Исследования проблем в одежде моделирования

Исследования проблем в одежде моделирования

Кван-Джин Чой, Hyeong Сок Ко

Графика и Media Lab, Сеульский национальный университет, Сеул, Республика Корея

Было взято из ЭВМ автоматизированного проектирования портал(http://www. ). Автоматизированное проектирование является признанным международным журнал, который обеспечивает инженеров, дизайнеров и компьютерных наук в академических и промышленных кругов с основными документами в области научных исследований и разработок в области применения компьютеров в процессе проектирования.
Источник: http://graphics. snu. ac. kr/publications/journals/2005% 20Choi% 20CAD. pdf - 224 KB

Аннотация

Одежда моделирования и анимации имеют большое значение в области компьютерной анимации. Если ткань моделирования могут быть улучшены до такой степени, что Они могли бы реалистичное движение ткани в режиме реального времени, они бы найти применение во многих аспектах повседневной жизни, таких, как дизайн одежды и Производство. Области моделирования ткани и анимация полной технической задачи: создание более реалистичных результатов, достижение быстрого Runtimes, и разработка методов, способных построить и моделирования более сложных одежды. В данном документе содержится обзор ключевых процедур, связанных с созданием одет символы, описывает текущее состояние-Of-The-технику и предлагает исследований проблемы, которые наиболее нуждаются в дальнейшем исследовании. Три технические аспекты моделирования ткани, рассматриваются в данной статье: одежда строительства, физическое основанные моделирования и столкновения резолюции. В 2004 Elsevier г. Все права защищены.

Ключевые слова: моделирования ткани; одежды дизайн; столкновений резолюции

1. Введение

Возможность одеть анимированных персонажей в модном Одежда бы добавить еще один аспект богатства в 3D анимация. Учитывая высокую степень детализации в текущем характер анимации, то легко увидеть, что методы, которые давать реалистичные, стабильного, быстрого анимация одежда будет в возрастающих спрос.

Благодаря новаторской работе различных групп над последнее десятилетие, ткань может теперь моделируется с замечательный реализм. Например, природный морщин может теперь быть представлено с использованием частиц модель с немедленной выпучивании предположения, а также корректность столкновения обработки в ткань моделирования были значительно улучшились. Наряду с улучшениями, которые были сделано в анимации, качество, общее алгоритма моделирования была усовершенствована таким образом, чтобы она работает на разумной скорости.

К сожалению, одежда моделирование не может дать движение ткани на удовлетворительном уровне, даже если Моделирование ограничено одежды строится с помощью только самые основные создании функции, такие как резка и шить.

Центральное место одежды в жизни человека означает, что Одежда симуляции имеют многие нынешние и потенциальные приложениями. Кроме того, события в моделировании Одежда должна влиять в области анимации в целом. Таким образом, стоит стоять в стороне и созерцать общий процесс моделирования одежде, чтобы увидеть, где Трудности связаны и выявить научно-исследовательских задач, которые необходимо быть решена.

Эта статья представляет собой ретроспективу последних работ и предлагает исследовательские направления дальнейшего развития событий. Каждый из последующих разделов соответствует подзадачи из общий процесс моделирования одежды. В каждом разделе описывать требуемую функцию задачи, методы Предлагается до сих пор выполняют задачи и проблемы, которые требуют дальнейшего изучения.

2. Одежда строительство

Основной проблемой, стоящей перед одежду дизайнеров nonintuitive задача одежду 3D характер одежды построены из 2D структур. В самом деле, она занимает лет человек, чтобы стать производителем эксперт образца; даже дизайн простые одежды такие как футболки и юбки призывает к экспертиза опытным производителем модели. В одежде моделирование, генерация одежды, что оба havethe необходимых дизайн и соответствовать анимированный персонаж является timeconsuming предварительную обработку, что большинство аниматоров неприязнь. Несмотря на многочисленные пакеты CAD модели доступны, они ориентированы на модели органов и не-эксперт Найти несколько из них, чтобы быть удобным для пользователей. Необходимость привлечение чайник эксперт шаблон для создания интересных одежда является одним из факторов, препятствующих богатой одежды анимация. Таким образом, развитие более интуитивным одежды Дизайн методы пригодны для использования, не являющихся экспертами Важной задачей в ткань моделирования.

