当前课程知识点：服装数字科技 > 第一章 数字化服装设计技术 > 1.2 虚拟服装实现原理 > Video
各位同学大家好
我是北京服装学院的姜延老师
接续上一次课虚拟服装 创意万千
今天我要和大家分享的是
虚拟服装的实现原理
服装大家都不陌生
每天色彩斑斓
造型各异的服装都扮靓我们的生活
可什么才是虚拟服装
上次课我们讲解了前两个问题
什么是虚拟服装
为什么研究虚拟服装
今天我们将进一步说明如何才能实现虚拟服装
也就是解决
How to realize Virtual Clothing
这个问题
虚拟服装是一个多学科交叉的研究课题
涉及到计算机图形学 力学
纺织材料学 服装工程学
服装设计 虚拟现实
等多方面的研究内容
涉及自然科学也涉及艺术
它是我的博士研究课题
今天课堂上
我们仅以最直观的方式
向大家简单介绍一下
虚拟服装的实现原理
在服装缝合之前
它只是简单形状的织物
所以我们就从规则形状织物的
变形效果模拟说起
画面中是大家都非常熟悉的
北京2008奥运会的会旗
从球心引出的射线代表了风力的方向和大小
旗帜在重力和风力的共同作用下产生了变形
加上逼真的纹理映射和光照效果
会让人觉得这就是现实世界中
微风吹拂的旗帜
而事实上
请看
在逼真效果的背后是一张网格
也正是这张网格决定了织物的运动状态
我们称这种织物仿真模型为质点-弹簧模型
Mass-spring model
正是因为受到了平纹织物
经纬向交叉结构的启发
研究者Provot
在1995年提出并实现了
质点-弹簧模型
他将织物离散成许多
质量相同的小点
也就是图中这些蓝色的小球
红色的弹簧
将临近的质点
连接在一起
通过设置合理的弹性系数
就可以表现出不同的织物力学性能
这幅流程图体现了
我们实现织物动态效果模拟的
大致过程
首先是建立质点弹簧模型
也就是刚才视频中
大家所看到那张的绿色网格
初始状态下所有质点的速度为零
空间位置是已知的
接下来我们跟据
牛顿第二定律
牛顿第二定律
进行受力分析
并且列出运动微分方程
接下来利用积分运算
来求解方程
目的是为了获得质点
在下一时刻的速度和空间位置
将质点不同时刻的空间位置
连续地表现在屏幕上
这样我们的旗帜就飘动起来了
具体的我们针对流程图中的
4个最为关键环节
在进行一下重点的讲述
先看第一步建立质点弹簧模型
这里我们建立一个10*10的正方形网格
质点总数为100
假定织物表面各处密度一致
也就是所有质点的质量是相同的
在不同的质点之间起到连接作用的弹簧
有3 种
一种是结构弹簧
Structural Spring
它在横纵两个方向上
起到连接质点的作用
第二种是剪切弹簧
Shear Spring
在正负45度角的方向上连接质点
第三种是弯曲弹簧
Bend Spring
实现了跨越一个质点的连接
三种弹簧共同作用在每个质点上
合力即为该质点所受到的弹力
这里我们使用胡克定律
来计算弹力的大小
需要说明的是
在仿真系统中
我们需要创建两个存储结构
cloth1
用来存储在ti时刻
所有质点的运动状态
另一个cloth2
用来记录下一时刻
也就是ti+1时刻
所有质点的运动状态
为什么要建立两个
一模一样的存储结构
大家可以先记下这个问题
后面我们会给出合理的解释
刚才我们建立了质点弹簧模型
接下来就要对系统
进行受力分析了
质点的受力
遵循经典的牛顿第二定律
F=ma
公式虽然短小
却揭示了自然界中的普遍运动规律
系统中外力包括重力和空气阻力
内力包括弹力和阻尼力
当我们已知受力和质量的时候
是可以求解出加速度a的
系统中质点的运动微分方程
如下所示即质点空间位置X
对于时间的二阶导数
等于加速度a
这是一个二阶微分方程
通过引入变量速度
可以将二阶微分方程转化为一阶的
求解这个方程
我们就可以获得
质点在下一时刻的速度
vi+1
以及它的空间位置
Xi+1
那到底怎么计算
有很多种数值积分方法
这里我们就用
最经典的显示欧拉法为例
欧拉法的公式如下所示
vi+1=vi+ai*h
在这里ti的时刻
vi这个值是已知的
ai可通过F除以M的方式
来计算
h又是一个人为规定的
小时间间隔
所以在ti+1时刻
等号右侧的所有值均为已知
我们可以求得vi+1
同样的道理我们可以求得
ti+1时刻的空间位置
Xi+1
需要说明的是
这里所求解的所有变量
都必须存储在
cloth2当中
当cloth2当中有了一组
新的运动状态后
我们要做的
就是将它移动到
cloth1当中
利用欧拉法
计算一组新的
Cloth2
cloth2
再将其移动到
cloth1当中
在这样的一组大括号里面
所有的内容被不断地重复
也就是我们程序设计中
所说的循环
