（计算机应用技术专业论文）基于三维网格构造的服装褶皱生成技术研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 摘要 服装c a d 系统自二维向三维转变，是三维计算机技术成熟与服装个性化定制 的一个必然趋势与结果。在整个服装c a d 系统中，三维服装设计是最核心的部 分。所以服装的褶皱的设计对提高服装业c a d 自动化程度及竞争力有重要意义。 本文在分析现有服装c a d 系统的研究现状与存在问题的基础上，提出了一种基 于三维网格的褶皱构造算法。同时，在考虑对褶皱的物理模拟构造曲面方法之上， 在褶皱的构造过程中做了一些几何上的外观的优化。 褶皱的基网格构造是褶皱生成的基础。论文第二章第一部分介绍了褶皱基网 格的构造算法，先介绍了系统中已有一些基本的数据结构和算法，然后重点阐述 了如何在衣服的网格确定构造基网格的轮廓点，然后由这些点生成边界的切割 线，最后利用区域搜索算法切割出褶皱的基网格。论文的第二部分介绍了褶皱的 影响区域的构造算法。通过对褶皱进行物理模拟，得到褶皱影响区域的大小和曲 面的形状，然后在衣服的网格构造出影响区域。 褶皱的曲面构造是褶皱构造的核心部分。论文第三章以一种典型的褶皱为 例，通过对褶皱进行物理模拟，得到褶皱曲面的曲面方程，然后通过对基网格变 换和曲面插值等方法构造出褶皱的曲面一网格和曲面二网格。除此之外还涉及到 褶皱网格曲面的后处理，包括褶皱厚度网格添加和特殊位置的曲面调整。论文第 四章主要介绍褶皱生成项目的整体框架和流程，包括这个项目概论和需求、项目 的总体设计和关键算法流程图。然后介绍l o o k s t a i l o r x 系统框架，并对系统开发 环境作简要介绍，同时详细介绍了上述研究工作在该系统中的应用。 最后，在第五章里总结本文的工作，并对项目课题研究的发展前景从技术上 和应用上作了展望。 关键词：褶皱，网格构造，服装c a d ，物理模拟 浙江大学硕士学位论文a b s t 嘣 a b s t r a c t i ti sa nl n e v l t a b l et r e n df o rg c a ds y s t e mt oc o n v e r t 行o m2 dt o3 dd u et 03 d c o m p u t e r t e c l l i l o l o g y sm a t 嘶t ) ra n dt h en e c e s s i t yo fc u s t o m i z e dg a r m e n t 3 dg a 肌e n t d e s i g ni sm ec o r ep a no fg 枷l e n tc a ds y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sg r e a ts i g n i f i c a n c et 0 c o n d u c tr e s e a r c ho nt h ek e yt e c i u l o l o g yo ft h ed e s i g no ft u c k b a s e d0 nm ea i l a l y s i so n t l l ec u 柙e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dt h er e m i n e dp r o b l e mo fe x i s t e dg c a ds ) r s t e m ，an e w t u c kc o r l s t m c tm e t h o db a s eo n3 d m e s hi sp u tf o n o r d m e a n t i m e ，b e s i d e sc o n s i d e r i n g t h ec u r v eo f t u c ko nt h eb a s i so ft h ep h y s i c a ls i m u l a t i o n ，w oa l s ou s es o m eg e o m 嘶c m e t l l o dt 0i r i l p r 0 v em ea p p e 绷l c eo ft u c k t h eb a m e s ho ft u c ki st l l eb 嬲i sf o rg a r m e n tt u c kd e s i g np r o c e s s t h ef i r s tp 砒 o fc h 印t e r2 ，t l l ec o n s 勃m c t i o no ft l l eb a s em e s ho f t u c ka l g o r i t h mi si n t r o d u c e d f i r s t l y ， i n 仃o d u c es o m ee x i t e dd a t a 蛐r u c t u r e 柚da l g o r i t l l i i l 洒t h es