2.1. Предыдущая работа

В последнее время онлайн сделанные на заказ система была представлена По Кордье и др.. Их система позволяет вести интерактивный настройки 3D-манекен в соответствии с покупателем тел измерения онлайн изменение размеров одежды, чтобы соответствовать манекен, и в режиме реального времени моделирования одежды соответствующее движение тела. Альтернативный подход к задаче построения одежда является проектирование одежды непосредственно в 3D пространстве и уплощение разработан 3D поверхностей в 2D плоскости. 2D моделей получены из уплощение процедура будет производить желаемого дизайна, когда они пошиты по шву линия образующихся при выравнивании процедуры. Ванг и др.. представлена система одежду дизайн, который позволяет пользователям Дизайн 3D одежду вокруг 3D модели человеческого через 2D Эскиз инсульты. Они добавляют, шов линий, Затем Flatten результате 3D моделей для получения набора 2D шаблонов, которые могут быть использованы для изготовления одежды. В 3D процедура дизайн одежды, Поверхность уплощение техника играет решающую роль, поскольку он определяет качество конечного производства одежды. Несколько уплощение методы были предложены до сих пор. Они в основном энергия деформации минимизации процессы, хотя они различаются в оптимизации техники, функции энергии разработки и т. д.

2.2. Исследование проблем

2.2.1. Разработку методов модель поколения

Трудности, которые возникают в одежде строительстве является то, что модели, предназначенной для одного символа не может быть легко адаптирована с различным размером символов. Один из подходов к смягчению эта проблема будет принять модель классификации методами использоваться по шаблону органов. Тем не менее, обсуждение с квалифицированной шаблон дизайнерами показывает, что (1) классификации процедура в значительной степени зависит от конкретного дизайна одежды, и (2) не существует автоматической или систематического способа изменить данный шаблон, стильный дизайн разного размера тела. На практике, классификации процедур, используемых в индустрии моды зависит в большой отчасти на опыт дизайнеров, и поэтому не может быть прямо передана вычислительные процедуры. Другой, совершенно другой подход к модели поколения будет напрямую изменить 3D дизайн одежды и проект окончательного результата в 2D пространстве для получения узоров. Такой подход должен стать более понятным, учитывая что конечная цель заключается в разработке трехмерных одежды. Однако этот подход пока еще не разработаны практически полезный уровне. Развитие автоматических, интуитивного метода поколения картина остается исследования Задача, что, когда решается, будет иметь огромное влияние на индустрии моды, а также о характере анимации.

3. Физическими основанные моделирования

Ткани моделирования исследования начались в текстильное машиностроение сообществу в 1930 году. Исследования в этой области получили увеличить в середине 1980-х годов, когда компьютерная графика Сообщество начал изучать моделирование ткани и анимация техники. Одна из основных проблем в текстильной Сообщество является точное моделирование и прогнозирование высокой нелинейного поведения ткани. В отличие от компьютера графика исследователи имеют тенденцию сосредотачиваться на эффективность воспроизводя появление ткани. В компьютерной графике исследований, эффективности, устойчивости и визуального реализма больше важнее, чем точность. Для достижения этих характеристик, многочисленными методами моделирования были предложены в графической литературе.

3.1. Предыдущая работа

В области компьютерной анимации, Терзопулос др.. Были впервые разработаны физические модели для использования в Моделирование ткани, и Carignan др.. усовершенствовал этот модель, добавив затухание и столкновения обработки функциями. Брин и др.. разработало Non-модели континуума частиц для прогнозирования ткани портьерные. Позднее Эберхардт др.. адаптированные модели Брин и др.. создавать динамические Моделирование методом, основанным на лагранжевы формулировки. Волино др.. разработала ткань модель, основанная на теории упругости и использовали ньютоновской формулировке вместо Лагранжа формулировки. Eischen др.. моделируются Ткань помощью нелинейной теории оболочек. В их разработке, стандартный нелинейные конечные процедуру элемента был использован для получим систему уравнений. Другим жизненно важным шагом в поколение тканей движения Численное моделирование основные физические модели. С Baraff и Виткин начали использовать полунеявных Метод, методика стала народной техники для интегрирования уравнений движения в ткань моделирования. Этот Метод был строгий проанализированы различные группы. Desbrun др.. предвычисленная обратной упрощенные матрице Гессе чтобы сделать возможным в режиме реального времени ткань Моделирование. Кан и др.. Предлагается Другая вариация Полу-неявный метод, который избегает как решения больших линейные системы и precomputing перевернутого матрицы Гессе. Вышеуказанные физические модели были найдены дать вполне реалистичное движение ткани, однако Цой и Ко показали, что эти модели страдают от пост-изгиб нестабильности, которая может быть особенно проблематичным, когда образуются морщины. Такая нестабильность является неотъемлемым физической нестабильности и, следовательно, независимо от численного применяемого метода. Отмечая, что потеря устойчивости поведения ткани отличается от других тонких материалов, Цой и Ко Предполагается, что применение силы сжатия на ткани немедленно инициирует изгиб, а не сжатия. Моделирование включения этой немедленной потери устойчивости предположения производится реалистично морщин без после потери устойчивости нестабильности.

