I. Концепция. Определения. Физика ткани. Реализация в 3D
Рубрикатор
Введение
I. Концепция. Определения. Физика ткани и реализация в 3D.
Практическая часть
II. Поэтапное создание симуляции в UE5. — Инструмент Chaos Cloth. Обзор базовых элементов. — Подготовка анимированной модели персонажа и модели ткани. — Необходимые плагины. — Ассет ChaosCloth. — Нодовый Set-Up: прорисовка карты весов, коллизия и аэродинамика. — Работа с параметрами. — Работа с Blueprint и материалом одежды для предотвращения пересечений. — Тестирование симуляции в сцене. III. Создание симуляции в Houdini FX. — Подготовка геометрии. — Настройка свойств ткани через SOP. — Создание Vellum симуляции. — Настройка коллизий. — Работа с параметрами, устранение ошибок и кэширование. — Перенос в Unreal Engine. IV. Сравнение результатов в режиме Real Time Render. V. Вывод о системе Chaos и ее применении для кинематографичных сцен.
Библиография
VI. Словарь терминов. Источники текста. Источники изображений.
Концепция
Вряд ли возможно представить мир визуальных эффектов без симуляций. Вместо того, чтобы анимировать сложные физические явления, есть возможность настроить симуляцию и при помощи компьютера вычислить то, как объект или материал взаимодействует с окружающей средой.
Подобно тому, как симуляция жидкости позволяет визуализировать достоверно выглядящие реки, воду в стакане и дым, симуляция ткани отображает то, как реальная ткань могла бы реагировать на внешние силы или движения персонажа.
Высокореалистичные симуляции обычно генерируются численными алгоритмами, которые задействуют дискретные математические модели во времени. Модель описывает, как должен двигаться материал, с учетом его свойств, границ, внешних сил и объектов коллизии в сцене. В компьютерной графике специалиста в основном интересует внешний вид конечного результата, и физическая точность обычно не является главной целью. Это резко контрастирует с приоритетами инженеров, так как для их целей физическая точность является главным приоритетом, чтобы иметь возможность запускать симуляции, которые полезны для моделирования и прогнозирования реальных сценариев. Очевидно, что физическая точность помогает достичь этих визуально привлекательных и физически правдоподобных целей для применения в компьютерной графике.
mnphmnmn | Dress | Пример представления симуляции ткани на основе физики
Данное визуальное исследование рассматривает пайплайн симуляции ткани, где фокус смещен на возможности реального времени в Unreal Engine 5 в сравнении с классическим подходом в более привычных программах для создания VFX (в данном случае — Houdini).
Основная цель исследования — создать симуляцию ткани для ВКР на базе UE5, а также изучить различия между подходами и полученным результатом в программах UE5 и Houdini.
Техническая часть исследования направлена на применение системы Chaos, которая воссоздает сложную физику на основе систем частиц и пружин, наглядно демонстрируя, как параметры вроде жесткости (ориг. Stiffness) и затухания (ориг. Damping) влияют на стабильность и производительность симуляции.
UE5 хоть и не предназначен для абсолютного реализма и имеет меньшую детализацию, в отличие от солверов Houdini, все же обладает существенным преимуществом в виде мгновенного результата и удобной настройки, а также интерактивности. Воссоздание симуляции в Houdini проводится с целью отражения достоинств и недостатков обоих подходов конкретно для дипломного проекта.
Определения
Ткань (ориг. «cloth», англ.) — это материал, изготовленный путем ткачества или вязания хлопка, шерсти, шелка и т. д.
Ткани | Хлопок | Шерсть | Шелк
Как правило, применение симуляции ткани можно отнести к одной из следующих категорий: — Оффлайн симуляции рассчитываются, настраиваются и обрабатываются перед выводом на экран. У художника есть время, чтобы провести несколько симуляций с различными настройками, чтобы найти желаемый результат. Эти методы обычно нацелены на высокую правдоподобность и подконтрольность. — Симуляции в реальном времени предполагают вычисление динамики геометрии во время выполнения. Это позволяет симуляции интерактивно реагировать на ввод пользователя и изменения в виртуальной среде. Этот тип симуляций имеет очень ограниченное время вычислений и обычно реализуется на аппаратном обеспечении GPU. Алгоритмы моделирования в реальном времени должны быть быстрыми и стабильными.
