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织物悬垂性静动态视觉仿真及效果评价

纪峰  
【摘要】:悬垂性是影响织物外观美感诸多因素中最重要的因素之一,具有优良悬垂性的织物容易形成良好的视觉效果。因此,在服装企业中,悬垂性能的优劣对于面料的选用和开发具有至关重要的作用。如果能够在计算机中预测或再现面料和服装的动静态悬垂效果,可大大提高面料和服装产品在设计、开发、销售等各环节的效率,也使大规模用户化服装定制成为可能并成为商业化发展的趋势之一。因此,服装面料的悬垂性模拟技术,目前已成为国内外纺织服装设计中所关注和重视的重要研究课题。 计算机技术的快速发展已使三维服装悬垂形态的仿真成为可能。然而因为服装面料的力学性能对服装的悬垂形态有至关重要的影响,因此在对服装进行仿真时,只有将织物模型或模拟计算过程与具体面料的力学特性相结合,才能使模拟的服装能客观、真实地反映实际服装的悬垂特征,即使三维服装仿真技术能够真正地发挥预测的功能。 对织物悬垂形态的模拟国内外自近二十年来已开始发展起来,研究者致力于建立和发展各种基于物理的织物模型以从视觉上对不同类型织物的静态甚至动态的悬垂行为进行模拟。然而,对资料和商业化软件的分析和研究表明,当前的面料仿真技术还远远不能满足要求。主要表现在三个方面:首先,当前的织物物理模型由于过多的理想化条件使模拟织物与实际情况存在较大差距,同时,如何对织物模型进行参数化,多数的研究工作在模型中仍以个别参量来代表织物的某方面特性,从而将织物这一复杂结构体绝对化,更加深了模拟织物与实际织物的差距;第二,模拟精度与计算速度的矛盾使得研究人员的工作往往在对两者的 摘要 折中中进行;第三,由于织物结构的复杂性和悬垂状态的随意性使得当前对织物 悬垂性模拟的评价系统并不完善,缺乏统一标准,尤其是对动态悬垂的模拟和表 征尚需进一步探索。 织物面料悬垂性的仿真工作一直是在两个各具侧重点却又相互影响、相互交 叉的领域内进行:计算机图形学领域和纺织工程CAD领域。两个领域内的研究 者从自己的目标出发己构造了各具特点的织物结构模型。其中,从表达织物微观 结构出发而构造的粒子一弹簧系统模型最初在计算机图形学领域内用于柔性、不 规则材料的模拟,在20世纪90年代经Breen,Provot等人引入织物悬垂性仿真 领域后,由于其在织物物理建模中的灵活性以及可实现更为快速的模拟计算,逐 渐在织物悬垂形态的仿真方面发挥愈加强大的作用。由于织物结构的复杂性以及 研究者对织物进行模拟的侧重点不同,粒子一弹簧模型本身也在不断的发展和完 善中。 论文的任务是用计算机模拟织物及人体着装时服装面料的静动态悬垂效 果,使观测者能够感受到不同服装面料独特的视觉悬垂风格。 论文的重点在于采用改进的粒子一弹簧模型来表达织物内部结构,并实现 织物静、动态视觉悬垂形态的模拟。作为论文的创新点之一,改进的粒子一弹簧 模型能够更加合理、准确地体现不同类型面料的物理力学特性。在模型中,将对 织物悬垂性影响显著的物理力学特性包括单位面积重以及拉伸、弯曲、剪切等进 行了抽象表达:以粒子质量来体现织物的单位面积重,以结构、剪切和弯曲三类 弹簧的作用力分别体现织物内部对伸展、剪切及弯曲等变形的抵抗作用。在织物 的悬垂过程中,内部任一微单元的剪切变形往往与起拱、弯曲等变形同时存在, 呈现复杂的空间状态,较规则的平面剪切变形复杂得多。改进的粒子一弹簧模型 摘要 在每个微单元内以两个空间剪切弹簧的伸缩变形来表达该微单元在织物悬垂过 程中的剪切变形,从而将这一空间问题简化为两个一维问题。 改进的粒子一弹簧模型在参数化过程中,根据st.venant定理结合KES系 统的拉伸实验测试数据计算结构弹簧的应力一应变关系曲线;对剪切弹簧力的计 算采用了KES系统在450斜向的拉伸实验数据,因此更适合在三维悬垂中织物 的剪切变形特征;采用基于空间几何的方法,结合织物在KES弯曲测试中表现 出的弯矩一曲率关系计算弯曲弹簧的应力一应变关系曲线,从而使模拟过程和模 拟结果能够体现不同类型面料的静态和动态的悬垂风格。 模型的参数输入之前,对KES系统的测试曲线进行数学公式拟合,论文提 出了基于最小二乘法的分段二次多项式拟合法。与前人方法相比,这一方法既保 证了对实验数据逼近的精度,又保证了模拟计算的速度。该数值方法在理论上及 应用于本课题的实践中,都证明是可行的。 在模拟服装穿着在人体上的悬垂效果时所遇到的关键或瓶颈问题之一是人 体一服装和服装一服装之间的碰撞检测问题。论文提出一种最小包围盒法来检测 并解决两类碰撞问题。包围盒法是一种基于空间几何的碰撞检测算法,其中层次 包围盒法己被广泛用于碰撞的检测和处理问题。本论文提出的最小包围盒法解决 了层次包围盒的臃肿与繁琐,在处理细节问题上显得更为灵活和稳健。最小包围 盒法的核心是采用简单、规则的空间几何体对人体数据进行逼近和包围,并替代 人体皮肤表面参与同织物粒子的碰撞检测和处理问题。该方法算法简洁,可显著 地降低计算量,在本论文的应用中得到令人满意的人体着装模拟效果。 当前对织物悬垂性模拟结果的评价方法研究还局限于感性、片面的层次上, 难以满足要求。


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