y s t e m t h e nf o c u s e do n h o wt 0d e t e 衄i n et h ec o n t o u r so f 鲥dp o i m so nt h em e s ho ft h ec l o t h e s ，a n dt h e nt h e s e p o i n t sg e n e r a t et 1 1 eb o r d e rc u n i n gl i n eo ft 1 1 et u c k ，a 1 1 dt i l e nu s er e g i o ns e l e c t i o n a l g o r i t l l mt oc 叽i n gt h et u c km e s h t h ec o n s t m c t i o no ft 1 1 ei m p a c tr e g i o no ft u c k a l g o r i t h r ni si n t r o d u c e di nt h es e c o n dp 矾o fc h 印t e r2 t l l o u 曲t h ep h y s i c a ls i m u l a t i o n o ft h et u c l ( t h ec u 】n ，ea n ds i z eo fi i l l p a c t r e g i o no ft l l et u c ki sd e t e m i n e d ，t h e n c o n s t r u c tm ei m p a c tr e g i o no ft h et u c ko nt 1 1 ec l o t h 7 r h es 晚c ec o i l s t m c t i o no fm tt u c ki sm ek e yp o i n to fm e 恤s i s t h o u 曲t h e p h y s i c a ls i m u l a t i o no ft h et u c k ，t h es u r f l a c ee p u a t i o no ft h et i j c ki sd e t e m l i n e d ，g 锄e n t p i e c e 、i s et e c h l l i q u e ，a i l dt h e nt h r o u 曲t h et r a n s f o r m a t i o nt h eb a s em e s ho ft l l et u c k a n dt h ei i i t e 印o l a t i o nm e t l l o dt oc o n s t r u c tt u c kp i e c eo n e 锄dt u c kp i e c et 、i n a d d i t i o nt h i sc h a p t e ra l s om v o l v e st h ep o s tp r o c e s s i n go ft h ei n i t i a lt u c km e s l l ， i n c l u d i n ga d d i n gd e p t hm e s hf o rt l l et u c k ，t u c km e s hs p e c i a lt r e a 缸n e n t t h eo v e r a n f h n e 、v o r k 锄dp r o c e s s e so ft u c kp r o j e c ti si i l 仃o d u c e dm c h 印t e r4 ，i n c l u d i n gm e o v e i e w 锄dn e e d so fp r o j e c t ，t h ed e s i 弘o fp r o j e c ta n dt 1 1 en o wc h a no fs o m ek e y a l g o r i 吼a n dt l l e nl o o k s “l o r xs y s t e mf 锄ei si n 仃d d u c e d ，b r i e fi n t r o d u c t i o no n d e v e l o p m e n te n v i r o 姗e n to ft m ss y s t e m 甜l dd e t a i l e di i e s c r i p t i o no na p p l i c a t i o no fm e 浙江大学硕：l ：学位论文 a b s t r a c t a b o v er e s e a r c hi nl o o k s 协l o r xs y s t e ma r ep r o v i d e da sw e n f i n a l l y ，c h 印t e r5i n c l u d e sas 硼 1 n l a 叮o ft l l ea u t h o r sr e s e a r c ha 1 1 dt h ep