虚拟现实智能硬件：不完美织物中的污渍模拟技术研究

虚拟现实智能硬件2021年12月3日第2引文：郑毅，池晓宇，陈艳云，吴恩华。瑕疵织物上的污渍。虚拟现实智能硬件，2021，3（2）：142-155DOI：10.1016/j.vrih.2021.01.001·文章·不完美织物YiZHENG1，XiaoyuCHI2，YanyunCHEN1，EnhuaaWU1，3*1. 中国科学院大学计算机科学国家重点实验室，中国科学院软件研究所，北京1001902. 北京航空航天大学青岛研究院，山东青岛2661003. 澳门大学，澳门999078，中国*通讯作者，ehwu@um.edu.mo投稿时间：2020年11月2日修订日期：2020年12月13日接受日期：2021年1月19日摘要不完美的材质效果是获得真实感的重要课题之一导致渲染。纺织材料的绘制一直是计算机图形学领域的一个重要研究方向。到目前为止，人们已经在其独特的外观和基于物理的模拟方面投入了大量的精力。纺织品中常见的染色效果的外观很少受到关注。本文介绍了纺织品染色效果的模拟技术。拉扯、磨损、挤压、撕裂、断裂效应是织物较为常见的不完美效应，这些外力会引起织物结构的变化，从而影响污渍的扩散效果。根据纱线的微观结构，我们处理了污渍对不完美纺织品表面的影响。我们的模拟结果可以达到照片般逼真的效果。关键词织物外观;毛细作用;污渍;模拟1引言纺织品污渍在我们的日常生活中很常见，对虚拟服装的保真度很重要。逼真而复杂的织物染色效果，在影视、游戏、工业等领域有着广泛的应用。虽然艺术家可以使用手绘的方法来设计真实而复杂的染色剂，但这项任务耗时耗力。在当前的图形学研究领域中，有很多研究者专注于完美织物材料的外观，如Kaldor等人，Xu等人，和Zhao等人，并且一些研究集中于污渍在完美的机织织物中的影响，例如Morimoto等人，Zheng等人，但很少有人研究织物结构不完善对污渍的影响[1-5]。本文介绍了织物结构不完善情况下的织物污渍扩散模拟技术。我们的技术基于三层模型[5]，该模型专门用于模拟染色行为的真实性质。在织物断纱边缘区域采用超采样方法，得到更准确的效果。在我们的模拟中，我们分别模拟了织物结构和流体扩散。首先，通过建立织物的连通性，对织物结构进行简化和重建，模拟织物的复杂结构2096-5796/©版权所有2021北京中科学报出版有限公司Elsevier B. V.代表KeAi Communization Co. Ltd.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。www.vr-ih.comYi ZHENG et al：不完美纺织品上的污渍143在两个网格之间。其次，将流体扩散分为两个阶段：流体扩散模拟和染料扩散模拟。液体扩散由纱线的毛细管压力驱动，染料扩散由液体扩散和液体中的染料浓度驱动。本文的主要贡献是使计算机图形学中广泛的纺织品染色模拟实用化。具体而言，贡献包括以下几个方面：(1) 通过加入扩散特性方法，可以模拟织物结构的挤压、切割、磨损等常见损伤特性。(2) 将TML中流体的扩散算法从沿纱线方向的扩散扩展到二维平面扩散，并采用扩散概率的方法表示扩散方向。(3) 我们提供了一个稳定的模拟系统，可以有效地模拟污渍在各种织物结构表面上的传播。2相关工作织物污渍的视觉模拟需要使用几个不同研究领域的研究成果，包括物理理论，纺织科学，化学和计算机图形学。在这里，我们简要回顾了这些不同领域的相关工作。2.1纺织和物理科学毛细力是液体在织物中扩散的关键。毛细管强度的关键取决于液体的表面张力。这些理论可以在Sears等人，Hollies等人，和谢·沃什伯恩预测了液体在理想毛细管中的运动[6-9]。Wiener等人将螺纹定义为具有足够长度的结构，具有圆形横截面，在恒定填充中，但螺纹的线性质量没有任何变化[10]。Zhang等人提出了一种液体从无限液体储存器自发芯吸到纵向织物中的平衡模型[11]。