基于机器学习合成高分辨率布料褶皱

为了精化布料网格得到逼真的布料模拟效果,提出了一种基于机器学习的方法合成高分辨率布料褶皱。首先模拟真实的布料运动,获取布料运动的帧数据信息,将布料运动的帧数据信息转换为图像信息的形式进行存储。然后将图像信息作为输入,输入到卷积神经网络(CNN)中进行训练,通过将卷积神经网络与缩小网络相结合,最终得到高分辨率布料图像。最后将高分辨率布料图像转换为高分辨率布料网格,对布料进行模拟。实验结果表明,与初始的低分辨率布料网格对比,合成的高分辨率布料网格模拟出的布料有着大量且细微的褶皱,并且能够模拟出真实的布料效果,与真实场景中的布料模拟效果相似。该方法在不同的场景中都可以模拟出高质量的布料动画效果,而且减少了仿真速度,验证了该方法的有效性。     

融合随机森林模型的布料分层建模

目的 在布料仿真中,针对基于物理方法计算复杂、耗时长、实时性差的缺点,提出了一种融合随机森林模型的布料分层建模方法。方法 采用基于物理的方法计算出各个质点的初始位置,连接各个质点形成最初始水平布料。然后通过使用随机森林模型的回归算法来推断质点在下一水平布料的位置,使用3细分法连接质点,再通过边翻转操作生成稳定的布料网格,重复上述过程直至产生满意的动画效果。结果 在固定共轭梯度法（CG）改进后的隐式积分方法和交替方向乘子法（ADMM）的迭代次数,保证两种传统方法计算的模拟结果具有相似误差的情况下,实验结果表明,当模拟的质点数较少时,融合随机森林模型的布料分层建模方法与两种传统基于物理的模拟方法相比,没有很大的优势,但在模拟足够数量的质点时,融合随机森林模型的布料分层建模方法的模拟速度相比于ADMM算法提高了约26%。结论 采用随机森林模型来进行分层布料模拟,省去了传统基于物理的模拟方法进行的大量数值计算,显著提升了布料模拟的效率,并且在施加外界力、与外界物体发生碰撞的情况下,融合随机森林模型的布料分层建模方法依旧可以产生稳定可靠的模拟动画,是一种高效的布料模拟方法。     

融合QPSO算法的多精度布料仿真建模方法

在布料建模领域，如何快速模拟布料形变之后的褶皱细节是研究的热点。通过使用多精度布料建模方法，在布料的不同形变区域使用不同精度的网格，可以有效平衡建模的精度和速度，已有的工作主要是在布料形变过程中，动态计算出布料质点邻域的曲率，依据人为设定的阈值，划分出布料的多精度区域，而在大部分场景中，布料的变形模式没有规律，固定不变的阈值可能会影响布料的仿真效果。针对该问题，首先将基于量子行为的粒子群算法引入建模过程，通过粒子群算法对布料表面的搜索，提高了布料弯曲部位的搜索效率，优化了多精度布料的建模速度和精度，其次针对布料仿真运动过程进行研究，参考布料受空气阻力的数学模型，以及粒子动力学中的数值积分方法，优化布料运动的仿真计算方法。实验证明，与现有布料多精度方法相比，该方法能较快检测到布料褶皱区域并判断是否需要细化，且能较好地表现出布料仿真过程中空气阻力对布料造成的形变。     

布料仿真技术在游戏中的设计和实现

近几年来,布料仿真技术广泛应用于游戏开发中,本文针对游戏在实时性和交互性方面的特殊需求,结合“网络游戏公共技术平台关键技术研究”项目,对布料的物理模型、模型求解以及碰撞检测和处理等方面进行了分析和设计,并在此基础上实现了几种布料动画的模拟。     

布料上污渍效果的真实感模拟

布料上的污渍效果是计算机游戏和影视制作中有待模拟的细节之一.提出一种基于物理的布料上污渍效果的真实感模拟的方法--采用多层模型对布料进行建模.对于污渍在布料上的渗透和扩散运动,提出了NSEAM(Navier-Stokes equations for anisotropie media)模型,它可以模拟污渍和布料之间的相互作用,如扩散作用、蒸发作用、渗透作用等.最后,采用硬件加速的方法对上述过程进行了真实感绘制.实验结果表明,文中方法可以生成不同结构的布料上较为逼真的污渍效果,其绘制效果令人满意.     