r o s p e c t s ， s e p a r a t e l y 丘o mt h ep e r s p e c t i v e so ft e c h i l i q u e 觚d 印p l i c a t i o no f t h i sp r o j e c t k e y w o r d s ：t u c k ，3 d m e s hc o n s t r u c t i o n ，g c a d ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n 浙江人学硕，f ：学位论文 表日录 图目录 图1 1g c a d 系统的功能与结构3 图2 1 基网格示意图1 4 图2 2 褶皱横切面示意图1 4 图2 3 基网格相交性检测算法流程图1 5 图2 4 基网格重新三角化算法流程图。1 6 图2 5 影响区域示意图1 8 图3 1 褶皱示意图。2 1 图3 2 第五类褶皱的立体图。2 2 图3 3 褶皱横切曲线图。2 2 图3 4 曲面一网格和曲面二网格之间无厚度网格示意图。2 4 图3 5 半圆求点示意图2 5 图3 6 曲面一网格和曲面二网格之间有厚度网格示意图。2 6 图3 7 基网格和曲面一网格之间无厚度网格示意图2 6 图3 8 基网格和曲面一网格之间有厚度网格示意图。2 7 图4 1 褶皱项目功能图3 0 图4 2 褶皱项目软件系统结构框图。3l 图4 3 基网格构造的算法流程3 5 图4 4 褶皱影响区域构造的算法流程图3 6 图4 5 褶皱曲面一网格构造的算法流程图3 6 图4 6 褶皱曲面二网格构造的算法流程图3 7 图4 7 厚度网格的构造的算法流程图3 8 图4 8 基网格示意图3 9 图4 9 第一类褶皱造型4 0 图4 1 0 第三类褶皱造型4 1 i i i 浙江人学硕一l j 学位论文表日录 图4 1 1 第四类褶皱造型4 l 图4 1 2 第五类褶皱造型4 2 图4 1 3 第六类褶皱造型4 2 图4 1 4 第七类褶皱造型4 3 图4 15 第八类褶皱造型4 3 图4 1 6 第九类褶皱造型4 4 i v 浙江人学顾i ：学位论文表日录 表目录 表2 1 褶皱分类表2l 表4 1 项层调用模块功能描述与划分。3 3 表4 2 用户交互模块功能描述与划分。3 3 表4 3 基网格和影响区域构造模块功能描述与划分。3 4 表4 4 褶皱曲面构造模块模块功能描述与划分3 4 v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：銮龇 签字日期： 幼。髫年月彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘鲎可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝储虢霪龇导师躲厶 签字日期：矽。孑年6 月侈日 签字日期：o 寸年口，月卜日 浙江大学硕七学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍论文的研究背景和意义，对服装c a d 系统相关技术的研究现状进 行介绍，同时指出服装c a d 中存在的一些问题和不足，阐述本文的研究思路与 总体结构。 1 1 引言 近年来，计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i 朗，简称c a d ) 技术的应用十 分广泛，已经渗透到航空航天、电子、轻工、机械、建筑等各个行业，服装行业 也不例外。人们对服装的要求趋于多样化、个性化，希望服装的设计与加工能够 快速响应需求，这一切伴随着服装c a d 的不断发展正在逐步成为可能。服装c a d 正在影响并改变着传统的服装设计方法，推动服装设计方法由传统的手工设计向 计算机辅助设计发展、由二维设计向三维设计发展，进一步推动服装加工技术的 数字化和自动化。 所谓服装c a d ( g a m e n t o r i e n t e dc o m p u t e r 凡d e dd e s i 印，简称g c a d ) 就是将 c a d 领域中的理论和技术应用到服装设计、生产、产品发展、经营管理等各个环 节，从而极大地改善了产品的整个生产效率与质量。传统的g c a d 系统以二维计 算机图形学为基础，主要涉及对服装二维裁片的操作，所起的作用十分有限。随 着三维扫描与三维重建技术的发展，对服装c a d 的研究逐渐转向三维g c a d ，三 维g c a d 就是在交互式服装设计虚拟环境中实现三维服装设计、三维裁剪缝合及 三维服装虚拟展示等方面的技术，可以不经制作服装，便可以在虚拟现实中完成 最终着装效果的预先演示，从而大大节省了时间和精力，有助于服装满意率和设 计质量的提高。 现代服装设计既需要符合加工工艺、加强服装设计与人体表面特征的联系， 还满足美学要求，穿着舒适合身。它是提高服装产品市场竞争力的重要因素，也 是服装设计师追求的主要目标。