3.2. Исследование проблем

Двух ключевых областях, в которых одежда моделирования требуются совершенствование являются реализм моделируемых движения ткани и алгоритма скорость. Ниже мы рассмотрим несколько исследовательских задач, имеющих важнейшее значение для достижения желаемой реалистичности и скорости.

3.2.1. Моделирование нелинейных и гистерезисом свойствами

Текущие симуляции ткани генерировать движений больше Характеристики резинового материала, чем полотна. Этот недостаток возникает потому, что сама ткань моделирования методы моделирования ткани в качестве линейного упругого материала. Очевидна, но нетривиальным способом решить эту проблему будет в том, чтобы принять нелинейная модель, которая лучше отражает Поведение реального ткани. Одна из трудностей, которая, вероятно, возникнуть при любой попытке осуществить такой нелинейный Модель создания нелинейной взаимосвязи между напряжений и деформаций с достаточной степенью точности. Другие предполагаемые проблемы использования нелинейных моделей является то, что введение нелинейности может увеличиться вычислительных затрат. Простые нелинейного моделирования могут будет недостаточно, чтобы воссоздать поведение реальной ткани; Например, нелинейное напряженно-деформированное отношение в Ткани, как известно, следуют различными путями в зависимости от ли ткани складывающиеся или развертывания. Гистерезисом ответов этого типа являются важным элементом тканей поведения, которые отличают ткани из другого листа материалов. Несколько попыток было сделано, чтобы включить гистерезиса в модели ткань изгиба. Однако это имущество было моделируется только ограниченный уровень, а также методы для захвата гистерезисного Характер ткани в процессе динамического движения до сих пор не развитые.

3.2.2. Изучение континууме подхода

В настоящее время большинство симуляции ткани использовании взаимодействующего модели частиц. Альтернативой этому подходу является Модель ткани как континуум. Конечный элемент процедура, которая обычно используется для анализа структурных проблемы в твердом континуумов, имеет ряд преимуществ по сравнению с взаимодействующих частиц подход. Например, континуум разработка значительной степени параметризации независимым, даже хотя регулярные формы и размеров дискретизации, необходимых для улучшения точности. Эта функция имеет важное значение для практических Причины, потому что ткань тренажеров должна быть способна обработать произвольной формы, неструктурированных сетках представляющих ткань узоров. Дополнительное привлечение конечных элементов подхода является большой литературы по использованию этого рамки для обработки материалов и геометрической нелинейности структур. Хотя конечный элемент Процедура предусматривает технически обоснованных и универсальный инструмент, ряд сложностей должна быть разгадана, если это Техника будет использоваться для моделирования ткани. К ним относятся: (1) не существует простой и эффективный способ облегчить выпучивании нестабильности проблема, (2) метод конечных элементов процедуру необходимо много больше арифметических операций, чем частица разработке и (3) столкновение резолюции становится нетривиальной задачей в конечной формулировке элемент. Около настоящее время неясно, является ли континууме подхода дает лучшие результаты, но мы считаем, что такой подход Следует изучить, чтобы проверить его жизнеспособность.

