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. — Подготовка анимированной модели персонажа и модели ткани. — Необходимые плагины. — Ассет ChaosCloth. — Нодовый Set-Up. — Работа с параметрами. — Set-Up для более детальной проработки коллизии. — Тестирование симуляции в сцене. III. Создание симуляции в Houdini FX. — Подготовка геометрии. — Настройка свойств ткани. — Создание Vellum симуляции. — Финальная донастройка. — Перенос симуляции в проект Unreal Engine 5. IV. Сравнение результатов в режиме Real Time Render. V. Вывод о системе Chaos и ее применении для кинематографичных сцен.
Источники
VI. Словарь терминов. Библиография. 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, каким образом объект или материал взаимодействует с окружающей средой и с самим собой.
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.
Реалистичные 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 крайне важна, ведь именно точность обеспечивает возможность запускать такие симуляции, которые полезны для моделирования и прогнозирования реальных сценариев.
Физическая точность помогает достичь визуально привлекательных и физически правдоподобных результатов, которые далее можно перенести в плоскость компьютерной графики. Разные желаемые эффекты могут требовать принципиально различных подходов, и это также учитывается при создании симуляции.
mnphmnmn | 2015 | Dress
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). Приведены теоретические основы, понимание которых крайне важно для настройки симуляции в любой из программ.
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. В рамках создания симуляции внутри Unreal Engine проведена работа по подбору параметров, представлено два варианта сетапа Chaos Cloth Asset, а также внесены изменения в саму модель ткани.
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. Визуальный ряд представлен в формате видео, анимированных изображений, снимков экрана, а также изображений ткани и ее свойств.
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» [2].
ООО «ЕВА-Текс» | 2021 | Проверка ткани на прочность
Механические свойства ткани — это синергия целой совокупности факторов, в том числе довольно незаметных на первый взгляд. Например, на общую прочность ткани значительно влияют состав нитей, их плотность и структура; эластичность, а также наличие или отсутствие обработки материала. Более прочными являются ткани с особой структурой: волокна должны быть плотно скручены и иметь необходимую жесткость. Например, к прочным относятся разновидности льняных тканей.
Прочность — это параметр, определяющий способность материала противостоять разрыву. Прочность составляют три критерия: — 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.
ООО «ЕВА-Текс» | 2021 | Растяжение ткани на динамометре для оценки удлинения
Удлинение ткани заключается в распрямлении и растяжении нитей внутри волокон и увеличении длины при механическом растягивании [4]. 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.
ООО «ЕВА-Текс» | 2021 | Виды драпируемости | Ткань с драпировкой
Драпируемость — способность ткани образовывать складки [2]. 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.
Эластичность — одно из механических свойств ткани, отвечающих за способность материала деформироваться, а затем приобретать изначальную форму [5]. 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.
Александр Клепнев | 2021 | Плетение нейлоновых чулок плотностью 40 ден под микроскопом
На эластичность ткани, так же как и на другие механические и гигиенические свойства, влияют структура материала и его происхождение: — Взаимосвязь структуры материала и эластичности исходит из того, что любая ткань производится из нитей. Нити состоят из более мелких волокон с особенной молекулярной структурой. Чем более пористые эти волокна, тем выше воздухопроницаемость ткани. Чем плотнее волокна прилегают друг к друг, тем выше прочность. 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 существует, так как структура волокон напрямую зависит от исходного сырья, из которого изготовлена ткань. Волокна животного и растительного происхождения значительно отличаются друг от друга. Наибольшей эластичностью обладают синтетические материалы [11], а также — растительные со специальными пропитками, которые увеличивают гибкость волокон.
В целом, эластичность ткани — сложная в достижении характеристика. 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.
ООО «ЕВА-Текс» | 2021 | Сильно сминаемая ткань
Сминаемость — это способность ткани образовывать заломы и изгибы при различных деформациях [3]. Количество складок и характер восстановления поверхности полотна зависит от множества факторов. Повлиять на показатель сминаемости можно также с помощью обработки сурового материала, например, аппретированием.
Также для уменьшения сминаемости могут использоваться различные пропитки и бытовые методы. Например, накрахмаленная ткань становится жестче, показатель сминаемости уменьшается. Высокая сминаемость ткани ускоряет износ изделий из нее. Это происходит потому, что в складках и морщинах, которые образуются при деформациях, происходит наиболее сильное стирание.
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. 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 сминаемости 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 [7]. 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 [10]. 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.