所以整个三维服装c a d 系统不但包括衣服、领子、 l 浙江人学硕上学位论文第一章绪论 袖子等样式的设计，还需要一些服装的细节表现，比如褶皱、裙摆、省道等等， 这样设计出来的衣服才能够有很好的表现效果，达到服装设计的要求。因而服装 的一些细节表现是三维服装c a d 系统的一个重要的内容。目前关于这方面的研 究比较少，这些服装细节的构造在三维服装c a d 这领域的研究存在很大的研 究空间。 本文结合三维服装c a d 系统的设计要求，提出一种基于物理模拟和用户交互 生成衣服的各种样式褶皱的方法，并在此基础上实现了褶皱网格和衣服网格很好 的缝合，同时提出一种生成褶皱影响区域的方法。此方法易于实现、速度快，且 建模结果能够很好地满足服装设计的精确度要求。将本文的研究已经应用于三维 服装c a d 系统l o o k s t a i l o r x 中，取得了良好的效果。 1 2 研究现状 三维立体服装设计的思路与方法在直观性、合体性、真实感等诸多方面显现 出明显的优势，必将成为服装设计的发展方向之一。随着计算机科学与技术的迅 猛发展和服装业的不断革新，g c a d 系统的含义正在从以计算机二维图形学为基 础的放码、排料、款式设计、裁片设计等几项功能，升华扩展到以三维图形图像 数据为信息中心、综合应用多媒体信息存储和交换、计算机网络、知识工程、计 算机图形学、专家系统、软件工程、计算机视觉、计算几何等多学科领域的知识 和技术，具有几十项模块功能、智能化、集成化的计算机应用系统。理想的g c a d 系统应包括的功能模块如图1 1 所示。 国际上最早出现的g c a d 系统是美国于1 9 7 2 年研发制作的姒r c o n 系统。后 来美国g e r b e r n l 公司研制出一系列g c a d 产品推向国际市场，成为这类系统的先 驱。在随后短短数十年内，约有十几个国家几十套系统问世。国内起步相对较晚， 但从8 0 年代中期开始，到目前为止已开发出不少g c a d 系统，如：杭州“爱科 、 浙江大学“智能服装c a d 设计及面料设计系统 等等。这些系统虽各具特色，但 在功能上大多只覆盖了2 d 辅助服装设计，即基本流程从由2 d 裁片初步设计，到 最终设计裁片、放码、推挡、排料等，其核心技术属平面二维图形与图像处理。 2 浙江人学硕上学位论文第一章绪论 协i r d 设计ili n t e r n e t ll _ i ! 星通讯ii 电话通讯il 局部网络ll 电话会议 捧料 幽库一 掣l 晕 一服装信息库卜_ 经营管理m i s ii 殴计c a d l i 生产管理il辅助制造c a m 合 同 订 单 _ - 原 材 料 、 辅 科 财 厶 a 人 事 _ - 管 理 决 策 支 持 声 品 推 销 和 广 告 化 纹 图 案 配 色 印 染 针 织 印 染 提 花 、 绣 化 效 果 幽 设 计 放 码 2 d 纸l3 d 。一 样i 5 计i 体设计 捧 科 3 d 人 体 测 量 辅 助 工 艺 设 计 试 农 系 统 _ _ _ 生 产 仿 真 管 理 图1 1g c a d 系统的功能与结构 人l 自l 调 绘i 动l 挂 图i 裁j 运 机f 床l 输 驯 单 _ 兀 生 产 国内外学者对三维服装c a d 技术进行了深入的研究。从3 dg c a d 系统与应 用的角度来看，加拿大的p a d 系统具有一定的2 d 一3 d 转换和3 d 服装造型方 面的功能，但其生成的3 d 服装缺乏真实感。加拿大d ”锄i cg r 印i l i c s 公司的 f a s l l i o ns t u d i o 系统可以产生较具真实感的3 d 服装，但其面向服装动画而非服装 生产。在这些系统中，其中瑞士日内瓦大学的m i r a 实验室和日本东洋纺株式会社 的京板研究所走在了世界的前列。日内瓦大学m i r a 实验室提出了一个功能强大、 机械式基础的服装仿真系统v l n e t 系统。v l n e t 系统走硬件技术路子，是基于 头盔显示器、耳机、数据手套和数据服装等技术，在计算机中建立了一个以视觉 为主导，并结合了听觉与触觉等令人们具有真实生活体验的、非常可信的v r 世界。 而日本东洋纺株式会社的京板研究所开发的是d r e s s i n gs i m 系统则主要利用是软 件的技术，它的基本思路：首先将2 d 纸样进行假缝，穿在参数化的3 d 电子模特身 3 一 塑篷丽 浙江人学硕上学位论文 第一章绪论 上，赋予着装模特以动画和背景环境，真实地展示服装穿着的最佳效果。这是一 款建立在东洋纺虚拟着装环境理论上的计算机图形软件，首先建立由1 7 个部分组 成的虚拟模特( 原始模特为标准体型) ，即各个上( 下) 肢在关节处分断成三部分， 躯干分成头、颈、胸、腰、髋5 个部分，分别修改其中任意部分的特征数据，这 样可以得到正常范围内各种体态特征的虚拟模特构型。在使用的时候，顾客站在 “数字试衣间”里，就可以得到该顾客的全部身体数据信息。