多层服装动画方法研究

Most research of clothing animation aims at single-layer garment. The inner layer of garment is often handled as the skin of the role. Simulation of the dynamic garment with multi-layer cloth is difficult. When the clothing model changes to multi-layer, the layers collide frequently, and the complexity of collision detection grows nonlinearly. Moreover, the different layers usually fit closely, and that brings new challenges to the collision response. .Based on this backgroud, our project carries out research aiming at the concrete issue of multi-layer garment animation. We intend to begin with physical based animation method,and foucus on efficient accurate collision detection and response algorithms. We use hierarchical bounding box technology and feature triangle method to reduce the amount of geometric primitives to take intersection testing and improve the efficiency of collision detection. We will design a robust and natural method of collision response based on constraint and introduce constraint refinement mechanism to ensure a reasonable and vivid response. We will also use the Jacobi iteration to speed up the solving of large-scale linear equations. As a result, realistic multi-layer garment animation could be synthesized.

目前的服装动画方法研究大都针对单层服装，在应用中将内层服装当作角色的皮肤来处理，无法模拟强调层次效果的服装动态效果。当服装模型从单层变为多层，由于外层服装受内层服装的支撑，多层服装在运动过程中会频繁地出现碰撞，使得碰撞检测复杂度呈非线性增加；而且由于不同层之间通常贴合较为紧密，给碰撞响应也带来了新的难题。.基于这一背景，本项目针对多层服装的动画计算这一具体问题开展研究，拟以物理的方法为基础，研究高效、精确的碰撞检测算法，采用分层包围盒技术和特征三角形方法，减少需要进行相交测试的几何基元的数目，提高碰撞检测的效率；设计鲁棒、自然的碰撞响应机制，采用基于约束的碰撞响应方法，并引入约束条件细化机制，确保了响应的合理性和逼真性；辅以快速稳定的大规模线性方程组求解，利用雅可比迭代法，加快方程组的求解速度；最终合成视觉效果逼真的多层服装动画效果。

服装动画是角色动画的重要组成部分。利用服装动画技术，能够生成逼真的服装运动，使得虚拟角色整体具有非常细腻真实的动画效果。目前，服装动画技术在电影电视、游戏娱乐、虚拟现实等领域得到了广泛的应用。然而，多层服装动画技术仍面临诸多挑战，特别是在碰撞处理方面，其效率和效果距离实际应用需求还有一定差距。本项目采用基于物理的服装建模方法来对多层服装运动进行建模，重点围绕多层服装的碰撞检测与碰撞响应这两个方面展开研究，实现了逼真自然的服装动画效果，研究成果如下：.1..提出了一种精确、鲁棒的多层布料碰撞检测方法. 由于受数值误差的影响，碰撞检测可能会漏掉碰撞，给后面的仿真带来灾难性的影响。本项目在基于特征的碰撞检测方法基础上，对多层布料动画中复杂的碰撞情况进行分析，归纳了布料上“顶点-面”以及“边-边”之间的碰撞检测临界接触状态，提出了针对性的解决方法，提高了碰撞检测鲁棒性和准确性；并通过动态特征重分配，进一步提高了碰撞检测的效率。.2..提出了一种多层布料碰撞快速混合响应方法. 传统动量法不能处理复杂碰撞，而基于约束的响应方法，虽然响应效果逼真，但计算量很大。本项目提出了一种多层布料碰撞快速混合响应方法，一方面采用动量法与约束优化法相结合的思路，在保证响应效果的前提下，提高响应速度；另一方面，提出一种新的约束条件更新策略，既保证了碰撞约束响应集的有效，又通过对其进行快速精简，在保持动画稳定性的前提下，进一步提高响应的效率。.3..实现了服装动画中的一系列经典算法，在此基础上研制了多层服装动画原型系统. 在上述多层布料碰撞检测与响应方法的研究基础上，本项目实现了相关的服装动力学建模和数值求解方法，采用质点-弹簧模型建立服装的受力模型，采用隐式的欧拉积分来求解微分方程组，并结合雅克比迭代法和高斯-塞德尔迭代法加快系统求解，构建支持多层布料的服装动画原型系统，实现了逼真自然的服装动画。