硬货！揭秘Style3D高仿真背后的“技术芯”
砍柴网2020-09-03 14:24
在Style3D中，高度逼真的3D服装、柔性自然的版型、经得起50倍放大的面料细节以及可静可动的虚拟模特等吸引了一大批设计师及服企的眼光，而藏在梦幻视觉效果的背后，则是Style3D日益进步的服装数字技术。
Style3D作为国内唯一 一款大型商业化柔性体仿真工业软件，其核心技术主要分为：柔性仿真、服装真实感渲染、服装CAD设计。
今天，我们就来揭秘下，Style3D背后的“技术芯”之一：基于物理的布料仿真技术。
高精度的仿真要求
在服装产业链的研发端，服装设计的3D数字化革新中，面临的一个大难题是对面料进行高精度的仿真模拟。
由于现实中的布料具有复杂的物理特性，既有弹性也有塑形、既可以自由变形又无法过度拉伸、既可以是针织结构也可以是纺织结构，所以高质量高效率的布料仿真在计算机图形学领域是一直都是一个非常有挑战性的研究问题。
Style3D作为一款成熟的服装3D建模设计软件，服装设计师通过在Style3D中进行数值化的2D服装版片设计，利用三角形网格生成算法在3D空间中得到服装网格，再通过一定的版片安排策略与恰当的缝合工艺，设计师就能通过实时仿真技术得到虚拟的成衣效果。
高质量的仿真技术
Style3D的仿真技术核心，实质是一个高质量的实时布料仿真器。
主要由精确的布料物理模型，高效稳定的数值时间积分方法与求解方法，精确的碰撞处理等几个核心模块组成。每一个模块都有非常高的要求，任何一个部分出现问题都会极大的影响最终的布料效果。另外，布料仿真的效率也越来越关键。Style3D中快速的布料仿真器可以极大地降低服装设计师的时间成本。
◆自主研发
Style3D的布料仿真器开发团队以当前学术界最先进的布料仿真算法为支撑，不断地更新迭代适用于服装工业场景的服装设计功能，其核心业务代码全为自研。
◆高度适配
Style3D的布料模拟算法运行在目前硬件架构最先进的 NVIDIA 显卡上以获得最高效的GPU 并行加速性能。同时，通过SIMD加速技术，Style3D的布料模拟算法也可以高效地运行在主流的CPU架构上，支持跨平台操作。
（Style3D获得的技术专利）
仿真技术的应用拆解
在Style3D中服装制作可以简单的分为一下几个主要步骤：
版片缝合：衣服版片设计完成并在3D界面中设置好初始位置之后，模拟就可以正式开始了。如下图所示，不同的版片在缝合线牵引力的作用下快速地组装成了一件完整的衣服。
碰撞处理：即便设计师在初始位置设置得不好，Style3D的碰撞处理能力也可以快速地得到正确的衣服形态，保证衣服的物理正确性。
实时交互：在实时模拟过程中，动态的鼠标交互拖拽为用户提供了干预模拟的能力。
GPU加速：如下图所示，使用GPU进行并行加速后，碰撞处理的效率明显高于CPU模拟，大大提高了布料仿真的效率。
*左边为GPU，右边为CPU
仿真技术的核心算法
基于物理的布料仿真主要包括以下几个阶段：
受力分析：针对布料进行受力分析需要建立在特定的物理模型的基础之上，比如质点弹簧模型，如下图所示：网格中的每一个顶点代表一个有质量的质点，而质点之间则通过无质量的弹簧连接。当弹簧的长度发生改变时，与其相连的质点就会受到弹性力的作用开始运动。
（布料受力演示）
时间积分：布料仿真的过程就是求解布料运动方程的过程，
其中a代表布料的加速度，fint代表布料由形变产生的弹性力，fext代表外部施加给布料的外力，比如重力、风力与撕扯力等。该运动方程满足牛顿第二运动定律，本质上是一个非线性方程，可以使用非线性优化方法中的牛顿法来求解。如上图所示，在经过质点弹簧模拟的受力分析之后，一块布料网格可以表现出符合基本物理规律的运动。
碰撞处理：为了保证布料模拟的物理真实性，需要保证布料不穿透进人体，布料之间也需要保证没有相交。碰撞处理一般分为两步：碰撞检测与相交解除。在碰撞检测中，高效的包围盒层次结构 (Bounding Volume Hierarchy: BVH) 被广泛的用来加速碰撞剔除。Style3D中基于GPU并行加速的BVH实现方案足以支持实时模拟20万三角形的服装网格进行实时的模拟。
凌迪Style3D深耕服装仿真技术5年，累计数亿元的研发投入，联合中科大、伯克利、浙江大学CAD&CG国家重点实验室等高校和机构的技术专家，目前Style3D的研发团队已在柔性仿真领域建立了技术高地。
未来，Style3D将持续投入研发，并不断打磨产品，落地针对性的行业解决方案，提供给全球服装企业及研发设计用户更好的3D数字化体验。
本篇主笔：王振东
凌迪科技资深算法工程师
浙江大学计算机科学与技术专业博士
曾在计算机图形学顶级会议SIGGRAPH ASIA、
PACIFIC GRAPHICS上发表学术论文
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