3.2.3. Повышение точности моделируемых ткань

Конечной целью моделирования ткани является производство Имитация ткани, которая не отличается от реального ткань моделируемого. Судя это сходство на раме-By-кадр основе будет непрактичным. Более реальной альтернативой является есть эксперты оценивают моделируемых движения ткани, если Эксперты обнаружили, что моделируемые Ткань ведет себя так же, как реальная ткань, мы можем рассматривать моделирование как успех. К достижения реалистичного моделирования конкретной ткани, надежный требуется техника, которая может аккуратного извлечения физической свойств ткани и применить эти свойства Имитация ткани. В настоящее время система Кавабата оценка (КЭС) широко используется для получения момента кривизны или силы сдвига отношения во время ткань деформации. Альтернативой использования показателей КЭС будет определить кратко числе управляемые параметры контроля, что полностью описывает статическую и динамическую материальную свойств ткани. В настоящее время окончательное ощущение имитации Ткани изменяется путем настройки жесткости (на изгиб, растяжения и сдвига), затухание, воздушного сопротивления, и массы. В Бхат др.. оценили выше параметров моделирования ткани путем сравнения динамических движение моделируемой Ткань с реальной тканью, записанные с видео камер. Другим дополнительным направлением исследований в области Помимо Бхат др.. 'S работы является исследование, существуют ли существуют и другие параметры (например, уровень влажности, количество гистерезис), что, если контролируемые в симуляции, увеличить верность моделируемой тканью.

3.2.4. Повышение алгоритма скорость при сохранении приемлемое качество

Вычислительная эффективность является одним из ключевых вопросов в ткань Моделирование. Скорость моделирования могут быть увеличены с использованием упрощенной физической моделью или упрощенный численные процедуры. В связи с физической моделью, то кажется, нет значимых упрощение чем линейная весны приближение в настоящее время. С другой стороны, ряд Методы были предложены для ускорения численных процедуры, большинство из которых связаны с упрощением неявные методы. Тем не менее, всеми упрощениями предлагаемой к настоящему времени привести к не-незначительной деградации визуального качество. Таким образом, задача состоит в том, чтобы сократить количество численные вычисления в неявные методы при поддержание качества на приемлемом уровне. Любое упрощение неявные методы, как ожидается, ухудшить качество до некоторой степени. Однако, эксплуатируя тот факт, что каждая часть ткани не должны быть моделируется на тот же уровень детализации, мы можем быть в состоянии упростить отдельные аспекты расчет без значительное унижающие качества. В настоящее время сдерживается такими методами разрывы при переходах между различными уровни детализации. Однако дальнейшие работы, направленной на ликвидацию эти артефакты могут потенциально привести к возникновению мощных Техника способна высокого качества в режиме реального времени ткань Моделирование. Adaptive Multi-resolutional подход использует выше резолюция сетки по части ткани, которые подвергаются большие деформации и / или его части, которые близки к камера. Дальнейшее упрощение потенциально могут быть сделаны Отметив, что в некоторых случаях нет необходимости в полной мере имитировать весь тканью. Например, движение короткие платья очень сильно зависит от движения тела, и Поэтому такая ткань может не нуждаться в полном 3D моделирования. Cordiner и Magnenat-Тельмана были первыми предложить моделирования в реальном времени методику, основанную на этой идее. Мы ожидаем, что этот тип упрощение будут использоваться В будущих исследованиях по повышению моделирования скорости. Моделирование скорости может быть увеличена за счет использования современная архитектура графика. Нынешний GPU методы позволяют численных операций или процедурам, часто используемых при физическом основанные моделирования будет выполняться гораздо быстрее, чем на процессор. На сегодняшний день, имеет было ни одного доклада по ткани моделирования, которая использовала новые технологии. Новая технология аппаратного обеспечения, в сочетании с последующей оптимизаций в моделировании алгоритмов, может Практически режиме реального времени моделирования одежды.

4. Collision Resolution

Столкновение резолюции, которая состоит из обнаружение столкновения и создания надлежащих мер, является одним из самых трудоемких операций в ткань моделирования. Основной Задачи, стоящие перед попытки разработать улучшенный столкновение резолюция методы сокращения числа сравнений, используя временные и пространственные когерентности, повысить точность определения столкновений, и создания физически правильного и стабильного столкновение ответы.

