本發(fā)明屬于織物計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于改進(jìn)彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型的花色組織變形模擬方法。

背景技術(shù)：
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基于物理模型的針織物模擬一直是針織CAD和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。它需要交叉運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、彈性力學(xué)、針織學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)，專注于實(shí)時(shí)地、高效地、真實(shí)地生成緯編針織物運(yùn)動(dòng)和變形的實(shí)際效果，在針織物設(shè)計(jì)生產(chǎn)、虛擬試衣、電影游戲等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

申請(qǐng)?zhí)枮?01510109211.3的專利公開了基于球B樣條的緯編針織物的仿真方法，屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與針織學(xué)的交叉領(lǐng)域，對(duì)基于球B樣條構(gòu)建的緯編針織物進(jìn)行仿真。通過定義一系列的控制點(diǎn)、控制點(diǎn)所在的控制半徑以及控制點(diǎn)相聯(lián)系的B樣條曲線來實(shí)現(xiàn)緯編針織物的單純幾何形態(tài)仿真。

申請(qǐng)?zhí)枮?01510251426.9的專利公開了一種基于混合包圍盒的動(dòng)態(tài)織物仿真方法，屬于計(jì)算機(jī)與力學(xué)的交叉領(lǐng)域。所述方法包括：運(yùn)用基于三角形面片的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型對(duì)服裝建模，并進(jìn)行碰撞檢測(cè)與響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了效果逼真的實(shí)時(shí)織物動(dòng)態(tài)模擬。

緯編花色組織模擬過程中，主要涉及到織物的有效物理模型構(gòu)建，紗線的真實(shí)感模擬，紗線的碰撞檢測(cè)等。對(duì)于織物物理模擬，首先遇到的問題為物理模型的建立，傳統(tǒng)的織物物理模型建模方法有連續(xù)介質(zhì)模型、粒子系統(tǒng)和傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，其中彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型以其高效便捷性廣泛應(yīng)用于緯編織物物理建模。

在實(shí)際模擬系統(tǒng)開發(fā)中如何更真實(shí)高效實(shí)時(shí)地處理緯編花色組織變形問題是緯編針織物變形模擬的關(guān)鍵問題。需要解決的難點(diǎn)在于如何巧妙并合理的減少模擬運(yùn)算過程，降低計(jì)算難度。目前使用比較廣泛的方法是使用傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型與線圈型值點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，相對(duì)應(yīng)的型值點(diǎn)也隨之發(fā)生位移，產(chǎn)生線圈形態(tài)的變化。這種方法只能近似的模擬線圈的變形，因?yàn)榫暰庒樋椢锞幙椫写嬖卺槾查g的相互運(yùn)動(dòng)，立體效果極為明顯，因此這種平面的物理模型并不能真實(shí)地模擬出線圈真實(shí)的立體效果和線圈變形效果。例如，Meissner等引入彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，用模型中的質(zhì)點(diǎn)控制線圈的型值點(diǎn)，根據(jù)能量守恒定律，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算獲得質(zhì)點(diǎn)的位移和速度，但模擬效果缺乏真實(shí)感；Yuksel等將織物網(wǎng)格化，在網(wǎng)格中填入用直線連接的多邊形組織，通過放松彈簧和平滑多邊形線圈的方式，模擬出了多種緯編織物線圈形態(tài)，模擬效果逼真，但模擬時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差。有限元模型將織物看作連續(xù)的介質(zhì)，因此在表達(dá)緯編花色組織變形細(xì)節(jié)方面，效果并不生動(dòng)。綜上所述，目前用于模擬緯編花色組織變形的模型和方法存在效果欠缺真實(shí)、模擬速度達(dá)不到實(shí)時(shí)性等問題。

公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對(duì)本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種基于改進(jìn)彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型的花色組織變形模擬方法，對(duì)基于NURBS曲線構(gòu)造的緯編花色組織進(jìn)行變形模擬，同時(shí)通過線圈的參數(shù)化處理來方便用戶進(jìn)行交互操作，在真實(shí)地展示緯編針織物線圈變形效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，從而克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于改進(jìn)彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型的花色組織變形模擬方法，其步驟為：

(1)建立緯編花色組織的長(zhǎng)方體彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型：將彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型立體化，生成長(zhǎng)方體立體模型，各質(zhì)點(diǎn)均勻分布在空間的網(wǎng)格上，長(zhǎng)方體的每條邊作為結(jié)構(gòu)彈簧，對(duì)角線作為剪切彈簧；

(2)花色組織線圈變形的模擬：根據(jù)真實(shí)的花色組織偏移量分析，模擬花色組織線圈的變形，將織物以線圈為基本單元，建立線圈與物理模型的聯(lián)動(dòng)關(guān)系；

(3)花色組織線圈偏移量的分析：分析花色組織線圈偏移量的回歸方程，通過對(duì)花色組織織物線圈進(jìn)行測(cè)量，得到線圈偏移量與線圈型值點(diǎn)間的關(guān)系；

(4)任意方向拉力下的緯編針織物模擬效果：在長(zhǎng)方體彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型上創(chuàng)建線圈型值點(diǎn)，型值點(diǎn)坐標(biāo)與質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)建立關(guān)聯(lián)，使花色組織線圈型值點(diǎn)的偏移量與質(zhì)點(diǎn)位移量成比例；