Физика ткани и реализация в 3D
Ткань как продукт легкой промышленности оценивается согласно параметрам, которые условно можно разделить на несколько групп: механические, гигиенические, эксплуатационные и эстетические.
В рамках симуляции ткани в программах компьютерной графики наибольшую ценность представляют именно механические свойства, так как на их основе разработаны параметры для настройки симуляции.
В промышленности к механическим свойствам относятся прочность, сминаемость, драпируемость и износостойкость.
Проверка ткани на прочность
Механические свойства ткани — это синергия целой совокупности факторов, в том числе довольно незначительных на первый взгляд. Например, на общую прочность ткани значительно влияют состав волокон, структура и плотность пряжи, показатель эластичности нитей, метод обработки полотна. Более прочными будут материалы, имеющие в своей структуре плотноскрученные и жесткие волокна, например льняные ткани.
Прочность — это важная характеристика, которая позволяет оценить способность материала противостоять разрыву. Сюда входит три показателя: - прочность на растяжение; - прочность на раздирание; - предел прочности ткани при продавливании.
Такие методы обработки ткани, как мерсеризация (кратковременная обработка концентрированным раствором едкого натра) и аппретирование (пропитка специальными веществами-аппретами) увеличивают показатель прочности. Отбеливание, окрашивание и отваривание, напротив, уменьшают его.
Растяжение ткани на динамометре для оценки удлинения
Удлинение ткани заключается в распрямлении и растяжении нитей внутри волокон и увеличении длины при механическом растягивании. Также это свойство отражает способность материала сопротивляться разрыву.
Удлинение зависит от упругости материала, на которую влияют: - Плотность ткани. Более плотные полотна характеризуются большим количеством изгибов нитей внутри волокна, что увеличивает сопротивляемость к растяжению и разрыву. - Тип плетения. От угла наклона нитей утка внутри волокна зависит угол, под которым ткань будет более или менее устойчивой к механическим воздействиям. - Состав ткани. Полотно, сотканное из сырья, волокна которого способны сцепляться друг с другом, более прочное и устойчивое к растяжению. Так, ткани в составе которых шерсть, например, габардин, характеризуются высокой прочностью и потому устойчивы к разрыву. - Характер отделки ткани. Материал, подвергавшийся растяжению при производстве, обладает меньшей упругостью, так как его волокна уже распрямлены. С другой стороны, ткань, обработанная специальной пропиткой, более устойчива к физическим воздействиям.
Виды драпируемости | Ткань с драпировкой
Драпируемость — способность ткани образовывать складки. Драпировку текстиля применяют в декорировании нарядов, штор, интерьеров, арок и дверей. Яркий пример драпированной ткани — театральный занавес.
Способность драпироваться зависит от жесткости, мягкости, плотности, состава ткани и типа плетения. Чем жестче материал, тем лучше он держит форму, чем плотнее — тем объемнее получатся складки, чем мягче — тем они будут легче.
Мягкие ткани драпируются лучше, чем жесткие, но для поддержания формы им необходима высокая плотность. Жесткие материалы сложнее драпировать, так как они более устойчивы к механическому воздействию. Однако, если жесткая ткань — тонкая, процесс упрощается.
Таким образом, мягкие и плотные или тонкие и жесткие ткани идеально подходят для драпировки. Среди таких материалов можно выделить органзу, шифон, бархат, парчу, сатин, бифлекс, габардин.
Демонстрация эластичности ткани
Эластичность — одно из механических свойств ткани, отвечающих за способность материала деформироваться, а затем приобретать изначальную форму. Данная характеристика очень важна при производстве спортивной формы, спецодежды, сумок и рюкзаков, и других изделий легкой промышленности.
Эластичность ткани — это соотношение длины материала в исходном и растянутом состоянии. Чем больше этот параметр, тем эластичнее материал. Однако это не самый важный показатель. Эластичный материал не только растягивается до нужной длины, но и с легкостью принимает первоначальную форму без разрывов и деформации.Важно отметить: эластичность обратно пропорциональна прочности ткани. Таким образом, более жесткие и крепкие материалы с плотным переплетением оказываются менее гибкими и растяжимыми.