Takatera基于毛细管作用原理，基于毛细管理论[12]研究了织物中的液体流动。Liu等人研究了加捻纱线中的垂直芯吸，Mhetre测量了不同纺织材料与给定液体之间的关系[13，14]。这些基础性的研究，为后续的研究，做了扎实的工作。2.2纺织品外观布料渲染的真实感一直是一个热点和具有挑战性的方向。近年来，随着CV技术的发展，虚拟偶像、高精度逼真材质展示、虚拟服装设计等需求变得越来越重要。Daubert等人提出了类似BTF的技术来渲染织物，基本上基于复制编织或针织图案[15]。Xu等人，Zhao等人，Montazeri等人和Schröder等人成功地重建了纱线的视觉结果，并生成了实体织物渲染图像[16-19]。Schröder等人还提出了一个管道来从单个图像中估计参数化的布料模型[20]。Aliaga等人提出了一种专注于单个布纤维散射的方法，并基于纤维的低水平光学和几何特性引入了基于物理的纤维散射模型[21]。Castillo et al.也对计算机图形学中的织物绘制做了全面的综述[22]。2.3基于物理的湿衣服模拟基于物理的复杂材料模拟是计算机图形学领域的研究热点之一。144虚拟现实智能硬件2021年12月3日第2Perlin引入了噪声纹理来模拟表面缺陷的视觉效果[23]。Jensen等人展示了如何获得湿材料效应[24]。陈等人解释说，风化过程是照片写实的关键[25]. Dorsey等人使用达西定律[26]显示流体流过多孔介质以捕获结石的外观。Lu等人合成了干燥现象[27]。Chu等人介绍了一种基于物理的方法，用于模拟吸水纸中的油墨分散，Gu等人和Lu等人提出了测量、表示和呈现随时间变化的表面外观的技术[28-30]。Lenaerts等人结合达西定律和SPH技术来模拟流体流过可变形多孔材料[31]。Fei等人提出了从微观到大尺度的液体和织物的相互作用[32]。Zheng等人通过三层模型（TLM）介绍了污渍在不同材料织物上的扩散[5]。2.4织物建模与仿真织物的建模可以分为两种方式：抽象为薄壳和基于纱线的。 Terzopoulos等人将织物视为薄壳，并开发了弹性变形模型来捕获其力学[33]。Breen等人引入了质量弹簧模型来近似真实编织织物的行为[34]。通过增加应变限制来证明模型的不可扩展性[35]。与流行的薄壳模型相比，Kaldor等人在纱线水平上模拟了针织布的动力学，使他们能够预测纱线力学的大规模行为[36，37]。Cirio等人介绍了一种有效的解决方案，通过基于纱线横截面的交织纱线离散化来模拟纱线水平的编织布[38]。3结构纺织品3.1纱线、机织物和纺织品在纺织研究中，纱线通常被认为是一种复杂的结构，由紧密捆绑的纤维Wiener等人组成，这些纤维被松散的纤维层包裹，如图1所示。纱线表面的松散纤维结构由构成纱线的纤维决定。不同的纱线使用不同的纤维材料，产生的编织效果也不同。主要区别在于纱线表面是否有纤维效应。这是因为纤维的长度不同。此外，机织纺织品由经纱和纬纱制成。纺织品的基本结构是由经纱部分和纬纱部分的交叉编织形成的。图2显示了交叉分布图1真正的纱线结构。图2织造织物结构。从左到右：机织织物、纱线结构和纱线交叉样本网格。是由人造纤维和纱线制成的。纱线在使用过程中受到外力作用时，会产生变形，甚至在结构上产生损伤，如打滑、起皱、起球、磨损等，图3显示了三种不完美的纺织状态。不完美的纺织状态导致纱线的三个变化：(1) 纱线中孔隙率的变化每个纱线羽毛的质量不会改变，因此当Yi ZHENG et al：不完美纺织品上的污渍145=H图3三种不完美的纺织品状态每个状态图由两个图组成，左图显示正常状态，右图显示相应的缺陷。纱线的形状变化明显，其孔隙率会随着伸缩的发生而变化。这将影响液体扩散和染色。(2) 纱线的连通性。当纱线断裂时，纱线内部的连接管损坏。但是，由于每根纱线都是由几十根纤维组成的，因此在断裂处会有两种形式：A、干净整齐的断裂。B、羽毛层被折断覆盖。(3) 纱线表面结构的变化。