布料运动模型参数学习方法

为了在布料运动仿真中通过调整其中的模型参数表现不同材质布料的运动差异,提出一种基于实例的布料运动模型参数学习方法.该方法利用运动捕获设备获取布料样本的运动实例数据;通过仿真数据与实例数据对比,利用遗传算法逐步进化、学习得到布料运动模型的全部参数.采用文中方法对6种不同材质布料的运动模型参数进行学习,并利用学习结果合成相应的布料运动模拟数据.实验结果表明,每段布料运动模拟数据(时间长度为5 s)与实例数据间的相对位置误差小于6%;在相同外力驱动下,不同材质布料的运动模拟结果能够较好地反映不同材质布料的运动特性.     

基于实例数据分析的多精度网格布料动画

在布料动画领域,细节变形褶皱的快速逼真模拟是一个具有挑战性的问题.多精度网格布料动画技术,在不同变形区域采用不同密度的网格,由此保证布料运动的丰富细节和更高的动画合成效率.已有的研究工作,主要针对多精度网格布料动画的可计算问题,即在动画过程中动态获取顶点或面片曲率,依据手工设定的阈值进行动态迭代精化,而对于有效性问题,即如何预测布料运动趋势并据此合理修改网格精度,未深入研究.针对该问题,在对布料运动过程中弯曲变形特征进行分析的基础上,提出一种基于实例数据分析的多精度网格布料动画方法.首先,选取一段持续的高精度布料动画作为实例数据,分析并提取弯曲变形模式;其次,以弯曲变形模式作为启发信息,结合有效的精化策略以及精化原则,对相应低精度布料模型进行逐层精化,从而构建多精度网格布料几何模型;最后,建立多精度网格各层质点的受力关系,并通过增加边界约束和质量约束,构建可适用于多精度网格的布料动画模型.实验结果显示,文中预构建的多精度网格模型可用于同类相似运动驱动下的布料动画计算,能够在保持较多细节变形的前提下,有效提高计算效率.     

布料动画方法研究进展及问题

布料动画技术是计算机动画领域的热点研究方向,可以广泛应用于数字娱乐、三维游戏以及服装工业等多个领域.布料动画技术最为核心的研究问题是布料动画方法,其旨在构建动画模型,驱动布料产生形变,继而生成连续动画.好的布料动画方法是保证富有动感、且视觉逼真的布料动画生成的根本因素.近年,由于实际应用对布料动画模拟逼真性与实时性等需求的迫切增长,许多新技术和新方法应运而生.文中重点围绕布料动画方法的研究进展进行介绍.首先在对国内外研究工作进行全面分析与总结的基础上,根据生成布料动画所采用的技术不同,将其分为几何法、物理法、混合法、自适应网格法、约束动力学法、实例数据法、并行计算法等7大类,详细阐述每一类方法的原理及特点,并重点介绍每类方法近期出现的新工作;其次,对各类方法的优缺点及产业影响进行对照分析;最后,结合实际应用需求,针对目前工作中存在的不足,提出一些可继续深入研究的问题,并指出布料动画技术研究与应用的前景方向.     

布料仿真建模研究进展

布料仿真一直是计算机动画中的研究热点与难点,对提高计算机动画质量以及用户体验具有重要意义,布料是一种非常经典的柔性材料物体,遍布于人们的日常生活中。虚拟世界中虚拟角色强烈的视觉真实感主要来源于逼真的虚拟人物的服装动画,这在很大程度上可以增强用户的体验感,在游戏娱乐、电影电视和动画制作等领域有着十分广泛的应用前景。布料仿真的质量与速度直接决定了计算机动画的整体水平,而布料的模拟水平则起着至关重要的作用。随着计算机软硬件的不断发展和计算机动画市场需求的提高,对布料仿真建模方法的研究受到越来越多的关注,布料仿真建模方法也因此有了较大发展。本文通过回顾布料仿真建模方法的相关工作,对国内外方法的研究进展进行综述,从布料仿真中数值积分方法的改进、多分辨率网格的改进和机器学习方法的使用等方面对布料仿真方法的发展进行简要阐述,并根据不同方法在布料模拟应用上的特性,对几大类改进方法进行了相应的总结与展望。同时选取几种算法进行对比,并给出建议。     

