逼真稳定的服装动画方法研究

Garment animation is a necessary technical means to enhance the visual realism of character. In order to obtain realistic animation,building an effective motion model is very important. In practical applications, cloth is often taken as elastic material and simulated using elasticity model. Although this method can simulate folds and wrinkles in cloth animation, it fails in the simulation of long and thick garments because of excessive stretching distortion.Constraints imposed into dynamical systems can effectively inhibit the stretching of the cloth. A method to model and solve multi-constraints in garment animation will enhance the simulation. In this project,we will conduct the research on stable and realistic garment animation. First of all, we build the constraint to inhibit the over elongation based on material analysis. Then, we analyze the relative relationship between the garment and body surface, and design position constraint and robust collision response mechanism.On this basis, the garment animation system is build based on multiple constraints and the realistic and stable garment animation is simulated.

服装动画技术是增强虚拟角色视觉逼真性的一种必要技术手段。为了获得逼真的服装动画效果，关键问题是构建真实有效的服装运动模型。在实际应用中，通常将构成服装的布料近似为弹性材质，采用弹性力学模型进行模拟。这种方法虽然能够较好地模拟服装运动中的弯曲褶皱，但当模拟长款或较厚的服装时，该方法将导致过度拉伸的失真动画效果。 通过在动力学系统中施加约束，能够有效抑制布料的拉伸。已有方法通常只考虑单一距离或边长约束的求解，对于包含多种约束的服装动力学系统，尚缺乏成熟的计算方法。 基于这一背景，本项目围绕稳定逼真的服装动画计算这一具体问题展开研究。首先基于布料材质特性构建拉伸约束模型；其次针对服装与人体表面相对位置关系，设计合理的位置约束模型以及鲁棒的碰撞响应约束机制；在此基础上，构建多重约束作用下的服装动画系统，并合成视觉效果逼真且计算稳定的服装动画。

本项目围绕逼真稳定的服装动画计算这一具体问题展开研究。从两个方面入手开展工作：在模型层，对布料材质特性进行分析，建立有效的受力模型和约束模型，解决服装动画的逼真性问题；在数值计算层，构建基于约束的服装动力学系统，并对其进行稳定快速求解，解决服装动画的有效性问题。在此基础上，合成视觉效果逼真稳定的服装动画。.项目从基于薄壳理论的布料弯曲变形模型、基于布料材质特性的无拉伸约束建模、基于人体-服装位置关系的位置约束建模、稳定的碰撞响应约束以及多约束动力学系统求解等五个方面展开研究。取得了以下成果：.（1）提出了一种基于薄壳理论的布料弯曲变形模型。该方法通过分析布料微观结构的材质特性，推导出宏观布料面片在弯曲变形过程中的正交方向刚度比，并在此基础上，构建了基于薄壳理论的特性化布料弯曲模型。与基于薄板理论的布料变形模型相比，提出的模型可以更精确地描述布料的大弯曲行为。.（2）提出了一种特性化约束建模方法，可适用于无拉伸布料动画模拟。其特点在于，该约束以薄壳理论构建的布料弯曲模型为基础，在控制布料拉伸的同时不破坏其弯曲特性，因此可以保持更真实的布料变形特征。实验显示，可以将拉伸控制在5%以内，提高了系统的稳定性。.（3）提出了一种基于半全局约束的布料动画计算方法。该方法为约束集中的每个约束标注一个作用力因子，当作用力因子的值小于指定阈值，便将其从约束集中摒弃。该方法在不丢弃必要约束的前提下，可以对约束集进行有效精简，减小计算代价的同时，保持了动画稳定性。.基于以上研究，实现了基于多约束的服装动画系统。系统可以稳定地进行布料以及服装的动画计算，在模拟着装人体动画时，不仅避免了过度拉伸以及掉落的视觉失真，同时也能保持较为真实的细节变形。该系统也为后续研究提供了必要的工作基础。