一种虚拟服装的实时物理建模方法

摘要

本发明公开了一种虚拟服装的实时物理建模方法，涉及计算机图形三维仿真领域，包括以下步骤：步骤(1)，建立二维空间服装的几何模型，并对二维空间服装的几何模型进行规格化处理；步骤(2)，根据二维空间服装的几何模型建立三维空间映射关系，并进行面向服装物理建模的预处理；步骤(3)，在二维空间内对几何模型进行三角形点的融合处理，用以建立基本物理模型。本发明的有益效果在于：既能保证模拟效率的前提下，又能有比较迅速的物理建模，实时完成物理建模过程，会较以往建模方式得到较大速度提升。同时，支持角色服装的物理映射和多种模型弹簧的模拟仿真。

说明书

 技术领域

本发明涉及计算机图形三维仿真领域，尤其涉及一种虚拟服装的实时物理建模方法。

背景技术

随着科技的进步，服装模拟和布料仿真在技术领域的应用越来越多，这些应用遍及制造领域、动画仿真领域、游戏领域甚至医学领域。制造领域，如服装制造业的成衣造型，需要精确地对布料进行仿真和模拟，配以角色服装的直观展示效果，为客户提供良好的体验；动画仿真领域，如电影特效的制作，有些镜头需要模拟角色穿着服装的效果，以获得震撼的特效果；游戏领域，在人们越来越追求逼真效果的背景下，穿着服装的角色更能体现交互环境下的良好场景；医学领域，由于布料的模拟仿真技术也可运用于柔体的建模，如器官和组织，因此在医学仿真手术等环境下也有很好的应用。

目前针对服装的物理建模技术主要以下两种：

1.直接建模法

该建模方法不受设备的影响，只要有相应的几何建模工具即可在任意环境中采用，因此使用频率较高。这一建模方法主要优点有：因其直接将几何模型转化为物理模型，减少了建模时间，可有效保证建模效率。在非常强调建模时间的应用场景下，该方法有明显优势。但由于该方法直接将几何模型转化为物理模型，大大增加了物理模拟中的冗余项，造成模拟过程中的效率很低，因此这一方法又只适用于模拟要求不高的应用环境，如离线物理模拟和仿真等环境。

2.间接建模法

该建模方法受设备影响，需要在图形扫描设备的配合下建立，因此使用频率不高。这一建模方法的主要优点有：建模的模拟效率高，可以很好保证仿真的正确进行。但其缺点也是明显的，由于建模过程存在扫描、模拟量处理和模型建立，因此其物理建模时间较长。

因此，当前迫切需要一种虚拟服装的实时物理建模方法。这一方法既能保证模拟效率的前提下，又能有比较迅速的物理建模过程。同时，支持角色服装的物理映射和多种模型弹簧的模拟仿真。

发明内容

 本发明的目的是提供一种虚拟服装的实时物理建模方法，其从几何建模开始，直到物理建模完成，都能有一个良好的效率。该物理模拟过程既能保证模拟效率的前提下，又能有比较迅速的物理建模过程。同时，该物理建模过程还支持角色服装的物理映射和多种模型弹簧的模拟仿真。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种虚拟服装的实时物理建模方法，包括以下步骤：

步骤(1)，建立二维空间服装的几何模型，并对二维空间服装的几何模型进行规格化处理；

步骤(2)，根据二维空间服装的几何模型建立三维空间映射关系，并进行面向服装物理建模的预处理；

步骤(3)，在二维空间内对几何模型进行三角形点的融合处理，用以建立基本物理模型；

步骤(4)，在三维空间内对几何模型进行三角形对间的合并处理，用以建立完整物理模型；

步骤(5)，根据角色模型数据点和服装的映射关系，建立人体收敛服装模型。

    最好步骤：在所述的步骤(1)中，规格化处理具体方法为：对服装几何模型的拓扑结构进行调整，使其符合物理模拟要求。

    最好步骤：在所述的步骤（2）中，首先将步骤（1）建立的二维空间服装的几何模型中的每一质点通过矩阵映射关系映射至三维空间，并建立相应三维空间的服装模型；然后依据人物模型特点，对相应三维点进行微调，保证服装模型和角色人物模型保持空间一致性；最后，根据已知的三维模型数据建立基本模拟微分方程迭代条件函数，为实时建模做准备。

    最好步骤：在所述的步骤（3）中，首先根据步骤（2）中的几何模型建立质点-弹簧模型索引点，并对几何模型的三角形数据建立针对点的物理模拟领接表；然后，在二维空间内，在物理模拟领接表内对每一个三角形面片点搜索并进行冗余比较；最后，对搜索出的冗余项进行冗余融合操作，建立索引表，并根据索引表建立结构弹簧物理模型和剪切弹簧物理模型。

    最好步骤：在所述的步骤（4）中，首先根据上述建立好的物理模拟领接表，建立弯曲弹簧比较数组；然后根据弯曲弹簧比较数组和几何模型建立搜寻弯曲弹簧节点的第一对照表，形成冗余的弯曲弹簧三角形对数据，并进行合并操作，建立第二对照表；最后根据第二对照表建立弯曲弹簧物理模型。

    最好步骤：在二维平面内，实时去除结构弹簧物理模型和剪切弹簧物理模型中三角形面片点的冗余物理连接关系，建立适合于物理仿真模拟的单质点-单弹簧模型，保证实时模拟中，横向和纵向的物理模拟效果。

最好步骤：弯曲弹簧物理模拟关系的建立，首先在三维空间中，遍历每一模拟质点模拟关系中的对应点，确定潜在的物理映射关系；然后针对遍历点和模型三角形对进行过滤操作，降低映射冗余项；最后建立第二对照表，并建立输出弯曲弹簧关系点，保证实时模拟中，运动中的的物理模拟效果。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：既能保证模拟效率的前提下，又能有比较迅速的物理建模过程，实时完成物理建模过程，会较以往建模方式得到较大速度提升。同时，支持角色服装的物理映射和多种模型弹簧的模拟仿真。

