,整个递归过程类似于空间二叉剖分,只是每次剖分对象是AABB,而不是空间区域。递归细分一直进行到每一个叶子节点只包容一个原始几何元素为止,所以具有n个原始几何元素AABB树具有n-1个非叶子节点和n个叶子节点。对于剖分面选择,在本文中,选择垂直AABB最长轴,且平分该轴平面。经试验证明,这种方式,在多数情况下算法复杂度仅为O(nlogn),较其它剖分面选择方法有了极提高。至于原始几何元素归属则应依据几何元素重心P在最长轴上投影坐标。若投影坐标于剖分面坐标(mid),则在剖分面正向,否则在负向,图2所示。    图2 三角面归属负区域,因为其质心投影坐标小于剖分面基准坐标

   3.2 AABB相交判断AABB间相交测试比较简单,两个AABB相交当且仅当它们在三个坐标轴上投影区间均相交。通过投影,们即将三维求交问题转化为一维求交问题。而对一维求交问题,们则采用SAT(SeparatingAxesTest)[2]法。因SAT无需求交计算,只需比较两个包围盒分别在三个轴向上投影重叠情况,即可得出相交测试结果,非常简单。现以在一个轴向上投影情况为例说明:图3 AABBs在X轴向相交判断。

   设A,B为两包围盒,X为投影轴,CA,CB分别为A,B中心点,PA,PB为点CA,CB在X上投影。RA,RB分别为包围盒A,B在X上投影。若RA+RB

  PAPB,(图3所示)则在轴向X上A和B不相交,反之在轴向X上A和B邻接或相53第5期高成英等:虚拟穿衣中织物模型建立和碰撞检测处理  交。当包围盒A,B在三条轴向上投影均相交时,则A,B相交。定义AABB六个最最小值分别确定了它在三个坐标轴上投影区间,因此AABB间相交测试最多只需六次比较运算,非常简单快速。

   3.3 AABB树更新当衣片移动、旋转后,需对AABB进行更新,根据定义AABB6个最最小值组合,可以得到AABB8个顶点,对这8个顶点进行相应旋转和平移变化,并根据变化后顶点计算新AABB。当衣片发生变形时,需重新计算AABB树中发生变形了叶结点AABB,再利用变形叶节点新AABB来重新计算它们父节点AABB。这种计算必须严格按照从下到上方式进行。父节点AABB具体求法为:令(Xmax1,Xmin1,Ymax1,Ymin1,Zmax1,Zmin1)和(Xmax2,Xmin2,Ymax2,Ymin2,Zmax2,Zmin2)分别是两个变形叶结点AABB,则父结点AABB即为(max(Xmax1,Xmax2),min(Xmin1,Xmin2),max(Ymax1,Ymax2),min(Ymin1,Ymin2),max(Zmax1,Zmax2),min(Zmin1,Zmin2),只需6次比较运算就完成一个结点更新,其效率远远高于重新构造AABB包围盒树。

   3.4 基于AABB树碰撞检测算法基于AABB树碰撞检测算法核心是通过有效地遍历这两棵树,以确定在当前位置下,两个碰撞体某些部分是否发生碰撞,这是一个双重递归遍历过程。算法描述下:step1:分别为人模和衣片构造AABB树。step2:人模AABB树根结点遍历衣片AABB树。果发现人模AABB树根结点包围盒与衣片AABB树内部结点包围盒不相交,则停止向下遍历;果遍历能到达衣片AABB树叶节点,再用该叶节点遍历人模AABB树。果能到达人模AABB树叶节点,则进一步进行基本几何元素间相交测试。step3:检测基本几何元素间是否相交。3.5 自碰撞检测在衣片缝合过程中,除了衣片同人模之间碰撞外,由于衣片动态变形,使得衣片与衣片自身间也有碰撞现象,因此必须进行进一步自相交检测。在系统设计中,们利用三角形表面曲率来简化计算。当邻近三角形法线夹角较小时,它们不可能发生碰撞,只有当夹角超过阈值,才有可能碰撞。们为每个三角形建立它临近三角形列表,通过判断每个三角形所有邻近区域三角形表面曲率,来排除部分不可能相交情况,从而简化了计算。

