在Style3D中，高度逼真的3D服裝、柔性自然的版型、經(jīng)得起50倍放大的面料細(xì)節(jié)以及可靜可動(dòng)的虛擬模特等吸引了一大批設(shè)計(jì)師及服企的眼光，而藏在夢(mèng)幻視覺效果的背后，則是Style3D日益進(jìn)步的服裝數(shù)字技術(shù)。
Style3D作為國(guó)內(nèi)唯一 一款大型商業(yè)化柔性體仿真工業(yè)軟件，其核心技術(shù)主要分為：柔性仿真、服裝真實(shí)感渲染、服裝CAD設(shè)計(jì)。
今天，我們就來揭秘下，Style3D背后的“技術(shù)芯”之一：基于物理的布料仿真技術(shù)。
高精度的仿真要求
在服裝產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)端，服裝設(shè)計(jì)的3D數(shù)字化革新中，面臨的一個(gè)大難題是對(duì)面料進(jìn)行高精度的仿真模擬。
由于現(xiàn)實(shí)中的布料具有復(fù)雜的物理特性，既有彈性也有塑形、既可以自由變形又無法過度拉伸、既可以是針織結(jié)構(gòu)也可以是紡織結(jié)構(gòu)，所以高質(zhì)量高效率的布料仿真在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域是一直都是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的研究問題。
Style3D作為一款成熟的服裝3D建模設(shè)計(jì)軟件，服裝設(shè)計(jì)師通過在Style3D中進(jìn)行數(shù)值化的2D服裝版片設(shè)計(jì)，利用三角形網(wǎng)格生成算法在3D空間中得到服裝網(wǎng)格，再通過一定的版片安排策略與恰當(dāng)?shù)目p合工藝，設(shè)計(jì)師就能通過實(shí)時(shí)仿真技術(shù)得到虛擬的成衣效果。
高質(zhì)量的仿真技術(shù)
Style3D的仿真技術(shù)核心，實(shí)質(zhì)是一個(gè)高質(zhì)量的實(shí)時(shí)布料仿真器。
主要由精確的布料物理模型，高效穩(wěn)定的數(shù)值時(shí)間積分方法與求解方法，精確的碰撞處理等幾個(gè)核心模塊組成。每一個(gè)模塊都有非常高的要求，任何一個(gè)部分出現(xiàn)問題都會(huì)極大的影響最終的布料效果。另外，布料仿真的效率也越來越關(guān)鍵。Style3D中快速的布料仿真器可以極大地降低服裝設(shè)計(jì)師的時(shí)間成本。
◆自主研發(fā)
Style3D的布料仿真器開發(fā)團(tuán)隊(duì)以當(dāng)前學(xué)術(shù)界最先進(jìn)的布料仿真算法為支撐，不斷地更新迭代適用于服裝工業(yè)場(chǎng)景的服裝設(shè)計(jì)功能，其核心業(yè)務(wù)代碼全為自研。
◆高度適配
Style3D的布料模擬算法運(yùn)行在目前硬件架構(gòu)最先進(jìn)的 NVIDIA 顯卡上以獲得最高效的GPU 并行加速性能。同時(shí)，通過SIMD加速技術(shù)，Style3D的布料模擬算法也可以高效地運(yùn)行在主流的CPU架構(gòu)上，支持跨平臺(tái)操作。
（Style3D獲得的技術(shù)專利）
仿真技術(shù)的應(yīng)用拆解
在Style3D中服裝制作可以簡(jiǎn)單的分為一下幾個(gè)主要步驟：
版片縫合：衣服版片設(shè)計(jì)完成并在3D界面中設(shè)置好初始位置之后，模擬就可以正式開始了。如下圖所示，不同的版片在縫合線牽引力的作用下快速地組裝成了一件完整的衣服。
碰撞處理：即便設(shè)計(jì)師在初始位置設(shè)置得不好，Style3D的碰撞處理能力也可以快速地得到正確的衣服形態(tài)，保證衣服的物理正確性。
實(shí)時(shí)交互：在實(shí)時(shí)模擬過程中，動(dòng)態(tài)的鼠標(biāo)交互拖拽為用戶提供了干預(yù)模擬的能力。
GPU加速：如下圖所示，使用GPU進(jìn)行并行加速后，碰撞處理的效率明顯高于CPU模擬，大大提高了布料仿真的效率。
*左邊為GPU，右邊為CPU
仿真技術(shù)的核心算法
基于物理的布料仿真主要包括以下幾個(gè)階段：
受力分析：針對(duì)布料進(jìn)行受力分析需要建立在特定的物理模型的基礎(chǔ)之上，比如質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，如下圖所示：網(wǎng)格中的每一個(gè)頂點(diǎn)代表一個(gè)有質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)，而質(zhì)點(diǎn)之間則通過無質(zhì)量的彈簧連接。當(dāng)彈簧的長(zhǎng)度發(fā)生改變時(shí)，與其相連的質(zhì)點(diǎn)就會(huì)受到彈性力的作用開始運(yùn)動(dòng)。
（布料受力演示）
時(shí)間積分：布料仿真的過程就是求解布料運(yùn)動(dòng)方程的過程，
其中a代表布料的加速度，fint代表布料由形變產(chǎn)生的彈性力，fext代表外部施加給布料的外力，比如重力、風(fēng)力與撕扯力等。該運(yùn)動(dòng)方程滿足牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，本質(zhì)上是一個(gè)非線性方程，可以使用非線性優(yōu)化方法中的牛頓法來求解。如上圖所示，在經(jīng)過質(zhì)點(diǎn)彈簧模擬的受力分析之后，一塊布料網(wǎng)格可以表現(xiàn)出符合基本物理規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。
碰撞處理：為了保證布料模擬的物理真實(shí)性，需要保證布料不穿透進(jìn)人體，布料之間也需要保證沒有相交。碰撞處理一般分為兩步：碰撞檢測(cè)與相交解除。在碰撞檢測(cè)中，高效的包圍盒層次結(jié)構(gòu) (Bounding Volume Hierarchy: BVH) 被廣泛的用來加速碰撞剔除。Style3D中基于GPU并行加速的BVH實(shí)現(xiàn)方案足以支持實(shí)時(shí)模擬20萬三角形的服裝網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬。
凌迪Style3D深耕服裝仿真技術(shù)5年，累計(jì)數(shù)億元的研發(fā)投入，聯(lián)合中科大、伯克利、浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等高校和機(jī)構(gòu)的技術(shù)專家，目前Style3D的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已在柔性仿真領(lǐng)域建立了技術(shù)高地。
未來，Style3D將持續(xù)投入研發(fā)，并不斷打磨產(chǎn)品，落地針對(duì)性的行業(yè)解決方案，提供給全球服裝企業(yè)及研發(fā)設(shè)計(jì)用戶更好的3D數(shù)字化體驗(yàn)。
本篇主筆：王振東
凌迪科技資深算法工程師
浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)博士
曾在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)頂級(jí)會(huì)議SIGGRAPH ASIA、
PACIFIC GRAPHICS上發(fā)表學(xué)術(shù)論文