(5)紗線的股線捻度模擬：以NURBS曲線為結(jié)合中心，生成圓柱，再通過分別平移圓柱，形成相互平行的單紗效果；通過圓的極坐標(biāo)方程原理，旋轉(zhuǎn)互相平行的圓柱，形成紗線的股線捻度效果。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，基于NURBS曲線的緯編花色組織幾何建模及其模擬，在相互穿套線圈的型值點(diǎn)間建立長(zhǎng)方體彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，通過彈簧力的傳播，獲得能夠?qū)崟r(shí)性展現(xiàn)織物變形效果的動(dòng)畫。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，步驟(4)中通過設(shè)置長(zhǎng)方體彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型的彈簧物理屬性和質(zhì)點(diǎn)屬性，結(jié)合Velocity-Verlet數(shù)值積分法求解運(yùn)動(dòng)微分方程，計(jì)算出質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位置，模擬線圈形狀隨著質(zhì)點(diǎn)的變化而變化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

基于NURBS曲線構(gòu)造的緯編花色組織進(jìn)行變形模擬，能夠真實(shí)地模擬出緯編花色組織線圈變形效果；同時(shí)通過線圈的參數(shù)化處理來方便用戶進(jìn)行交互操作，使用靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)織物信息，在真實(shí)地展示緯編針織物線圈變形效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，提高了模擬效率。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的改進(jìn)的長(zhǎng)方體彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型示意圖；

圖2是立體彈簧質(zhì)點(diǎn)模型與線圈型值點(diǎn)受力的關(guān)聯(lián)示意圖；

圖3是基于NURBS曲線的織物受拉力模擬效果示意圖；

圖4是紗線股線模擬效果示意圖；

圖5是花色組織變形模擬效果示意圖；

圖6是本發(fā)明的基于改進(jìn)彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型的花色組織變形模擬的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖。

具體實(shí)施方式：

下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受具體實(shí)施方式的限制。

除非另有其它明確表示，否則在整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”或其變換如“包含”或“包括有”等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而并未排除其它元件或其它組成部分。

如圖1-6所示，一種基于改進(jìn)彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型的花色組織變形模擬方法，其步驟為：

(1)建立緯編花色組織的長(zhǎng)方體彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型：將彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型立體化，生成長(zhǎng)方體立體模型，各質(zhì)點(diǎn)均勻分布在空間的網(wǎng)格上，長(zhǎng)方體的每條邊作為結(jié)構(gòu)彈簧，對(duì)角線作為剪切彈簧；根據(jù)胡克定律(Hooke’s law)設(shè)置由質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)位移的變化而產(chǎn)生的彈簧力，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵循Newton第二定律；

(2)花色組織線圈變形的模擬：含有花色組織的織物，由于線圈間力的相互作用，使線圈產(chǎn)生形變；根據(jù)真實(shí)的花色組織偏移量分析，模擬花色組織線圈的變形，將織物以線圈為基本單元，建立線圈與物理模型的聯(lián)動(dòng)關(guān)系；

(3)花色組織線圈偏移量的分析：分析花色組織線圈偏移量的回歸方程，通過對(duì)花色組織織物線圈進(jìn)行測(cè)量，得到線圈偏移量與線圈型值點(diǎn)間的關(guān)系；

(4)任意方向拉力下的緯編針織物模擬效果：在長(zhǎng)方體彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型上創(chuàng)建線圈型值點(diǎn)，型值點(diǎn)坐標(biāo)與質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)建立關(guān)聯(lián)，使花色組織線圈型值點(diǎn)的偏移量與質(zhì)點(diǎn)位移量成比例；當(dāng)緯編針織物收到外力作用時(shí)，線圈產(chǎn)生形變；由于緯編織物線圈是相互穿套而成，線圈間相互接觸產(chǎn)生力的作用，因此線圈的受力變形不僅收到外力的影響，也有來自相鄰線圈的影響，對(duì)緯編針織物受力后的變形進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了織物的變形模擬；不同方向的拉力作用于緯編織物會(huì)產(chǎn)生不同的效果，通過Velocity-Verlet數(shù)值積分法求解運(yùn)動(dòng)微分方程，計(jì)算出質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位置，進(jìn)而得到型值點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的偏移量，模擬線圈形狀隨著質(zhì)點(diǎn)的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任意方向的拉力作用于緯編針織物的模擬；

(5)紗線的股線捻度模擬：以NURBS曲線為結(jié)合中心，生成圓柱，再通過分別平移圓柱，形成相互平行的單紗效果；通過圓的極坐標(biāo)方程原理，旋轉(zhuǎn)互相平行的圓柱，形成紗線的股線捻度效果。

基于NURBS曲線的緯編花色組織幾何建模及其模擬，在相互穿套線圈的型值點(diǎn)間建立長(zhǎng)方體彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，通過彈簧力的傳播，獲得能夠?qū)崟r(shí)性展現(xiàn)織物變形效果的動(dòng)畫。

前述對(duì)本發(fā)明的具體示例性實(shí)施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述并非想將本發(fā)明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，可以進(jìn)行很多改變和變化。對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行選擇和描述的目的在于解釋本發(fā)明的特定原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并利用本發(fā)明的各種不同的示例性實(shí)施方案以及各種不同的選擇和改變。本發(fā)明的范圍意在由權(quán)利要求書及其等同形式所限定。