有了人体数据后就 可以进行二维平面纸样设计，把衣服裁片放置在人体的相应部位周围，系统就会 自动地将各裁片缝合在一起，并穿戴在人体模特儿的身上进行虚拟缝合处理。如 果不合适可以再返回去修改数据。反复循环，直到达到满意乜1 。 3 dg c a d 系统包括三维人体测量与人体模型建立、三维服装设计、服装真 实感模拟与动画演示、三维裁剪与展开等技术儿引。其中以人体模型的建立，织 物模拟仿真，三维服装的几何造型，三维曲面的展开，碰撞检测技术等是这些技 术的核心，国内外学者对这些领域进行了深入的研究。 1 2 1 人体模型的建立 三维服装c a d 系统的基础就是三维人体模型的建立。服装人体建模是一个复 杂形体的几何造型、参数化设计和运动仿真的综合问题。三维人体模型建立的关 键技术包括三维人体测量、尺寸信息提取、服装设计、虚拟试衣、动画模拟及基 于互联网的订做、销售和展示等技术等等。当前在服装人体建模中主要使用的方 法有以下四种：( 1 ) 基于特征的服装人体曲面建模，根据人体的整体上的结构信 息，把人体模型划分为十个基本的部分，分别为头、上中下部躯干、左右手、左 右脚。每一个部分有各自的数据结构和造型方法。该方法的优点在于：可较方便 地改进人体模型建模方法，此外它使得人体模型的曲面建模更加灵活多样，可以 根据人体模型不同部位的几何特征，选择最适合的曲面建模方法。( 2 ) 多面体建 模是从构造多面体开始，通过对多面体的一些面、棱边、顶点进行局部修改来构 造一个外形相似的多面体。由于是通过对局部处理生成人体模型的方法。所以用 多面体建模可以方便地进行人体形状设计。( 3 ) 参数化的曲面建模是已知人体几 何特征参数的情况下，根据人机工程学原理，通过修改相应的主要造型特征，使 4 浙江火学硕t ：学位论文 第一章绪论 其满足新的尺寸要求。( 4 ) 以网格边界线为连续条件的三维人体建模。用表面 造型法作为人体造型的主要框架，结合样条曲线和三角面片的拼接实现以网格边 界线为连续条件的三维人体重构。 1 2 2 服装的模拟仿真 服装的模拟仿真算法大致分为三大类：一类是几何方法，一类是物理方法。 一种是混合的方法( 几何和物理方法的混合) 。 在几何方法中，服装的模型不考虑服装本身的物理特性，而是把注意力集中 在对服装的外形上的模拟，通过几何方程产生服装的外形和褶皱，如w r e i l 在1 9 8 6 年提出的采用余弦曲线和几何变换模拟悬垂织物的方法1 5 1 。这是计算机上第一次 在人工产生布的图形。后来一些学者h i n d se ta 1 【6 】，a u g i 【7 1 和h n 一8 1 等人通过纯 几何变换模拟了一些特殊情况下的布。产生效果良好的褶皱是产生真实感良好的 服装的一个很重要的方面。由于不考虑织物的物理特性，无法得到织物的运动状 态，几何法一般通过在服装上迭加人工模拟的折皱外形来产生真实感的服装。 h a d 印e ta 1 【9 】曾经用纹理与几何相结合的方法来模拟衣服上的褶皱。褶皱也是本 文所研究的主要内容。总的来讲，几何法的优点是速度快，不需要解大量复杂的 微分方程。主要的缺点就是真实感和灵活性都不太好。 另外一种方法就是基于的物理的模拟仿真的方法。本文就是采用这种方法来 对褶皱进行模拟。纯几何的造型方法很难反映织物的物理特性，因此基于物理的 方法研究，是目前织物模拟的主流。在物理仿真中，提出过很多物理仿真的模型。 t e 黝p o u l o s 【i o 】提出了一种通用的弹性变形模型，该模型能有效地仿真物体的弹性 变形过程，因而被广泛地用于服装穿着效果的仿真当中【1 1 】【12 1 。a o n o 的传输介质模 型【1 3 】，根据弹性理论和达朗伯原理，建立一个褶皱传输模型。织物看作是褶皱传 输的介质。但他没有考虑织物与其它物体之间的相互作用，例如衣服与人体间的 相互作用。还有一种模型是质点弹簧模型，p r o v o t 【1 4 1 采用的质点弹簧模型，但在 仿真过程中没有考虑碰撞作用。在p r o v o t 工作的基础上，l o u c h e t 【1 5 1 等人利用 弹簧质点系统对纺织材料的非线性变形过程进行了仿真。d z h a n g 【1 6 】应用多分辨 率建模的方法对织物进行仿真模拟，初始阶段，在织物表面划分较大的网格，随 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 着织物达到该阶段的平衡位置，用较细的网格代替前一阶段的网格，继续下一阶 段的模拟。直到达到最后的平衡。 1 2 3 三维曲面的展开 曲面展开( f l a t t e n i n g ) 问题，一直是g c a d 研究领域的一大热点。s h i m a d a t 等n 刀使用有限元方法计算曲面展开；p a r i d al 等n 砌提出用三角平面网格法实现 复杂曲面的近似展开；席平提出将复杂曲面先分割为若干个条状区域，每一个区 域用一个直纹面逼近，再将直纹面进行三角网格分割，进而展开曲面：c h 撕b b e m i s 等u 町利用曲面自身的测地曲率展开曲面，即将曲面划分为等参数网格，沿 着一个方向根据曲线的测地曲率将这些曲线展开在平面上：mcg 锄等咖1 提出根 据曲面上测地线展开后为直线且长度保持不变的原则展开曲面的方法；b g u n m a t h 锄等【2 l j 从可展面作为单参数平面族包络面的角度，给出一种可展面的展 开方法。