基于PhysX物理引擎的布料仿真技术的研究与实现

运用布料仿真技术中的物理方法来实现对布料印制效果的三维展示.首先对布料建立弹簧-质点模型,分析弹簧-质点模型的受力状况,以牛顿第二定律作为理论基础,用PhysX物理引擎中的模拟函数模拟布料的运动,并解决了仿真中与刚体的碰撞问题与布料自身的碰撞问题.最后通过生成多个仿真效果和加入多种交互功能,构建了适用于印花图案设计产品的虚拟展厅.     

三维服装仿真中的"服装-人体"快速冲突检测及响应算法

维胆装仿真可以为三维人体动画生成逼真的服装动态效果，但其中的冲突检测与仿真计算的时间复杂度太高，其实用性一直受到很大限制．提出了一种快速的“服装-人体”冲突检测友响应算法，在人体运动状态下，快速检测服装与人体之间的位置冲突，其时间复杂度仅为O（n）（n为服装模型上的顶点数目）．在此基础上，提出一种合理有效的冲突响应机制，并实现快速稳定的三维服装仿真，取得了真实的仿真结果．     

基于双层候选集的快速人体-服装冲突检测

冲突检测是人体-服装动画研究的核心技术之一,已有的层次冲突检测方法在处理服装变形时需要对层次节点进行大量更新,计算复杂度高,难以满足实时检测的要求,针对人体和服装的特殊位置关系和运动规律,提出一种基于双层候选集的实时冲突检测方法.首先为服装模型的每个顶点建立可能发生位置冲突的人体模型面片候选集,利用候选集的母子双层结构剔除绝大多数不可能发生冲突的图元.该候选集相对于已有的层次方法具有更快的更新速度且具有较好的独立性,便于并行处理;在确定可能冲突的图元后,采用GPU片段程序来加速大规模图元间的相交测试.实验结果表明,该方法检测迅速准确,对一般人体-服装模型(10000面以下)能达到30～75帧/s的实时处理.     

基于角色几何碰撞体估计的实时服装仿真

提出了一种快速处理三维服装仿真中角色与服装碰撞的方法.该方法能够满足交互式实时仿真环境的需求.在预处理阶段,根据蒙皮动画的特点,将角色的几何形状以球和简化凸包等简单碰撞体进行估计.在实时模拟阶段,这些碰撞体跟随骨架运动并代替角色模型网格完成与虚拟服装之间的碰撞处理.此外,为了能够快速计算碰撞响应信息,该方法还利用外围映射机制进一步开发了相交测试的空间局部性.实验结果表明,应用该方法可以有效避免衣片与角色模型之间的相互穿透,同时大幅度地减少碰撞处理计算量.实时仿真系统对于复杂服装网格仍然保持了较高的模拟帧速率.     

结合一种面-面碰撞检测算法的服装动态模拟

实时的服装动态模拟一直是计算机动画的研究热点。在回顾弹性模型及其碰撞问题的相关研究工作的基础上，采用基于质点－弹簧模型的动态模拟方法，产生了虚拟3D模特表面的服装动态效果。其中考虑了织物的非理想弹性属性和变化的空气流作用力，并针对系统实现的瓶颈－服装和人体的碰撞问题，提出一种碰撞检测算法。     