附图说明

   本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的总体模块结构框图；

图3是几何模型规格化阶段的模块结构框图；

图4是针对物理建模的预处理阶段模块图；

图5是建立基本物理模型的模块结构图；

图6是建立弯曲弹簧物理模型的模块结构图；

图7是对布料进行点映射的流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

    参见图1，是本发明一种虚拟服装的实时物理建模方法的流程图。该方法首先输入需要输入角色动画数据和服装模型数据；接着在二维空间，建立服装初始化数据，并对初始化数据进行规格化处理，以使其适应场景的需要；然后进入整个方法的核心部分，在核心部分中，首先对几何模型进行预处理，保证物理建模的正确执行，然后进入基础建模部分，计算每个质点的对应物理模拟关系，分别建立结构弹簧物理模型和剪切弹簧物理模型，再建立弯曲弹簧物理模型；最后对相应点进行映射计算，保证动画的模拟真实性。

图2为发明一种虚拟服装的实时物理建模方法总体模块结构框图。下面将结合附图2，具体介绍本发明系统的几何建模部件和物理建模部件：

几何建模部件

几何建模部件主要针对模型的初始化建立过程，分为两个模块：几何模型初始化模块和几何模型规格化模块；其中最重要的是几何模型规格化模块，参见图3，显示了几何模型规格化阶段的模块结构框图。在初始化阶段主要是完成了对布料几何模型的创建，其整体步骤为：首先读取服装模型数据，建立模型的三角形索引和顶点索引，创建顶点数组，完成上述步骤，几何模型基本建立在二维空间，将二进制模型数据或手绘二维服装模型通过分析，转换成相应的几何数据；然后读取材质坐标信息，建立模型对应的材质坐标，；最后阶段，连接模型对应的模型材质信息和法线信息，用于光照模型。

在几何模型的规格化阶段将建立几何模型的规格化参数，包括：模型的极值比例、模型中心参数、模型极值点参数等。并根据载入模型的几何参数，对原模型进行点更新处理，保证场景中显示模型的正确。供后续的计算使用。

在整个模拟过程中，将建立模型的参数化调整方案。首先计算模型的极值点参数；然后进入计算过程，获取极值比例，计算模型中心参数；最后更新几何模型的顶点值，分为局部更新和整体更新两种。最终完成布料模型的几何建模。

物理建模部件

包括以下模块：

几何预处理模块

几何模型预处理模块主要功能是更新旋转和位移参数并对角色模型的人体点进行映射处理，保证物理建模的正确进行。参见图4。

在几何模型预处理阶段完成的布料调整，有两个关键过程：1.旋转调整，位移调整；2.空间映射。其整体步骤为：首先初始化位置矩阵和旋转矩阵，建立相应的调整参数，这些参数包括：调整服装几何模型的位移值、旋转值，将二维空间中的数据进行三维空间映射，使其符合物理模拟要求；然后更新几何模型的旋转量和位移量；最后，进行对应的计算和模拟。

在几何模型预处理阶段完成的点映射，其关键过程为，对几何模型的不动点进行定义，并停止其物理模拟属性，将人体点与服装点做一对一的点映射处理，保证后续物理模型的正确建立。

基本物理模型模块

基本物理模型模块主要功能是将上述几何模型输入，通过建立两种布料最基本的弹簧模型，建立起基本物理模型数据，参见图5。

首先建立通过几何模型的点关系，在二维空间，建立质点-弹簧模型索引点，并由此索引点建立领接索引表，领接索引表通过一个图关系描述整个几何模型中的点点关系，整个图结构是有冗余数据的。

然后通过搜索上述领接索引表，确定节点之间的冗余关系，建立非冗余领接表。非冗余领接表也是通过一个图关系描述整个物理模型中的点点关系，整个图结构是没有冗余项的，保证了物理建模的快速进行和模拟的效率。

最后通过物理仿真建立结构弹簧物理模型和剪切弹簧物理模型。整个基本物理模型的建立在使用非冗余领接表的情况下得到了效率的很大提升。

弯曲弹簧模型模块

参见图6，其功能是根据物理模拟关系，单独对弯曲弹簧建立物理模型，构成完整的物理模型。弯曲弹簧在三种布料模拟弹簧中主要保证了布料的延展性和可拉伸性，因此弯曲弹簧的良好建立将直接影响服装模拟的整体效果。但是如果不能很好处理弯曲弹簧的建立问题将会产生很多冗余项，严重影响模拟效率。弯曲弹簧模型模块主要功能是通过一定的排除算法，在三维空间，快速建立非冗余的弯曲弹簧，在效率和效果间找到平衡。

首先，建立比较数组和领接索引表，并对它们赋予初值，比较数组主要用来搜索不同点的冗余关系，领接索引表建立了弯曲弹簧的领接关系，其中存在冗余项；

然后，根据每一领接关系（在前面的基础物理模型中已经建立此领接关系表），分别确定相同领接点、基准点和组内相同点，对相关非冗余节点进行标记；

最后，根据标记建立非冗余索引表，此表确定了弯曲弹簧的领接关系，依据此表并建立弯曲弹簧物理模型。

映射模型模块

参见图7，其功能是根据建立好的物理模型数据进行角色模型数据点的映射，并输出该模型。首先将所有映射数据点进行物理模拟固定，保证其在模拟过程中的映射关系；然后根据角色模型数据的映射点对服装模型映射数据点进行更新；最后更新服装模型的渲染数据域和物理模拟属性。

    本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。