Нити под микроскопом
Что влияет на эластичность тканей На эластичность ткани, так же как и на другие механические и гигиенические свойства, влияет структура материала и его происхождение. Что это значит? - Взаимосвязь структуры материала и эластичности. Любая ткань производится из нитей. Если копнуть еще глубже — нити состоят из мельчайших волокон с особенной молекулярной структурой. Так, чем более пористые эти волокна, тем выше воздухопроницаемость ткани. Чем плотнее волокна прилегают друг к друг, тем выше прочность. А на эластичность влияет способ их сцепления друг с другом. Если волокна крепятся друг к другу достаточно плотно, но так, чтобы между ними оставалось пространство, то во время растяжения и при выпрямлении они не порвутся. - Взаимосвязь происхождения материала и эластичности. Структура волокон напрямую зависит от исходного сырья, из которого изготовлена ткань. Так, волокна животного и растительного происхождения значительно отличаются друг от друга. Наибольшей эластичностью обладают синтетические материалы, а также — растительные со специальными пропитками, которые увеличивают гибкость волокон.
В целом, эластичность ткани — сложная в достижении характеристика. Так, гибкость тканей растительного и животного происхождения достаточно ограниченна, и для её развития необходима тщательная обработка волокон и особая технология переплетения нитей.
На данный момент самыми эластичными материалами считаются ткани синтетического происхождения, а именно резина, эластан, трикотаж.Гибкость резины и эластана обусловлена особой молекулярной структурой материалов. Эластичность трикотажа достигается за счет особой технологии переплетения и сцепления нитей друг с другом.
Сильно сминаемая ткань
Сминаемость — это способность ткани образовывать заломы и изгибы при различных деформациях. Складки и морщины, образующиеся при воздействии, можно удалить только с помощью глажения. А их количество и характер восстановления поверхности полотна зависит от множества факторов. Повлиять на показатель сминаемости можно также с помощью различных обработок сурового материала, например, аппретированием.
Также для уменьшения сминаемости могут использоваться различные пропитки и бытовые методы. Например, крахмаление. Накрахмаленная ткань становится жестче, тем самым уменьшается показатель сминаемости. Большой недостаток сильно сминаемых тканей состоит в том, что одежда из них значительно быстрее изнашивается. Это происходит потому, что в складках и морщинах, которые образуются при деформациях, происходит наиболее сильное стирание.
Методы определения сминаемости тканей Среди методов определения показателей сминаемости выделяют: - хаотичное смятие — ткань сминают ручным способом, а затем определяют уровень сминаемости «на глаз» (сильно сминаемы, малосминаемы и т. д.); - упорядоченное смятие — показатель измеряется в лабораторных условиях с помощью специальных приборов.
Показатель сминаемости, в первую очередь, зависит от волокнистого состава ткани. Так, синтетика в составе любого материала уменьшает сминаемость. За счет эластичных полиэфирных волокон поверхность ткани быстро возвращается в исходное состояние, а все заломы разглаживаются самопроизвольно. К малосминаемым также относятся шелковые и шерстяные материалы.
Хлопковые и льняные ткани, а также вискоза имеют самый высокий показатель сминаемости. Уменьшить его можно, используя плотно скрученную пряжу. Также уровень сминамости будет зависит и от характера плетения нитей в полотне. Например, наименьшую сминаемость имеют ткани крепового и сатинового плетения, а наибольшую — полотняного.
Моделирование текстильных материалов представляет собой активно развивающуюся научную область, находящуюся в фокусе внимания исследователей на протяжении нескольких десятилетий. Данная проблематика является предметом пристального изучения в рамках материаловедения и науки о текстиле.
Джерри Вейл | 1986 | Ткань, приподнятая пятью точками | Три состояния ткани
Первые существенные достижения в области компьютерной графики были зафиксированы в 1980-х годах, в частности, в работе Вейла (1986). Им были разработаны пионерские модели для визуализации драпировки тканей, закреплённых в заданных точках. Предложенный подход базировался исключительно на геометрических принципах и позволял получать результаты, визуально приближенные к реальной драпированной и морщинистой ткани. Несмотря на то, что модель не учитывала динамику движения материала, её значение заключается в инициировании активных исследований в области текстиля в компьютерной графике.