织物表面的纤维断裂，会在局部产生向外羽流的现象，造成织物表面被羽流层覆盖。3.2纱线和机织纺织品中的液体传输当液体与纱线接触并完成润湿过程时，液体沿着纱线结构中的管状空隙扩散称为纱线内扩散。影响纱内扩散的主要因素是液体在纱段中的自由运动和毛细压力梯度力驱动的流体流动。以下公式确定纱线段Mhetre中可包含的最大液体量[39]。Wρl（φ）ρs（1-φ）（一）其中Wh表示纱线段中可容纳的最大液体，φ是织物的孔隙率，ρl是液体的密度，ρs是纤维的密度。φ、ρl和ρs可以从纺织科学中通过查找数据获得。孔隙率是范围从0%到100%的比率。物体内部的空隙越高，比率越大。纱线的孔隙率有很多原因，其中有两个是关键：（1）一根完整的纱线是由多根纤维捆绑编织而成的，因此内部会有编织空隙。(2)纱线的原料分为天然纱线和涤纶。其中，天然纱线大多由棉、麻、毛组成。这些纤维短而弯曲，因此更容易在纱线中形成空隙。织物密度表示1英寸2中经纱和纬纱的数量。在一块织物中，有两种类型的密度：经线和纬线。因此，一片织物的孔隙率可以从经纬线的编织密度和单根纱线的孔隙率计算出来。 然后通过织物的孔隙率，可以计算出一定单位面积内液体的含水量。当液体通过纱线时，由于纤维的亲水性，一些液体停留，一定量的液体ε（ε Wh，ε由纤维的固有结构和材料决定）被捕获在任何润湿位置。当纱线段中的液体体积大于ε时，发生液体扩散。这是由局部毛细管压差P引起的，液体的表面张力P= 2γ cosθ/r（2）其中γ是液体表面张力，r是纤维管的内径，θ是接触角。ΔP =（S0-S1）P（3）虚拟现实智能硬件2021年12月3日第2146=Δ式中，CVP是管道起点和终点之间的压差。液体饱和度的差异通过方程计算后续纱线段的毛细管压力。3Sn是纱线段的饱和度。纱线中的液体从较低的毛细管压力区流向较高的毛细管压力区。达西定律是描述流体通过多孔介质的流动并计算Φ的流速的方程：Φkr2PμL(4)这里L是管的长度，μ是流体的动态粘度，r是管的半径，k是多孔材料的渗透率。纱线渗透性可以使用诸如Cirio等人的方法来测量。[38]第30段。利用液体-纱线相互作用的核心知识，可以研究纺织品中染色液的输运和纺织品中受毛细压差控制的液体扩散。如Takatera所述，当经纱中的液体流的前部与纬纱流的前部相遇时，经纱中的一些液体可能会向左传输，并发生偏转[12]。 这个功能是由Zhengeal模拟的。smethod[5].3.3不完美纺织造型在日常生活中穿衣时，纱线结构可能会受到破坏，如断裂、分叉、卷曲毛等效果。这些特征在纺织科学中被称为“起球”和“滑动”。基于TLM，完整的纱线可以分为三层：由松散羽毛组成的过渡层，由外部损失纤维组成的封闭层，以及由内部纤维组成的紧密结合的传输层。我们已经扩展了TML的参数属性来模拟流体在不完美织物上的扩散。3.3.1扩散连接TML的扩散模型假设织物的编织结构是完整的，因此流体在TML上的扩散是沿着纱线结构并通过加捻带连接点进行的。但是，当织物的编织结构被破坏时，流体的扩散不再严格遵循其编织结构，具有一定的各向异性和随机性。因此，我们在TML中使用扩散连接，而不是固定的扩散方向，模拟不完美织物上扩散连接的多样性。扩散连接被定义为当前TML中节点上的连接扩散的概率，以及平坦空间中相邻节点彼此相邻的概率。如图4所示，扩散概率的分布随着结构的破坏而发生很大变化。3.3.2起球当纱线表面结构发生磨损时，纱线的纤维结构发生三种形式(1) 纱线的紧密编织结构被破坏，导致失去了原始的方向，图4完美和不完美织物上的扩散连接。Yi ZHENG et al：不完美纺织品上的污渍147结构较强时，毛细管内部原有的连通性被破坏或方向发生改变。如图5中的第一行所示。在这条线中，a是良好的纱线结构，b是受损的纱线结构，c是良好的纱线结构显示了流体扩散连接的分布，d是当纱线结构被破坏时，流体扩散连接的分布变得不再结构化。图5起球引起的纱线结构损伤(2) 纱线表面的损耗纤维层被直接磨损，以显示其内部结构。