三維織物仿真的研究.pdf

1、織物仿真常指對柔性紡織品靜態(tài)和動態(tài)以及著裝效果和性能的計算機模擬。二維織物的材料屬性與織法結(jié)構(gòu)的仿真顯示研究較為普遍，而三維織物的材料屬性與織法結(jié)構(gòu)的仿真顯示研究在國內(nèi)外則剛起步。主要以有限元等迭代算法為主，該方法能達到一定的仿真效果，但計算量大是這些算法的不足。紡織學(xué)界對織物風(fēng)格仿真的研究較早，計算機圖形學(xué)界對此的研究則始于上世紀(jì)八十年代中期，標(biāo)志性的文獻是由 Weil Jerry提出一種懸掛的三維織物在受到一定約束時的三維效果描述。

2、目前織物真實感模型算法主要是圍繞光照處理和紋理映射，產(chǎn)生褶皺、懸垂、紋織效果等細節(jié)，這些算法一般是針對織物的某種屬性進行仿真。 本課題提出多種有效且快速算法，研究三維動態(tài)織物皺褶屬性與織法的仿真，實現(xiàn)較好的織物三維仿真顯示效果，為織物皺褶屬性在三維服裝上的動態(tài)效果顯示提供技術(shù)基礎(chǔ)。研究內(nèi)容包括靜態(tài)與動態(tài)兩部分，靜態(tài)部分主要從織物的三維模型以及光照模型入手，產(chǎn)生真實感效果。動態(tài)部分主要是仿真織物運動以及在風(fēng)中飄動的過程。

3、在基于織物組織結(jié)構(gòu)的三維模型及三維效果仿真研究方面：本研究根據(jù)織物的屬性，研究幾種三維算法，模擬織物的織法結(jié)構(gòu)以及各類織物的三維仿真模型。目前研究者一般都采用Phong光照模型模擬三維物體，此模型適用于光滑表面的三維物體，而織物表面比較粗燥，把Phong光照模型應(yīng)用于織物仿真需要改進。本研究提出一種光照模型的改進算法，把Phong模型與BRDF(雙向反射分布函數(shù))光照模型相結(jié)合，Phong光照模型用于模擬織物的三維幾何屬性，BRDF光照

4、模型用于模擬織物的織法結(jié)構(gòu)。針對織物的特性，改進這兩種光照模型，修改一些參數(shù)，使得這兩種光照模型適用于三維織物，并找出這兩種光照模型的參數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)了具有織物織法結(jié)構(gòu)與幾何屬性的三維效果。 在毛料織物質(zhì)感微觀屬性的三維模型及三維效果仿真研究方面：研究反映毛料織物毛羽效果與織法結(jié)構(gòu)的毛料織物仿真的映射合成法。毛料等織物質(zhì)感的微觀屬性集中體現(xiàn)在毛羽狀態(tài)的反映，根據(jù)毛料等表面織物的屬性，把織物光亮度的有規(guī)律性與隨機性相結(jié)合，實現(xiàn)毛料等

5、織物材質(zhì)與織法結(jié)構(gòu)的同時仿真顯示。提出毛料織物仿真的映射合成法，把紗線和絨毛分開仿真，分為三個過程。首先模擬去毛紗線的幾何和光照效果，再模擬紗線上的絨毛，最后把仿真后的絨毛效果映射合成到紗線的仿真效果中，實現(xiàn)毛料織物逼真的模擬。 在基于風(fēng)噪聲理論三維織物動態(tài)仿真的研究方面：研究基于織物的三維動態(tài)仿真模型及效果顯示，提出基于風(fēng)噪聲的三維織物模擬方法，以l/f噪聲與Perlin噪聲為基本方程，實現(xiàn)三維織物運動過程的模擬。把1/f和P

6、erlin噪聲模型應(yīng)用于織物動態(tài)模擬，由于采用了非迭代算法，顯示出較快的顯示速度。 在基于信號調(diào)制方法仿真織物動態(tài)過程的研究方面：研究實現(xiàn)不同材料織物在風(fēng)中飄動時不同特性的仿真，對噪聲理論應(yīng)用于織物三維動態(tài)仿真加以改進。提出織物運動過程隨機方程模擬方法，把風(fēng)與織物材料對織物運動過程的影響分開考慮，分別用隨機函數(shù)的不同頻率段表示風(fēng)與材料對織物運動的影響，采用振幅調(diào)制方式實現(xiàn)這些函數(shù)的結(jié)合，最終實現(xiàn)三維織物的動態(tài)仿真。隨機函數(shù)的基本

7、方程是正弦波，其振幅連續(xù)變化，可用來表示風(fēng)中飄動織物不斷變化的波形，仿真風(fēng)與織物材料對織物運動的作用。此算法具有風(fēng)噪聲算法的快速性，同時可根據(jù)織物不同材料的皺褶屬性，仿真不同的運動效果。 在基于物理與信號模型綜合方法來模擬風(fēng)中織物飄動的研究方面：研究不同的風(fēng)對織物運動模擬的影響，通過把風(fēng)噪聲理論建立的織物運動方程與物理方程相結(jié)合。提出用織物動態(tài)仿真的物理與信號模型相結(jié)合的方法，物理模型用于模擬織物在靜態(tài)時的受力情況，信號模型用于

8、模擬織物受到的動態(tài)力，把信號與物理模型相結(jié)合來模擬織物在風(fēng)中飄動過程。從宏觀上分析織物的受力，以確定織物形狀的基本方程，最后把隨機方程與物理學(xué)模型相結(jié)合，實現(xiàn)織物在不同風(fēng)作用下運動的仿真。 在基于遺傳算法三維織物運動時圖案變形的研究方面：研究圖案織物在運動時的圖案變形情況?？椢镌谶\動過程中，圖案會隨著織物三維形狀變化而發(fā)生變形。由于織物的結(jié)構(gòu)具有一定的規(guī)律性，可采用迭代算法來實現(xiàn)織物運動過程中圖案的變形。提出織物圖案變形的模擬方

9、法，通過遺傳算法模擬該過程，并對遺傳算法進行改進，在變異點的定義中提出，產(chǎn)生變異的原因是因為該點受到外力作用，定義了變異點織物的變形方程。 在基于優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)法模擬織物仿真的研究方面：研究適合于織物仿真的優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)方法。傳統(tǒng)的遺傳算法通過多次迭代后可以模擬織物的某種屬性，得出較好的模擬效果。但這些遺傳算法在迭代過程中，不能根據(jù)迭代效果調(diào)節(jié)適應(yīng)度函數(shù)，迭代多次后方可收斂，由于受到計算機速度的影響，通常采用減少迭代次數(shù)來提高

10、計算機的模擬速度，但模擬效果就會降低。提出一種優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)繼承算法模擬織物的運動過程，針對簡單遺傳算法在織物仿真中速度慢的缺點，對適應(yīng)度函數(shù)進行改進。結(jié)合織物的特征，在迭代過程中統(tǒng)計遺傳算法的收斂性以及種群的個數(shù)，采用隨機化方法動態(tài)調(diào)整適應(yīng)度函數(shù)，有效縮短遺傳算法的收斂時間，以此達到快速而有效的織物仿真效果。以一種織物的仿真為例，說明采用一般遺傳算法與改進適應(yīng)度函數(shù)后，兩種算法在仿真速度與仿真效果具有明顯差別。 本課題對三維織