许多学者对在服装裁片二维三维映射问题做了很多工作。o k a b e 等人陇1 提出了一种服装裁片二维三维映射当作纯几何问题映射的处理算法。c 撕鲫a n 等 人1 提出了一种通用的服装裁片二维到三维映射算法。该算法基本思路：在缝合 力的作用下，根据牛顿运动定律，被放置在初始位置的二维裁片自动变形后缝合 在人体模型上，把服装裁片的二维到三维映射被作为服装穿着效果仿真过程的一 部分。w u 和y u a i l 【2 4 】提出了一种用于服装设计的二维三维的映射算法，该算法 根据二维服装裁片与三维服装曲面之间的几何对应关系来确定。樊劲等乜引也提出 了一种用于服装设计的二维三维映射算法，该方法主要思路：采用了简单的弹簧 质点变形模型，服装裁片的二维到三维及三维到二维映射可以在该模型中得到统 一的实现，该算法进行服装裁片二维到三维映射的过程中同时考虑了干涉检验问 题。z h a o 等人隅1 提出了一种基于有限元方法的服装穿着效果仿真算法，该算法 主要的思路：通过有限元单元边长被作为几何约束作用于每一个单元来保证裁片 的面积不变来解决服装裁片的二维三维映射问题。r o b e n s o n 【2 7 】【2 8 】提出一种新的 解决二维三维映射问题的方法，其主要思想：将服装二维三维映射问题转化为一 系列的球面与二次曲面求交问题来解决。在此基础上，不少学者对这一问题进行 了深入的研究，并提出了许多不同的算法啪制口。在这类算法中，自由曲面的求 6 浙江人学硕j ：学位论文 第一章绪论 交过程被频繁使用，由于自由曲面的求交过程是个费时而不稳定的过程，影响 了这类算法的效率和稳定性。 1 2 5 碰撞检测技术 碰撞检测与碰撞反应是柔性物体仿真中的重要问题。由于柔性物体本身的特 点，不但会和周围的物体发生碰撞还会和自身发生碰撞。所以柔性物体的弹性碰 撞无论是检测还是反应都比刚性物体困难。而且在服装的设计过程中，由于人体 模型常常是静态的，而服装模型是动态的。在实时的设计中，我们不但需要检测 到发生碰撞，还要检测发生碰撞的位置，所以计算量比较大，经常是系统性能的 的瓶颈。碰撞检测的方法很多。经典的碰撞检测方法包括：包围体方法，空间子 分方法，对象子分方法，对象相邻图方法。在服装碰撞检测中对两个物体之间快 速的精确碰撞检测方法主要有两类：实体包围盒层次法和距离跟踪法。包围盒层 次法就是将物体及其子部分的包围盒组织成层次结构，采用更紧密的包围盒来包 围物体及物体的子部分直至几何元( 如三角面片) ，其典型是从b b ( a x i s a l i g n e d b o u n d i n gb o x ) 、0 b b t r e e ( o r i e n t e db o u n d i n gb o xt r e e ) 、k d r o p ( d i s c r e t e o r i e n t a t i o np 0 1 y t o p e s ) 算法口引；距离跟踪法利用物体运动的时间连续性和几何 连续性，计算物体之间的最近距离，当物体的运动速度不是非常快时，相邻帧间 运动物体之间的距离变化不大，可以利用前一帧的计算结果来加快当前帧的计 算，其典型是l i n _ c n n y 和e n h a n c e dg j k 算法。 1 3 研究思路 经过服装业与计算机业研究人员多年的不懈努力，使得g c a d 技术由最初的 萌芽逐步发展起来，并取得了相当的成果，但是从g c a d 技术的实际应用状况来 看，还远未达到人们所期望的效果。就服装的细节表现( 褶皱生成) 来看，主要 还存在以下几个问题： ( 3 ) 褶皱基网格问题 生成褶皱第一步工作就是要确定褶皱生成的区域和位置，但是用户的需要在 任何位置生成各种不同的褶皱，衣服的不同的部位有不同曲率，给基网格重新三 角化和衣服网格的修补带来的困难。 7 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 褶皱在衣服上影响区域的问题 为了使褶皱生成以后在衣服上有更好的效果，就需要在褶皱的周边区域生成 一个影响区域。这也是客观实际由于褶皱种类的多样性和本身形状的复杂性使得 这些影响区域大小和形状多种多样。 ( 3 ) 褶皱曲面构造问题 缺乏有效的服装曲面造型方法，2 dg c a d 部分已经相当成熟，大部分功 能都已实用化，而3 dg c a d 的大部分功能目前仍没有较好的实现。其中最主要 的问题就是服装三维造型问题，而褶皱的造型是服装三维造型一个重要的方面。 而这个方面一直是服装c a d 中的难点。因为服装细节表现形状复杂，不是简单 的曲面造型可以完成。还有各种褶皱差异很大。要构造出各种褶皱难度很大。增 加了这些曲面构造的复杂性。针对以上几个问题。