   4 虚拟穿衣具体实现步骤

   (1)读入二维服装CAD系统设计衣片

   (2)选择所有需缝合衣片对应缝合边

   (3)将二维衣片离散并形成初始弹簧质点系统a)将衣片离散成规则四边域格,再将四边域对角线相连,形成规则三角形弹簧质点系统。三角形顶点形成质点,三角形边形成相应弹簧。衣片三角化,正是为方便地建立衣片AABB树;b)按质点间相应关系,加入各种弹力。在离散衣片时,需特别注意是在(2)中所选择对应缝合边长度一定相等,且当衣片离散化时,在对应缝合边上原始几何元素(这为三角形)个数也应相同。若在(2)中所选择对应缝合边长度不等,或原始几何元素个数不同时,系统将需做一些预处理:将其中一条缝合边所有信息删除,将另一条缝合边相应信息赋给它。

   (4)将衣片交互式地放置在人体模型附近初始位置在该步骤中,首先,给每一缝合衣片赋一个别名(系统自定义标准别名:左前片,右前片,左后片,右后片等),根据每一衣片别名,衣片被自动地放置在人体模型附近相应初始位置上。

   (5)分别为人模和衣片建立AABB树本文中所涉及两个碰撞体,分别为人模和衣片,其中人模在整个动态模拟过程中为静态,因此,只需在初始化时构造一次AABB树即可。为了进一步提高碰撞检测效率,们在构造人模AABB树时,应根据(4)中得到缝合衣片别名,结合人模几何结构,灵活构造人模AABB树。例:假设们在(4)中,得到衣片分别为:左前片,右前片,左后片,右后片。们即可知,将缝合为一件四片裁剪片上衣,所以在构造人模AABB树,们只取人模上半身数据来构造人模AABB,具体层次结构图4所示。在进行人模和衣片间碰撞检测时,根据衣片别名分别进行局部检测,(例:左前片,就只需和人模AABB树第三层最左边结点,左前半身AABB进行碰撞检测)有效地减少了需碰撞检测元素。系统根据所缝合衣片不同,建立人模AABB树亦不相同。图4 人模AABB树层次结构图

   (6)动态变形模型计算根据衣片缝合信息,们在衣片对应缝合边上加载缝合力。在缝合力、重力和衣片上各质点间内部弹力共同作用下,二维衣片将逐步变形,并逐渐被缝合在一起,整个缝合过程是一个动态迭代过程。在动态迭代过程中,同时进行人模—衣片间,及衣片—衣片间碰撞检测处理,并给出相应碰撞响应(当有碰撞现象发生时,重新调整碰撞点处位置,避免发生穿越和渗透)处理。缝合过程结束后,便可以得到缝合三维服装穿在静态人模上效果。

   5 结束语实验证明,本文所采用织物变形模型———弹簧质点模型,模型简单,能够较真实地反映虚拟环境下织物特性。所采用基于AABB层次包围盒碰撞检测算法,除了AABB层次包围盒自身在碰撞检测上较高性能外,算法还从以下几方面提高了碰撞检测效率:

   1)将缝合衣片相对位置同人模自身结构信息相结合,灵活地构造人模AABB树,减少了人模和衣片之间不可能相交元素碰撞检测次数;

   2)AABB包围盒相交判断中,采用SAT方法进行包围盒之间交叠判断,降低了算法复杂度,提高算法效率。

   3)衣片之间碰撞判断,利用了每个三角形相邻区域三角形表面曲率来简化求交判断。

   参考文献

   [1] 张庆丰,乐清洪,马泽恩.织物变形物理仿真技术[J].计算机辅助设计与图形报,2001,(5):449-454.[2] LouchetJ.,ProvotX.,etal.Evolutionaryidentificationofclothanimationmodels[A].TerzopoulosD.,ThalmannD.,eds.ProceedingsoftheComputerAnimationandSimulation′95[C].NewYork:Springer-Verlag,1995.44-54.[3] CarignanM.,YangY.,MagnenatThalmannN.Dressinganimatedsyntheticactorswithcomplexdeformableclothes[A].ComputerGraphics(Proc.SIGGRAPH)[C],1992,26(2):99-104.[4] VandenBergenG.EfficientCollisionDetectionofComplexDeformableModelsusingAABBTrees[J].JournalofGraphicsToo? 欤螅?997,2(4):1-14.[5] VolinoP.,MagnenatThalmannN.EfficientSelf-collisionDetectiononSmoothlyDiscretizedSurfaceAnimationsUsingGeometricalShapeRegularity[J].ComputerGraphicsForum,(EuroGraphicsProc.),Blackwell,UK,1994,13:155-166.[6] DesbrunM.,GascuelM.P.Smoothedparticles:anewparadigmforanimatinghighlydeformablebodies[A].Thalmannded.ProceedingsoftheComputerAnimationandSimulation′96[C].NewYork:Springer-Verlag,1996.61-76.第22卷第5期2002年5月计算机应用ComputerApplicationsVol.22,No.5May,2002.

 
 
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