图5中的第二行显示了这种效果。在这条线中，a是良好的纱线结构，b是受损的纱线结构，c和d以TLM的方式一起表示纱线结构的变化。图过渡层的纱线结构已经严重受损，甚至连传输层的连接也已断裂。(3) 紧密结合在纱线表面的光滑、连续的纤维断裂并出现纤维，这些纤维逐渐会聚形成绒毛球。图5中的第三行显示了这样的示例。在这条线中，a是良好的纱线结构，b是纱线结构的破坏，c和d是TLM常用的表示纱线结构变化的方式图形闭塞层中的纱线结构已被严重破坏，形成过渡层的外层或破坏了传输层的传输总结以上三种情况：纱线的表面结构被破坏后，其原来保持的微观结构也发生了变化，这将显著影响流体在毛细管中的扩散。3.3.3滑移紧密约束的纤维是每种纱线的基本结构。当纱线断裂时，有三种不同的状态：（1）全部纤维被扣紧;（2）部分纤维断裂，产生毛状羽毛;(3)全部破碎，形成不规则骨折，可产生纤维性。图6显示了上面的三种状态：a、b和c。图6d表示当纬纱断裂时，编织结构的变形。滑动也影响经纱的形状、扩散连接和TLM特性。一束纱线断裂后，由于其结构特点，断裂处的纱线结构会不断疏松，逐渐形成毛羽效应。这些毛羽效应将显著改变纱线的铺展性能。一个CC或RDINGOZheNGETAL。研究表明，纱线表面存在一层致密的毛层，对液体的扩散会产生明显的阻隔作用和蓄水作用，液体干后会形成积污效应[5]。虚拟现实智能硬件2021年12月3日第2148图6纱线滑脱引起的结构损伤。由红色框标记的不同纱线区域指示不同的结构损伤以及扩散性质和TML结构的变化。3.3.4挤压挤压将改变纱线的编织结构，导致连通性和孔隙率的变化。变化的程度与压力的大小呈正相关。挤压不仅改变了纱线的内部结构，而且形成了新的毛细管结构。这种类型的毛细结构的形成是由于挤出物体的边缘与织物之间形成的界面间隙。图7显示了这种效果。在该图中，a示出了挤压场景，b示出了具有挤压效应的织物上的每个节点的扩散性质，c示出了当发生挤压时织物节点的纱线TML性质的变化。图7挤压对织物结构和扩散性能的影响。红框标记挤压区域。红色区域表示压力较大，黄色区域表示压力范围较小。3.3.5不完全TML结构通过以上4节的分析，我们在TML模型结构中加入了织物损伤特征的模拟。TML方法由以下2种方法扩展：(1) 二维平面的扩散概率用于模拟纱线的连通性和扩散的各向异性。通过这种方法，可以模拟以下效果：a) 由完整的纱线编织结构形成的流体扩散通道;b) 纱线的孔隙率因切断、松解和挤压而发生变化。(2) 通过在TML模型中添加结构失效点来模拟单根纱线的编织和表面结构的变化，包括：a) 纱线结构磨损造成的毛层损伤或形成;Yi ZHENG et al：不完美纺织品上的污渍149b) 纱线断裂和松散纱线形成的断纤维层c) 挤压使原本松散的纤维层空间被紧紧压缩4染色4.1不完全液体驱动扩散液体携带的染料最终改变了织物的颜色。因此，可以通过Zheng等人[5]提出的方法来模拟染色过程中产生的污渍。准确地说，染料扩散包括三个过程：液体驱动扩散、浓度驱动扩散和染色过程。除了这些影响，我们讨论了染色效果不完美的织物，如染色沉淀。当液体向纱线端部移动时，由于毛细结构逐渐被破坏，液体扩散效果降低，随着液体的蒸发，逐渐形成染色颗粒的沉淀点。在图8中，我们显示了污渍扩散和污渍沉降的过程。从a到c的过程中，蔓延到纱线末端的液体由于蒸发而消失，染色颗粒因此沉积，形成逐渐增厚的染色效果。第一行是模拟效果图，第二行是计算示意图。在第二行中，每个网格表示TML模型中的计算节点。深蓝色的点是染色的颗粒，白色的点是溶剂。图8 纱线末端的染色效果是沉淀。在纱线的末端，纱线中的液体具有与空气的接触面增大，导致水的蒸发速度加快，因此也形成污渍的沉淀效果。5执行5.1算法我们定义算法中使用的变量：在第一步中，我们将织物抽象为M（m×n）网格，如图2所示。在第二步中，我们对M网格中的扩散概率数据进行预处理。