本文将从以下几个方面进行解 决： ( 1 ) 一个基于用户交互的基网格构造算法 通过用户交互，可以得到褶皱生成的信息，包括褶皱类型、大小、位置等。 然后在指定的位置对衣服的网格进行区域选择，切割出褶皱的基网格，并对破坏 的衣服网格进行修补。 ( 2 ) 基于物理的褶皱影响区域模拟 通过对褶皱物理的模拟，计算出影响区域的大小。然后应用区域选择算法对 网格上点进行定位，最后对衣服上的点的坐标进行在定位，从而构造出褶皱的影 响区域。 ( 3 ) 根据用户交互信息构造出褶皱 根据用户交互的褶皱的参数( 种类，高度，宽度，个数) ，在衣服的生成出 褶皱的原型。先把褶皱分类分类，然后通过物理的一些计算，得到每种褶皱曲面。 每种褶皱的形状不同，我们对每种褶皱用些曲面去进行模拟。从而可以定制出 用户所需要的各种形状的褶皱。 8 浙江大学硕 ：学位论文 第一章绪论 1 4 本文结构组织 本文所要研究主要内容就是褶皱的三维构造，拟从以下几个方面进行研究， 第二章至第五章的内容说明如下： 第二章的一个内容是褶皱基网格的构造，根据用户输入的褶皱定制信息，构 造出褶皱的基网格并对破坏的衣服网格进行修补。另一个内容是影响区域的构 造，通过对褶皱物理的模拟，计算出影响区域的曲面方程。然后应用区域选择算 法对网格上点进行定位，最后对衣服上的点的坐标进行在定位，从而构造出褶皱 的影响区域。 第三章主要通过对各种褶皱进行分析，设计最基本的褶皱类型，然后以第五 类褶皱为例，说明褶皱的曲面构造过程。 第四章主要介绍褶皱项目的整体框架和流程。包括这个项目概论和需求、项 目的总体设计、算法流程、开发的现状和主要还存在的问题。然后介绍了 l o o k s t a i l o r x 系统框架，并对系统开发环境作简要介绍，同时给出了研究工作在 该系统中的应用的一些实例。 第五章为上述四章的总结及未来展望，总结本文的研究工作，并对项目课题 研究的发展前景从技术上和应用上作了展望。 9 浙江大学硕士学位论文第- 二章褶饿的基网格和影响区域构造的算法 第二章褶皱的基网格和影响区域构造的算法 构造褶皱的第一步工作就是要在衣服上确定褶皱生成的区域，即要从衣服的 网格中切割出生成褶皱的基网格。同时在褶皱生成以后，就会在衣服上产生一个 褶皱的影响区域。所以在衣服上构造出褶皱的影响区域是整个褶皱生成过程中的 又一个重要任务。本章主要介绍褶皱的基网格和影响区域构造算法。 2 1 引言 构造基网格首先要在衣服网格上定位出褶皱区域的几个轮廓点。然后由这些 轮廓点生成褶皱的边界切割线，由这些边界切割线构成一个封闭区域。对这个封 闭区域实施区域选择算法，切割出这块基网格。由于在做褶皱区域切割的时候会 破坏了衣服的网格。所以还需要对衣服的网格进行修补。下面介绍一些曲面切割 和网格修补常用方法。 曲面切割算法通常可以归结为两类：视觉切割与几何切割。视觉切割法只是 在视觉上做了消影处理，切割实体在几何上没有被切除。但是几何切割则是割裂 了实体的几何联系，赋予被切割面新的几何描述。这两种切割方式的不同，使得 它们有不同的应用领域，在产品设计等领域，由于几何切割法中只有少量的曲面 可以通过解析求解两相交曲面来获取切割边界，而且实现起来往往也比较简单， 所以几何切割法应用较广泛。而视觉切割法很少得到应用。 在不同的应用领域，曲面切割处理方式也不尽相同，现有的曲面切割算法大 致可以分为两大类。第一类是自然成形类，这类算法以曲面之间的交线为切割边 界，在当两曲面相交时，在交线上重新网格化曲面。这类算法在曲面的布尔操作 和曲面交互造型中有着重要的应用【3 3 】f 3 4 】【3 5 1 。第二类是人工绘制类，这类算法以交 互绘制在曲面上的切割线为切割边界，切割线的映射过程如下：首先，计算切割 曲线与曲面网格边的交点；其次，将切割曲线转化为曲面的切割网格边：最后， l o 浙江火学硕上学位论文第二章褶铍的基嘲格和影响区域构造的算法 将每条切割网格边转化成两条重合的网格边，重新三角化被切割的三角形，新生 成的网格曲面在切割线上不存在拓扑连续性。在这类切割算法中，切割线可以是 开曲线也可以是闭曲线。这种算法在手术模型中有着大量的应用1 3 6 】【3 1 7 1 【3 8 】。类似的 算法还应用于网格曲面拉伸造型中【3 9 j 。 对于三角网格模型的孔洞修补问题，国内外学者从不同角度对其进行了研 究，c u r l e s s 等i 删使用像素空间中的体积方法进行孔洞修补。b o r o d i n 等【4 1 】将填 充裂缝的方法来逐渐消除孔洞边界，从而达到修补的效果。该方法思路十分新颖， 但是该方法只有对部分形状的孔洞有效，所以这种方法有一定的限制性，不具有 通用性。l e o n g 等【4 2 】【4 3 1 将孔洞修补问题简化为一个三角剖分问题。b a r e q u e t 等【删 描述了一种基于交互的修补网格裂缝的方法，首先缝合裂缝的对应边，然后在检 测缝合后留下的洞，最后填充留下的洞缝合好。但由于该方法很复杂，实现起来 比较困难很大。l i 印a 【4 5 l 在对孔洞最优三角化之后，然后对面片的进行插入和光顺， 填充效果不错，但是整个算法在时间方面，开销比较大。