融合神经网络的布料碰撞检测算法

目的 针对当前在虚拟环境中布料柔体碰撞检测效率慢和准确性低的问题,提出一种根节点双层包围盒树结构和融合OpenNN （open neural networks library）神经网络加速预测碰撞检测的算法。方法 首先改进了碰撞检测常用的包围盒技术,提出根节点双层包围盒算法,减少包围盒的构造时间。其次使用神经网络优化碰撞检测技术,利用神经网络可以处理大量数据的优势,每次可以检测大量基本图元是否发生碰撞,解决了碰撞检测计算复杂性高的问题。最后准确地找到碰撞粒子并做出碰撞响应。结果 在相同的复杂布料模型情况下,根节点双层包围盒算法在运行速度上比传统混合包围盒算法快,耗时缩减了5.51%~11.32%。基于OpenNN算法的总耗时比根节点双层包围盒缩减了11.70%,比融合DNN （deep neural network）的自碰撞检测算法减少了6.62%。随着碰撞检测难度的增大,当布料模型的精度增加84%时,传统物理碰撞检测方法用时增加96%,融合DNN的自碰撞检测算法用时增加90.11%,而本文基于神经网络的算法用时仅增加了68.37%,同时表现出更高的稳定性,满足使用者对实时性的要求。结论 对于模拟场景中简单模型的碰撞,本文提出的根节点双层包围盒算法比传统的包围盒方法耗时短。对于复杂模型,基于OpenNN神经网络的碰撞检测算法在效率上优于传统的包围盒算法和融合DNN的自碰撞检查算法,而且模拟效果的准确性也得以保证,是一种高效的碰撞检测方法。     

一种用于实时模拟布料与流体交互的算法研究

针对目前布料与流体交互时出现的流体穿透和布料自碰撞问题,提出一种用于实时模拟布料与流体交互的方法.首先,根据布料的网格拓扑结构引入拉伸约束和弯曲约束对弯曲力以及拉伸力进行建模;其次,采用膨胀式连续碰撞检测方法检测布料与流体间的碰撞,并使用基于惩罚的接触力来处理碰撞响应,解决了高速度流体与布料发生碰撞时的穿透问题;最后,引入交互因子记录布料与流体的首次接触时间,采用扩张的k-DOPs层次包围体结构对布料上的所有几何元素进行相交检测,并采用施加约束的方法处理发生碰撞的质点的位置和速度,保证了检测速率并解决布料自碰撞的问题.实验结果表明,该方法能够准确检测到流体穿透和布料自碰撞的问题,并对交互时的相互作用做出正确的碰撞响应,且该方法具有实时性、效率高和通用性等优点.     

一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画方法

实时服装动画生成技术能够为三维虚拟角色实时地生成逼真的服装动态效果,在游戏娱乐、虚拟服装设计展示等领域有着广泛的应用前景.其难点在于如何建立服装动画计算模型,在实时计算的前提下获得最佳的服装动画生成效果.在对服装模型与人体模型在运动过程中发生的位置冲突(collision,也称碰撞)进行分析的基础上,研究并提出了一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画计算模型.首先,根据服装动画样本数据中服装与人体发生位置冲突的信息,对服装与人体的运动相关性进行分析;在此基础上,提出并实现一种新的混合策略,将具有较好服装动态模拟效果的动力学计算模型与具有较高计算效率的几何变形方法进行混合,建立支持实时计算且效率可动态控制的服装动画计算模型.实验结果表明,该计算模型能够实时地生成具有较好视觉逼真性的服装动画.     

Animation of stochastic motion of 3-D cloth objects

This paper presents a physically-based aerodynamic force model for the realistic animation of a three-dimensional cloth object, such as a skirt. The model is based on the theory of low speed aerodynamics with some modifications to model the unsteady movement of a 3-D cloth object in air flow. The consideration of the solid object in the vicinity of the cloth, the porosity of the cloth and the collision detection of the cloth with other objects and with itself are also included. To achieve more realistic animation, a stochastic wind model has been proposed to model the free stream air flow. Realistic animation results of a skirt moving in air flow have been obtained by applying these models.     

Research problems in clothing simulation

Clothing simulation and animation are of great importance in computer animation. If cloth simulations could be improved to the point that they could generate realistic cloth motion in real-time, they would find uses in many aspects of daily life such as in fashion design and manufacturing. The area of cloth simulation and animation is full of technical challenges: creating more realistic results, achieving faster run-times, and developing methods capable of constructing and simulating more complex garments. This paper provides an overview of the key procedures involved in the creation of clothed characters, describes the current state-of-the-art techniques, and proposes the research problems that most require further study. Three technical aspects of cloth simulation are considered in this paper: garment construction, physically based simulation, and collision resolution.