仿真布料动画技术的方法论述与研究

张娜 赵津津 李雪

【摘要】计算机时代的到来，使3D类型的游戏或动画的电影研究者们共同关心并且研究的话题，蒸蒸向上的氛围，布料动画表现了很多的运动细节，或着很细腻，逼真的动画效果，可以广泛应用于动画、游戏和虚拟现实等领域。本文主要介绍了布料动画中仿真布料物理性的分析，并且罗列出最基本的方法介绍，近年来布料动画的分析文章有很多，发现其中存在的相互联系，总结出布料动画真在面临的发展趋势与挑战，为3D类型的游戏游戏和动画中仿真技术的研究提供系统的思路。

【关键词】布料动画；仿真模型；方法：挑战

布料动画技术时代的到来，即模拟虚拟场景过程中，布料在不同的力的作用下随着时间的发展跟进展不断地发生变形，20世纪80年代时兴起的这一门技术，使得布料动画不断地应用于电视、服装工业，以及包括最新的游戏等不同的领域中，还有三维数字电影中，布料动画的在我们看来是角色视觉逼真性较高的技术，作为一种必要的技术手段，可以令服装模型随着角色的不同位置的运动产生最令人感觉真实的动态效果，在我们最近流行起来的三维游戏中，最令人印象深刻的着装虚拟角色，提高了布料动画中虚拟场景的着装角色，对“沉浸度”进行提高，使人有“身临其境”之感，我们的服装中，三维服装的CAD、虚拟试衣技术，展示了最新的服装设计和展示模式，设计师设计的服装达到顾客的满意。

布料动画技术应用于我们的生活中的成功，从而引起了学术界的关注，同时也引起了人们的研究，现在来看，人们对布料动画的研究，偏向于早期的文字记载等，少了对近期的研究与记载，从而限制相关研究，由于布料动画方的法是布料动画技术展现在我们面前的最为根本的核心问题，因此本文重点围绕布料动画方法进行介绍，其次，提未来得挑战性关键问题，并表现出布料动画在相关领域的研究与应用前景的方向。

一、布料动画方法

布料动画方法，叙述出布料在力的作用下的产生的变化，构造出布料动画的基本模型，是布料动画中最基本的核心问题。

1.约束动力学法

约束动力学法，经常是对其中的刚性成分定义成为约束，使得其在刚性变形的同时增强了稳定性。就是几何得约束力以拉格朗日乘子、约束力的形式增加到动力学系统中，建成约束动力学方程，用求解该方程，得到布料动画技术中最终变形在布料动画中。

2.并行计算法

并行计算法，应用于迫切增长的实时性的高需求，出从发展起来的，就是现在生活中在多核处理系统等等的多种计算资源构建出来的布料动画的并行计算模型，以加速动画模拟计算，提高动画的高效率。

3.混合法

混合法，就是以实时性作为研究的目标，将物理法、几何法系统的结合在一起，同时不降低逼真性，达到提高计算机的效率。有两种解决的方法，一是全局和局部混合策略的方法，使用物理的不同方法的运动方法趋势从而进行模拟，再利用几何的方法进行模型平滑的处理、或者生成褶皱等局部；另外的一种，是采用区域的混合的策略，是根据一定来说准则对服装模型从而进行区域额分割，然后分区域进行动画的建模，在保证实时计算的前提下，达到最可能的提高动画视觉的效果。

4.自适应网格法

自适应网格法，就是当物体在发生较多弯曲变形、丰富的褶皱区域进行高密度网格，其它地方采用相对稀疏网格，动画效果不变的前提下，动画的制作效率进行提升。建立自适应网格模型。

5.几何法

几何法，只需要考虑布料的几何属性，从而利用样条曲线、悬链线等变形，模拟布料布局或服装整体的整体造型，一开始的几何模型是悬链线的模型，进行计算两个约束点的之间悬链线的模型，表达布料的垂悬状态。对于逼真连贯布料变形动画是非常难的。

6.实例数据法

实例数据法，就是通过视频数据或三维数据，重新表达服装模型运动，或者是根据已经有的实例数据，出来新的动画。通过运动捕获的技术与动画合成技术，在计算机的领域中发展，從新建造重用额问题进行高效率研究，研究结果表明：一般来说，运动捕获技术的获取，实例数据通常是真实有效额，可靠性高的，使得服装动画合成达到效果。但是，通常在运动过程中的遮挡造成信息的丢失，达到“补漏”工作量的巨大。所以，做出合理运动模式，从而避免过度遮挡，设计有效的“补漏”方法，都是较为重要的问题。

7.物理法

物理法，就是考虑布料的物理属性，做出物理额受力模型，还有标准动力学方程，以及拉格朗日方程，从而对受力进行分析，得知变形状态，在中间主要包括物理受力模型，模型参数学习，及数值求解技术三方面要求的内容。

二、布料动画面临的挑战及其发展趋势

我们现在生活中，布料动画技术还尚不能满足动画电影、三维额游戏应用中交互式地、生成动画的要求。在我们生活中服饰细节信息同时降低时间、内存消耗等，取得真实感、高效性之间的矛盾，主要体现在以下方面：

1.布料动画的实时性

实时性是关键问题。在动力学方程的求解，以及碰撞检测的响应，是影响计算速度主要的因素。动力学微分方程求解中，通常显式方法是采取近似的方法进行数值的不同计算，计算复杂度相对较低。数值稳定性在模拟过程中的确保，降低了弹簧的刚度。时间的步长旨在获得单位时间长度的布料动画，其所需计算次数的不断增加；另外一点，取小弹簧的刚度，会达到“超弹性形变”，真实感明显降低。数值方法可以知道，隐式的方法相比较显式的方法，在布料动感模拟中，能使系统具有稳定性，能快速使系统趋于平衡，显示出高效性。比较困难的是如何在准确性、实时性上取一个中间的方法。

2.布料动画的真实感方面

布料动画存在的关键性问题是在于满足真实感的需求，而现有利用最为复杂的连续体模型，依旧不能模拟布料动画的某些行为。质点——弹簧模型，是一种表示简单、易于构建的动态建模的方法。生活中对该模型的研究已有多年的历史。然而，真实感、实时性的研究进展一直停滞，相比较生成视觉效果看，如何表现布料的褶皱成为关键。

3.基于物理的布料动画展望

总的来说，利用计算机图形的方法，达到对布料动画的仿真和模拟，但是也面临问题：在我们日常中追求“渲染速度”中，比较强调“真实感”，现在的布料动画研究成果，难兼顾实际的应用，提出高度真实感和实时性，使得布料动画出现了新的机遇和挑战。

三、结束语

布料动画是计算机领域的研究方向，研究的手段多样，最终达成布料的运动与应用。本文主要围绕布料动画的不同方法，从而对近年来的主要工作，进行了分类介绍，同时，对布料动画的现状与发展趋势做了表述，也提出了新的挑战，为布料动画的发展提供参考。

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