4.1. Предыдущая работа

Несколько методов было разработано для уменьшения количество сравнений, что должно быть сделано при обнаружении столкновений в сетке, состоящей из многих треугольники. Один из подходов является использование ограничивающего том иерархии, которая была показана по значительному сокращению количество сравнений. Другим популярным методом сокращение числа сравнений пространстве подразделения. Например, Мур и Вильгельма и Смит и др.. использоваться в виде восьмеричного дерева структуры, и турок с использованием равномерных подразделение. Чжан и Юн также разработал пространственный Перечисление методы обнаружения столкновений. Их экспериментальные Данные показали, что время, сложность их Алгоритм близка к O (N). Чтобы точно определить столкновение движущегося объекта, Пересечение должно быть создано в четырехмерной пространства (М. И. трех пространственных координат и времени). Хаббард Предлагается время критических алгоритм обнаружения на основе тестирования для пересечения четырехмерного hypertrapezoids. Дафф использоваться интервального анализа для быстрого выявления и Очистить регионов 4D пространстве, которые могут содержать столкновений. Лина и др.. использовали аналогичные 4D анализ, который включал эффективный способ отслеживать расстояние между парами выпуклых многогранников. Karabassi др.. и Рааб использовали Рабочий объем подход, который можно найти, есть ли случаи столкновения в течение определенного интервала времени более легко. Волино и Тельмана предложили метод, который увеличивает скорость самостоятельного определения столкновений за счет эффективного обрезки сравнения пар на основе анализа когерентность кривизной поверхности. Впоследствии же Авторы представили модель столкновений ответа, основанного геометрический метод коррекции, которая может решительные решения несколько столкновений. В этом методе, барицентрическое координаты которые используются для расчета непрерывных ответов столкновение между сталкивающихся геометрических примитивов, таких как вершины, ребра, или треугольников. В отличие от Provot обратился к нескольким столкновение проблемой путем введения понятия зоны воздействия. При таком подходе, частиц, участвующих в несколько столкновений группируются вместе, и в результате группа частиц рассматривается как жесткий объект в Расчет столкновений ответ. Huh др.. также Предложен метод для обработки нескольких столкновениях основанных по концепции зоны воздействия. Они разделили частиц в зоне удара, в столкновении кластеров и затем Одновременно решены столкновения этих кластеров избежать возможных последующих столкновениях. Bridson др.. Предлагается надежный столкновения обработки техники, сочетает в себе силы отталкивания, геометрические лечение столкновений, и жесткие зоны воздействия. Сочетание этих методы сделало процесс столкновения резолюции работают очень эффективно. Они дополнительно представило подразделением Схема, чтобы избежать столкновения во время подразделение шагах.

4.2. Исследование проблем

Факторы, которые осложняют столкновения обработка Процедура заключается в следующем.

4.2.1. Быстрое обнаружение столкновения

Полотна тонкие и очень гибкие материалы, которые могут пройти очень большой деформации. В результате, ткань движения включает в себя гораздо больше столкновений, чем движение объемная объектов. Учитывая, что сетках, используемых в ткани моделями обычно содержат до десятков тысяч треугольников, обнаружение столкновений является огромной вычислительной нагрузки, что должно осуществляться очень эффективно. В обнаружение столкновения Алгоритмы, наиболее частая операция является пара обработки процедура, которая определяет, могут ли два объекта имеют столкнулись. Поэтому, разрабатывая методы сокращать число пар области достойна изучения. Один из подходов к снижению Количество пар использовать иерархическую ограничивающая объемы; Однако эта схема не может быть полезна для высококвалифицированных деформируемые объекты, такие как одежда, так как иерархия должна быть обновлена на каждом шагу. Альтернативная подхода, который получил определенное внимание, является обрезать пар, рассматривая ткань конкретные геометрические условия такие, как кривизна поверхности, или движение человеческого тела, над которой является распространение ткани. Такой подход показал некоторые надежды, но она требует дальнейшего изучения.

