三維織物仿真的研究.pdf

1、織物仿真常指對(duì)柔性紡織品靜態(tài)和動(dòng)態(tài)以及著裝效果和性能的計(jì)算機(jī)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(guó)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(dá)到一定的仿真效果，但計(jì)算量大是這些算法的不足。紡織學(xué)界對(duì)織物風(fēng)格仿真的研究較早，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界對(duì)此的研究則始于上世紀(jì)八十年代中期，標(biāo)志性的文獻(xiàn)是由 Weil Jerry提出一種懸掛的三維織物在受到一定約束時(shí)的三維效果描述。

2、目前織物真實(shí)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(xì)節(jié)，這些算法一般是針對(duì)織物的某種屬性進(jìn)行仿真。 本課題提出多種有效且快速算法，研究三維動(dòng)態(tài)織物皺褶屬性與織法的仿真，實(shí)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(dòng)態(tài)效果顯示提供技術(shù)基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容包括靜態(tài)與動(dòng)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(shí)感效果。動(dòng)態(tài)部分主要是仿真織物運(yùn)動(dòng)以及在風(fēng)中飄動(dòng)的過(guò)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(lèi)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(jìn)。本研究提出一種光照模型的改進(jìn)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(duì)織物的特性，改進(jìn)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(shí)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(guān)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(guān)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(jī)性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)毛料等

5、織物材質(zhì)與織法結(jié)構(gòu)的同時(shí)仿真顯示。提出毛料織物仿真的映射合成法，把紗線(xiàn)和絨毛分開(kāi)仿真，分為三個(gè)過(guò)程。首先模擬去毛紗線(xiàn)的幾何和光照效果，再模擬紗線(xiàn)上的絨毛，最后把仿真后的絨毛效果映射合成到紗線(xiàn)的仿真效果中，實(shí)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(dòng)態(tài)仿真的研究方面：研究基于織物的三維動(dòng)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(shí)現(xiàn)三維織物運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬。把1/f和P

6、erlin噪聲模型應(yīng)用于織物動(dòng)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(hào)調(diào)制方法仿真織物動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究方面：研究實(shí)現(xiàn)不同材料織物在風(fēng)中飄動(dòng)時(shí)不同特性的仿真，對(duì)噪聲理論應(yīng)用于織物三維動(dòng)態(tài)仿真加以改進(jìn)。提出織物運(yùn)動(dòng)過(guò)程隨機(jī)方程模擬方法，把風(fēng)與織物材料對(duì)織物運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響分開(kāi)考慮，分別用隨機(jī)函數(shù)的不同頻率段表示風(fēng)與材料對(duì)織物運(yùn)動(dòng)的影響，采用振幅調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)這些函數(shù)的結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)三維織物的動(dòng)態(tài)仿真。隨機(jī)函數(shù)的基本

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

8、模擬織物受到的動(dòng)態(tài)力，把信號(hào)與物理模型相結(jié)合來(lái)模擬織物在風(fēng)中飄動(dòng)過(guò)程。從宏觀(guān)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(jī)方程與物理學(xué)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)織物在不同風(fēng)作用下運(yùn)動(dòng)的仿真。 在基于遺傳算法三維織物運(yùn)動(dòng)時(shí)圖案變形的研究方面：研究圖案織物在運(yùn)動(dòng)時(shí)的圖案變形情況。織物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，圖案會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)織物運(yùn)動(dòng)過(guò)程中圖案的變形。提出織物圖案變形的模擬方

9、法，通過(guò)遺傳算法模擬該過(guò)程，并對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，在變異點(diǎn)的定義中提出，產(chǎn)生變異的原因是因?yàn)樵擖c(diǎn)受到外力作用，定義了變異點(diǎn)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(guò)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(guò)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(jì)算機(jī)速度的影響，通常采用減少迭代次數(shù)來(lái)提高

10、計(jì)算機(jī)的模擬速度，但模擬效果就會(huì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程，針對(duì)簡(jiǎn)單遺傳算法在織物仿真中速度慢的缺點(diǎn)，對(duì)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合織物的特征，在迭代過(guò)程中統(tǒng)計(jì)遺傳算法的收斂性以及種群的個(gè)數(shù)，采用隨機(jī)化方法動(dòng)態(tài)調(diào)整適應(yīng)度函數(shù)，有效縮短遺傳算法的收斂時(shí)間，以此達(dá)到快速而有效的織物仿真效果。以一種織物的仿真為例，說(shuō)明采用一般遺傳算法與改進(jìn)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(duì)三維織