凭借计算机
高速的运算能力
我们终于实现了
对于织物的动态效果的模拟
那接下来
这布料又怎么就变成服装了
当然要经历一个
虚拟缝合的过程
需要设置
我们衣片上的
缝合点和缝合线
事实上
在仿真系统实现
虚拟服装缝制的过程中
还必须处理很多约束问题
比如衣片之间缝合力的设置
衣片与人体曲面之间的碰撞
风力对于服装的作用效果
等等
总之只有处理好
仿真过程中的每一个细节
展示在人们面前的
模拟效果才会是栩栩如生的
这是我完成的一个仿真程序
上面的参数
clothsimulation
显示的是每秒钟
画面被刷新的次数
这是北京服装学院
完成的研究课题
藏族服饰数字化展示系统
利用数字化技术实现
对传统服饰的
保护与传承
左侧这件斑驳破损的藏袍
来自研究人员辛苦的田野考察
她们多次深入藏区
获得的一手研究资料
但由于年代久远
这件藏袍上出现了
较大面积的污渍和破损
右侧是我们经过纹理修复
及三维重建之后
所实现的虚拟服装
借助虚拟试衣设备
我们可以让更多的人
去了解藏族服饰
感受藏族服饰的魅力
你看
就连这位外国朋友
都忍不住要来体验一下
这是另外的一组藏族服装
男士氆氇藏袍
科学普及
必然成为传统服饰文化
保护与传承的重要环节
下面让我们来小结一下
今天的学习内容吧
这节课我们始终
围绕着如何实现虚拟服装的问题
在讨论
也就是
How to realize Virtual Clothing
简单来说分为四步
第一建立质点弹簧模型
第二利用牛顿第二定律
进行受力分析
第三利用数值积分方法
进行计算
最后以图形化的方式
动态显示计算结果
好
我们今天这节课
就到这里
谢谢大家
-1.1 虚拟服装创意万千
--Video
-练一练
-1.2 虚拟服装实现原理
--Video
-练一练
-1.3 三维服装模拟软件
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-练一练
-1.4 三维服装模拟软件CLO3d应用实例
--Video
--外部链接
-练一练
-1.5 服装计算机辅助设计
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-练一练
-1.6 数字化服装款式设计
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-练一练
-1.7 数字化服装样板设计
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-练一练
-1.8 服装人体数字化
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-练一练
-第一章测试 数字化服装设计技术
-2.1 服装人体工学
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-2.2 功能性纺织品
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-练一练
-2.3 电子纺织品
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-练一练
-2.4 服装3D打印
--Video
-练一练
-第二章测试 服装人体工学及其扩展应用
-3.1 数字化服装定制
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-练一练
-3.2 服装大数据应用
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-练一练
-3.3 服饰文化的数字化传播（上）
--Video
-练一练
-3.4 服饰文化的数字化传播（下）
--Video
-练一练
-第三章测试 信息技术服装行业应用
-4.1 二维服装CAD概述
--Video
-4.2 二维服装CAD常用设计工具
--Video
--html
-练一练
-4.3 二维服装CAD案例应用
--Video
--Video
--Video
--Video
-4.4 二维服装CAD的放码与排料
--Video
--Video
-5.1 三维服装CAD概述
--Video
-5.2 三维服装CAD常用设计工具
--html
--Video
-5.3 三维服装CAD案例应用
--Video
--Video
--Video
--Video
-5.4 三维服装CAD高级应用
--Video
--Video
-本章作业
--综合作业范例
-练一练
-服装数字科技期末考试