在介绍的方法之中，大 多数网格修补算法属于基于网格的几何方法，主要优点在于便于网格拓扑的重新 构造，并且只需要对网格上具有缺陷的部分进行检测和修补。在现有的许多方法 中，孔洞区域的三角剖分常常是整个算法的关键步骤，但是孔洞区域的三角剖分 问题是一个非线性优化问题。为了获得该问题的最优解，可以使用遗传算法、动 态规划算法、模拟退火算法等对孔洞区域进行剖分，以获得最优的三角化结果但 这一过程的算法复杂性通常很高。 2 2 已有的一些数据结构和算法介绍 2 2 1 普通切割线 绘制在模型表面的普通切割线由连续的小线段组成，每条小线段的两个端点 位于同一个三角形内，或者为切割线与网格边的交点，或者为切割线的端点。每 条切割线上存储以下信息： 1 ) 切割线端点的坐标； 浙江人学硕i j 学位论文第二二章褶皱的准网格和影响区域构造的算法 2 ) 与切割线相交的网格边i d 号，以及交点的坐标； 3 ) 切割线本身的i d 号； 4 ) 切割线类型； 5 ) 切割线所经过的三角形的i d 号； 6 ) 与其他相交切割线的交点和i d 号。 对于带边界的模型曲面，曲面边界也作为普通切割线处理。对于模型上的网 格边，根据上述信息三，可以方便地找出与其相交的切割线信息惭1 。在l s x 系统 中，普通的切割线也就是c l i n e 。 2 2 2 省道，褶皱线 服装裁剪过程中，服装面料近似于锥面的折叠缝合称为省道。在服装等工业 设计中，省道有着重要的应用。省道在平面裁片上呈三角形状，沿着省道边界缝 制将使裁片产生立体的效果，当曲面片在展开结果上存在很大的变形时，通常需 要在曲面高斯曲率较高的部位添加相应的省道。 省道有一些特有的绘制和连接规则。省道不能与省道或普通切割线相交；省 道的每个端点最多只能连接一条省道；省道的两个端点不能同时连接在普通切割 线上，既省道不能作为桥边处理。 作为特殊的切割线，省道与普通的切割线有着不同的标记。在封闭切割线环 搜索和顶点标记过程中，省道将不作为普通切割线处理。待切割曲面上的省道在 基域被搜索出来后，通过检测省道上记录的被切割的三角形是否在基域内部获 取。在l s x 系统中，褶皱线作为一种特殊的省道处理。其实褶皱线是褶皱的一条 特殊的边界线( 随着褶皱的种类不同，褶皱线有不同的定义) m 】。 2 2 3 区域选择算法 在l s x 系统，已经有一个很成熟的区域选择算法。算法的入参：( 1 ) 区域选 择的算法所作用的网格；( 2 ) 这个网格上所有的切割线。算法成功的条件：( 1 ) 在网格上所有的切割线中，存在这样一些的切割线，这些切割线围成了个封闭 1 2 浙江火学硕：i ：学位论文第二章褶铍的基网格和影响区域构造的算法 的坏，即这些切割线都是首尾相接的，形成一个简单的回路；( 2 ) 必须计算一个 中心点，这个中心点必须在所作用的网格中，如果不在，算法会错选。应用了区 域选择算法结果：被这个环包围的所有网格节点都被做标记。 2 2 4 网格修补算法 在l s x 系统，已经有一个成熟的网格修补算法。算法的入参：( 1 ) 一个区域 选择的对象：( 2 ) 这个网格上所有的切割线。算法成功的条件：区域选择算法能 够正确的实施。算法结果：应用了区域选择算法的网格被修补好。 2 3 褶皱的基网格构造算法 由于系统已经有一些现成的算法，主要需要解决的问题就是怎么去构造褶皱 的边界线( 这些边界线都是切割线，褶皱线也是特殊的切割线) 的问题。通过用 户交互，已经得到了一条褶皱线，只需要构造出其他的边界线即可。本文提出一 种在衣服网格上沿着一定方向在爬行一段距离的算法。可以定位出这些边界切割 线的端点，然后构造出褶皱的边界线，从而构造出褶皱的基网格。具体步骤如下： ( 1 ) 首先检测褶皱线端点是不是在省道或者切割线上，如果是，则用户交互的 方向无效，因为按照服装裁剪的原理，褶皱轮廓切割线应该沿这条切割线 上走。如果不是，则转第二步； ( 2 ) 设褶皱线端点所在三角面片的法向量为厶，褶皱的方向为左，对这两向量 进行叉乘得到切割面的法向量正。求得这个经过褶皱线端点并且方向为石 的切割面，切割面和衣服的网格交线设为三； ( 3 ) 从褶皱线端点开始，顺序累加l 经过的三角面片内l 线段的长度，求得第 一个大于用户交互的褶皱宽度的三角面片，所求的端点就在这个三角面片 内，在这个三角面片内，求得这个点即可； ( 4 ) 求得一系列褶皱边界线的断点以后，构造出一系列切割线，并且这些切割 线是封闭的，然后利用这些切割线对衣服的网格实施区域选择算法； ( 5 ) 对实施了区域选择算法的网格运用修补算法； 浙江人学硕1 ：学位论文第二章褶皱的基网格和影响区域构造的算法 通过上面的步骤把基网格构造出来，还需要对基网格进行有效性检测。基网 格的有效性检测也是基网格构造的一个重要的工作，图2 1 给出基网格的相交性 检测的算法流程图。 图2 1 基网格相交性检测算法流程图 交 如果基网格没有和其它已经生成褶皱的基网格相交。就进行下一步工作，褶 皱基网格的重新三角化，图2 2 给出了基网格重新三角化算法流程图。 图2 2 基网格重新三角化算法