4.2.2. Точное обнаружение столкновения

4.2.2. Точное обнаружение столкновения В связи с тонкой структурой ткани, простой 3D пересечения Обнаружение алгоритмам не улавливать некоторые коллизии даже когда полотно движется медленно. Если столкновение проходит незамеченным, трудно впоследствии восстановить действительны государства, поскольку тканью поверхность не имеет пределов / внутри различия насколько обеспокоен тем, обнаружения столкновений. Поэтому крайне значение, что алгоритм определения столкновений обнаруживает все столкновения. Для незамеченными столкновений, численные ошибки часто источником проблемы. Например, при решении 4-точечные столкновения уравнение, которое используется для выявления линейной аппроксимируется движущихся столкновения между треугольник / вершина или EDGE / краю, в результате многочленов часто сварливый и поэтому трудно определить столкновений представлены теми многочленов. Ошибочная обнаружения столкновения, когда столкновения не произошло, не дает к возникновению проблем при условии, что столкновение ответа не приводит сложные последующих столкновениях. В отличие от этого, отсутствует реальный столкновение развалин на оставшуюся часть моделирования. Таким образом, хотя точность внутреннего динамика может быть пожертвовали для повышения моделирование производительности, неточны столкновение разрешения приводит к катастрофе. В настоящее время столкновения выявление сбоев является одним из основных факторов, препятствующих динамическое моделирование сложных одежды. Разработка точной, пуленепробиваемые столкновения алгоритма обнаружения было бы значительным шагом вперед в области ткань Моделирование.

4.2.3. Прочный столкновения ответ поколения

После обнаружения столкновения, последствия этого столкновения должна быть моделируется генерировать правильные последующее движение ткани. Этот процесс, именуемый поколение столкновения ответа до сих пор не моделируется в вполне удовлетворительно. Одна из самых сложных проблем в создании ткани столкновение ответов является то, что в решении одного столкновения часто причины новой средней столкновений. В результате этого характерно, система не может достичь бесстолкновительную состояние после применения единого шага резолюции. Таким образом, для Метод столкновения резолюции, которая будет надежной, кажется неизбежной что в результате резолюции шагом должно быть проверено итеративно, пока не обнаружено никаких дальнейших столкновений. Итерационный подход, описанный выше, хотя правильно с теоретической точки зрения, оказывает серьезное потенциальный недостаток: итерационный процесс может занять непрактичный количество времени, чтобы прийти к бесстолкновительную конфигурации. На сегодняшний день эта проблема, как правило, были обойти, в том числе отказобезопасном действий, который обеспечивает бесстолкновительную государства после определенного количества итераций. Это отказобезопасном действий состоит из группировки частиц, участвующих в нескольких столкновениях, а затем лечением в результате кластера как твердое тело. Однако, обработку части моделируемой тканью как твердое тело вносит артефакты в систему. Эти артефакты диапазона от простого деградации правдоподобие Ткань движение к более серьезной проблемой, которая, в связи с Создание жесткие кластеры, ткань не может пройти через замкнутых пространствах, что реальная ткань сможет пройти.

По способу разрешения столкновение принести практическую пользу, он должна включать как несколько итерационных шагов насколько это возможно. Хотя отказобезопасном действия достигает этой цели, она делает это ценой Представляя потенциально серьезные артефакты в симуляции. Таким образом, одной из ключевых задач в области моделирования ткани является разработка технико столкновения резолюцию, которая можно найти столкновения свободного конфигурацию с меньшим количеством (или нет) возвратом или отказобезопасном действия.

5. Заключение

В этой статье мы представили обзор Задачи, стоящие перед исследователями в области ткань Моделирование. Способность производить естественные ткани анимации в режиме реального времени будет иметь большую полезность, особенно если учесть много условий, в которых человеческое тело покрыто тканью. Воздействие Одежда моделирования не только в области компьютерной анимация. Как моделируется движение ткани приближается к Поведение реального тканью, методика, как ожидается, внести значительный вклад в других областях повседневной жизни, таких, как дизайн моды и текстильного машиностроения.

Конечной целью является развитие методы моделирования, что (1) создавать более реалистичные ткани поведения, (2) работать быстрее, и (3) способны построения и моделирования более Комплекс одежды. В этой статье мы рассмотрели текущее Государство-Of-The-Art в этой области из трех технической точки зрения - одежду строительство, физически основанные моделирования, и столкновение обработки и определили области, требующие дальнейшего изучения.

Список проблем, описанное здесь, не претендует на завершена. Тем не менее, мы попытались очертить основные проблемы в надежде, что трансляция из этих вопросов будет стимулирования исследователей в смежных областях, и в конечном итоге вносить вклад в достижение вышеупомянутых видения.

Благодарности

Эта работа была поддержана Корея министерства Информации и коммуникации. Эта работа также была частично поддерживается за счет автоматизации и систем здравоохранения Институт Национального университета Сеула, а мозг Корея 21 проектов.