Collision detection and post-processing for physical cloth simulation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stefan Kimmerle

De
Collision Detection and Post-Processing for Physical Cloth Simulation Dissertation der Fakultät für Informations- und Kognitionswissenschaften der Eberhard-Karls-Universität Tübingen zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) vorgelegt von Dipl.-Phys. Stefan Kimmerle aus Nürtingen Tübingen 2005 Tagdermundlichen¨ Qualifikation: 29.06.2005Dekan: Prof.Dr.M.Diehl1.Berichterstatter: Prof.Dr. Ing.Dr. Ing.E.h.W.Straßer2. Prof.Dr. Ing.M.Teschner(Albert Ludwigs Universit at¨ Freiburg)To my motherwho taught menever to give upivZusammenfassungUmdeformierbareMaterialienwieTextilienodermenschlichesGewebephysika lischsimulieren zukonnen,¨ muss eineReihe komplexerProbleme gelost¨ werden.Diese Arbeit befasst sich dabei im Speziellen mit der Detektion und Behandlungvon auftretenden Kollisionen sowie der Nachbearbeitung simulierter Netze zurSteigerung der visuellen Qualitat.¨ Dabei werden Anwendungen aus dem Bereichsimulierter Textilien und der virtuellen Anprobe von Kleidung vorgestellt. Insbe sondere wird auf das am WSI/GRIS entwickelte Textilsimulationssystem TuT¨ exeingegangen.Zunachst¨ wirdderStateoftheArtzurKollisionsdetektiondeformierbarerOb jekte vorgestellt, und es wird ausfuhrlich¨ diskutiert, welches Verfahren am be sten fur¨ welche Anwendung geeignet ist.
Publié le : samedi 1 janvier 2005
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Source : W210.UB.UNI-TUEBINGEN.DE/DBT/VOLLTEXTE/2005/1789/PDF/COLLISION_DETECTION_AND_POST-PROCESSING.PDF
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Collision Detection and
Post-Processing for Physical
Cloth Simulation


Dissertation
der Fakultät für Informations- und Kognitionswissenschaften
der Eberhard-Karls-Universität Tübingen
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)