Параллельно научное сообщество проявило интерес к методам моделирования, обладающим более строгой физической основой. Один из ранних подходов представлен в диссертационной работе Фейнмана (1986), где материал моделировался в виде упругого листа в рамках континуального представления.
Механика сплошных сред, в отличие от дискретных моделей, описывает физические свойства и движение материала, рассматривая его как непрерывную массу.
Треугольник с частицами в вершинах — элемент современного представления модели ткани
Более универсальный метод моделирования упругих деформаций, применительно к тканям, был впоследствии разработан Терзопулосом и соавторами (1987). Данная методология исходит из предпосылки, что физические свойства материала могут быть адекватно описаны в терминах механики сплошных сред. Такое допущение является корректным для материалов с однородной внутренней структурой, такой как пластики или резина, где неоднородности проявляются лишь на микроскопическом уровне.
При движении ткани происходит взаимодействие нитей, включающее их соударение, изгиб и взаимное скольжение, сопровождаемое трением. Руководствуясь этой аргументацией, сторонники дискретных моделей применяют механические системы связанных частиц для воспроизведения макроскопической динамики. Альтернативный подход к динамическому моделированию на основе частиц был предложен Прово (1995). В его работе упругое поведение ткани моделируется с помощью системы точечных масс, соединённых пружинными элементами.
В более поздний период, в 1990-е годы, Барафф и Виткин (1998) представили методику симуляции ткани на основе треугольных элементов с применением неявной схемы интегрирования. Данная техника позволила осуществлять быструю симуляцию относительно сложных моделей одежды. Предложенный метод продолжает оставаться фундаментальной основой для многих современных алгоритмов, используемых в настоящее время.
Иллюстрация тканевых пружин; пружины растяжения (синие), пружины сжатия (красные), пружины сдвига (голубые) и пружины углового изгиба (зелёные).
На ткань воздействуют внешние силы, такие как гравитация, ветер или столкновения с телом. Но на самом деле ткань ведет себя так, как должна, благодаря внутренним силам. Это силы растяжения, сдвига и изгиба, которые действуют на частицы, заставляя ткань вести себя характерным для нее образом. Ниже будут рассмотрены различные способы формулирования этих внутренних сил, действующих на вершины треугольников, из которых состоит геометрия ткани.
Как только будут определены эти силы, появится возможность использовать численное интегрирование для продвижения симуляции во времени. Это подводит к еще одному важному моменту: работа на компьютере подразумевает ограниченное количество ресурсов. Типичный способ вычисления этих симуляций заключается в вычислении состояний частиц только на дискретных временных интервалах. Начиная с некоторого времени, симуляция будет продвигаться с небольшими шагами определенной длительности.
Примеры 3D-тканей, созданных в Blender
Современные солверы для симуляции ткани, такие как Chaos в UE5 и Vellum в Houdini FX, предоставляют пользователю набор параметров, основанных на механических свойствах ткани, для контроля над физическим поведением геометрии внутри программы. Ключевыми из них являются:
— Жесткость на растяжение/сдвиг (Stretch/Shear Stiffness): Определяет, насколько сильно ткань сопротивляется изменению длины и формы.
— Жесткость на изгиб (Bending Stiffness): Контролирует сопротивление образованию складок.
— Затухание, или демпфирование (Damping): Параметр, отвечающий за рассеивание энергии, что позволяет гасить излишние колебания и делать движение ткани более естественным.
— Коэффициент трения (Friction): Влияет на взаимодействие ткани с коллайдерами и самой собой.
— Плотность (Mass/Density): Определяет инерционные свойства ткани. Эффективная настройка симуляции заключается в поиске баланса между этими параметрами, исходя из типа моделируемого материала (шелк, джинса, кожа) и требуемой производительности.
С применением указанных параметров будут реализованы и представлены к сравнению симуляции в программах Unreal Engine и Houdini FX.