vorgelegt von
Dipl.-Phys. Stefan Kimmerle
aus Nürtingen



Tübingen
2005 Tagdermundlichen¨ Qualifikation: 29.06.2005
Dekan: Prof.Dr.M.Diehl
1.Berichterstatter: Prof.Dr. Ing.Dr. Ing.E.h.W.Straßer
2. Prof.Dr. Ing.M.Teschner
(Albert Ludwigs Universit at¨ Freiburg)To my mother
who taught me
never to give upivZusammenfassung
UmdeformierbareMaterialienwieTextilienodermenschlichesGewebephysika
lischsimulieren zukonnen,¨ muss eineReihe komplexerProbleme gelost¨ werden.
Diese Arbeit befasst sich dabei im Speziellen mit der Detektion und Behandlung
von auftretenden Kollisionen sowie der Nachbearbeitung simulierter Netze zur
Steigerung der visuellen Qualitat.¨ Dabei werden Anwendungen aus dem Bereich
simulierter Textilien und der virtuellen Anprobe von Kleidung vorgestellt. Insbe
sondere wird auf das am WSI/GRIS entwickelte Textilsimulationssystem TuT¨ ex
eingegangen.
Zunachst¨ wirdderStateoftheArtzurKollisionsdetektiondeformierbarerOb
jekte vorgestellt, und es wird ausfuhrlich¨ diskutiert, welches Verfahren am be
sten fur¨ welche Anwendung geeignet ist. Fur¨ die Anforderungen, die TuT¨ ex an
¨die Kollisionsdetektion stellt, wird gezeigt, dass sich dafur besonders Bounding
Volume Hierarchieneignen.DiesewerdenimWeiterenmiteinemstochastischen
Sampling zu einer neuen Kollisionsdetektionsmethode kombiniert. Dieses neue
VerfahrenerlaubteineAbwagung¨ zwischenGeschwindigkeitundQualitat¨ derDe
tektionunderhoht¨ damitauchdeutlichihrePerformance.ImFolgendenwirdeine
Impuls basierte Methode zur Aufl osung¨ komplexer Kollisionen und Selbstkolli
sionenvorgestellt,diesowohlfur¨ statischealsauchdynamischeKollisionsobjekte
stabileSimulationensicherstellt.
Da Textilsimulationen mit hoch aufgelosten¨ Netzen nach wie vor sehr zeitin
tensiv sind, wird vorgeschlagen, grobe Netze zu simulieren und diese anschlie
ßendgeometrischnachzubearbeiten.Dazutragt¨ dieseArbeitzweiVerfahrenbei.
Um die sichtbare polygonale Struktur von groben Netzen zu beseitigen werden
Subdivisionmethoden benutzt. Dabei werden interpolierende und approximieren
vvi
deVerfahreninBezugaufdieEignungbeivirtuellenTextilienverglichen.Dader
SubdivisionschrittselbstauchwiederzuKollisionenvorallemzwischendemmo
difizierten Textilnetz und seiner Umgebung fuhren¨ kann, werden diese Verfahren
mit einer kontinuierlichen Kollisionsdetektion und Kollisionsantwort kombiniert.
AlszweitesVerfahrenzurNachbehandlungvirtuellerTextilienwerdenFaltentex
turen vorgeschlagen. Da grobe Netze keine feinen Falten modellieren konnen,¨
werden diese Details durch Texturen hinzugefugt.¨ Diese Texturen werden da
bei auf Basis der Deformation der Netze generiert und konnen¨ als Bump oder
Displacement Map verwendet werden. Im Gegensatz zu fr uheren¨ Verfahren wird
dieseFaltentexturohneBenutzerinteraktiongeneriert,wasdieVerwendunginau
tomatischen Simulationssystemen wie TuT¨ ex ermoglicht.¨ Des Weiteren werden
in dieser Arbeit erstmals diese Texturen mit der kontinuierlichen Kollisionsde
tektionkombiniert,umeinkollisionsfreiesDisplacement Mappingzurealisieren.
Beide Nachbearbeitungsverfahren fuhren¨ zusammen mit groben Netzen zu visu
ell vergleichbaren Ergebnissen wie die Simulation hoch aufgeloster¨ Netze ohne
Nachbearbeitung,ermoglichen¨ aberdeutlichkurzere¨ Simulationszeiten.
Die in dieser Arbeit entwickelten Konzepte wurden in mehrere Systeme zur
Kleidersimulation integriert. Mit Virtual Try On wurde dabei das erste System
umgesetzt, welches die physikalisch basierte Simulation von Kleidung basierend
auf CAD Schnittmustern, physikalischen Materialparametern und 3D K orpers ¨
cans ermoglicht.¨ Außerdem wurde der Textilsimulator TuT¨ ex als Plugin fur¨ die
ModellierungssoftwareAliasMayaweiterentwickelt,umuber¨ eineeffizienteund
komfortableTest undVisualisierungsumgebungzuverf ugen.¨Acknowledgements
This thesis was conducted during my occupation as Research Assistant at the
Graphical Interactive Systems group of the Wilhelm Schickard Institute (WSI/
GRIS), University of Tubingen¨ as well as during my research stays at GRAVIR/
1IMAG,INRIARhone Alpes,ˆ Grenoble .
Firstandforemost,IwouldliketothankProf.Dr. Ing.Dr. Ing.E.h.Wolfgang
Straßer for the opportunity to work on this dissertation, and his constant support
and advice. I also would like to thank Prof. Dr. Ing. Matthias Teschner who
agreed to be part of my graduation committee. Furthermore I am very grateful to
Prof. Dr. Marie Paule Cani and Prof. Dr. Franc¸ois Faure for their hospitality and
themanydiscussionsduringmystaysinGrenoble.
Special thank goes to all my colleagues, without whom this work would not
have been possible, especially to Dr. Olaf Etzmuß, Michael Keckeisen, Johannes
Mezger,andProf.Dr.MarkusWacker. Moreover,IthankthestudentsEgonBach
mann, Martin Gruber, Christian Holzer, Christian Michel, Matthieu Nesme, Si
monPabst,andBernhardThomaszewski,whowiththeirworkduringstudentand
diplomathesesdeliveredvaluablecontributionstotheimplementationofthepre
sentedalgorithms.
Last but not least, I would like to express my gratitude for all kinds of invalu
able support and experiences in life to my family as well as to my wife Simone,
who patiently bore with me during the numerous nights and weekends I worked
throughduringthelastyears.
1This work was partially supported by a DAAD scholarship for a stay at INRIA Rhone Alpesˆ
inGrenoble,France,andbyagrantwithinthebmb+f Virtual Try On project.viiiCONTENTS
1 Introduction 1
1.1 ClothSimulationandVirtualTry On . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 OverviewandContributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 CollisionDetection 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 DetectionMethodsforDeformableObjects . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 BoundingVolumeHierarchies . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 DistanceFields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 SpatialSubdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Image SpaceTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.5 ComparisonandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 StochasticCollisionDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 ActivePairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Combinationwithk DOPHierarchy . . . . . . . . . . . . 31
2.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 ContinuousCollisionDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.1 ConfigurationsofCollidingTriangles . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 TimeofCollision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.3 Vertex TriangleCollision . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.4 Edge Edge Collision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
ixx CONTENTS
3 CollisionResponse 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 PhysicalCollisionResponse . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2 Geometric . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 CollisionResponseSchemesforTuT¨ ex . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 GeometricResponseforTriangularMeshes . . . . . . . . 47
3.2.2 Constraint basedCollisionResponse . . . . . . . . . . . 49
3.2.3 Impulse based . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Collision freeSubdivision 55
4.1 IntroductionandRelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 SubdivisionMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.1 ButterflySubdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.2 LoopSubdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 CollisionDetectionduringtheSubdivisionstep . . . . . . . . . . 63
4.3.1 CollisionDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.2Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Texture basedWrinkleSimulation 73
5.1 IntroductionandRelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 WrinkleCoefficientsfromStrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3 MultilayeredTextures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4 WrinkleTextureRendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4.1 BumpMapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4.2 DisplacementMapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6 IntegrationintoTuT¨ ex 91
6.1 IntroductionandRelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 TuT¨ ex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3 VirtualTry On . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4 TuT¨ exMayaPlugin-tcCloth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7 ConclusionsandFutureWork 101

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