根据艺术家指定的织物材料属性、损伤类型、磨损强度和外压，分别计算节点在每个节点的连通概率Cmn、纤维层厚度Fmn、孔隙率Pmn和最大液体流量Lmn，如图9和图10所示计算方法如下：孔隙率和最大液体流量：根据当前节点的织物材料和外部挤出调整节点的孔隙率。当节点上的外部压力增加时，节点的孔隙率、纤维层的厚度和连通概率都减小，反之亦然，这些扩散性质保持不变。当孔隙度变化时，虚拟现实智能硬件2021年12月3日第2150在纱线中的含量与它成比例地变化。连通性概率：根据表1租赁中使用的关键变量描述表根据当前节点的编织结构和磨损强度，计算自身与周围8个节点之间的连通概率（图11 c），并将连通性存储在Cmn中。如图6和图11所示的第二张图片所示纤维层厚度：根据面料类型和纱线的磨损强度更新当前节点的纤维层厚度值。如图5中的第二行和第三行所示。通过以上计算，我们得到了一个能够表达受损织物的织物扩散概率数据。在第三步中，我们使用以下算法.1来计算污渍在不完美织物上的传播过程：图1主迭代循环：对于每个经线和纬线方向do：对于M中的每个节点do：变量CmnFmnPmn我知道了DmnYmnSmnEmn描述节点处纤维层厚度节点孔隙度节点处最大液体流量节点处色牢度液纱润湿过程节点处液体饱和度节点处蒸发率Zheng等人更新Ymn。;[五]《中国日报》图9通过修改模型中的Fmn参数，端端getString（）;可获得污渍在不同材质布料上的扩散效果。该图从左到右模拟聚酯纤维、棉花和羊毛。第一行是模拟结果，第二行是真实图片。算法2描述了流体在织物上的扩散和蒸发过程。表2液体扩散：计算所有Cmndo的液体扩散：计算值Lmn通过芯吸压力通过Equ. 第二章：P= 2γ cosθ/r更新液相扩散方程 4：Φ=kr2ΔP图10 的 相同 FMn 参数，不同微升端进行液体蒸发;算法3描述了在流体扩散和沉淀染色的情况下污渍在织物上扩散的过程。图3染料扩散：对于所有Cmndo：计算值液体驱动染料扩散;染料沉积;端可以通过调整颜色织物的牢度和织造密度。图b显示较低的色牢度产生更均匀的染色效果。图c显示了经纱和纬纱上不同的编织结构将导致各向异性扩散。这是因为编织结构的变化将改变流体扩散所需的毛细管压力。Yi ZHENG et al：不完美纺织品上的污渍1516实验结果在图12中，我们模拟了由于挤压导致的织物的污渍扩散效果的变化。图12a和图10a '是实际收集的数据。 从真实实验中可以看出，更多的污渍形成在挤压区域，这影响了污渍从自由区域穿过挤压区域的扩散效果。图10 b，图10 c，图11Cmn描述当前节点和周围8个节点之间的连接属性。图10d是一个连续的模拟效果，其中蓝色区域是污渍，红色区域是被重物挤压的织物区域。图10 b'、图10 c'和图10 d '是同一过程的性能。红色框突出显示了在挤出时形成的污渍沉淀和受挤出影响的扩散效应。图. 12 Demo1：织物挤压产生的污渍效果。由于挤压会使纱线的内部空间被压缩，从而影响污渍在纱线上扩散的效果。上排的红框模拟挤压区域，下排的红框标记挤出区域的扩散效果图13 a、图13 b、图13 c示出了织物裁剪后污渍的扩散过程，图13 a '、图13 b'、图13 c '为实际采集数据。可以看出，在切割缝处，模拟方法可以更好地反映流体扩散和应变沉淀的动态效应。通过添加多个扩散属性特征，可以对织物的多样性进行建模，从而实现更复杂、更真实的扩散效果。图14a是污渍在结构良好的织物上扩散的结果。图14a'是污渍在有缺陷的织物上扩散的结果这两块布料来自同一块完整的布料。通过对比可以发现，由于织物结构的变化，污渍的扩散结果由均匀扩散变为不均匀扩散，存在明显的不均匀污渍沉淀效果。图14 b、图14 c和图14 d使用Zheng等人的方法模拟了污渍在具有完整结构的织物上的扩散过程[5]。图14的第二行使用我们的方法来模拟污渍在有缺陷的织物上的扩散过程，并且包括织物上的滑动、挤压和起球的影响。图14的第三行显示了仅使用滑动效应模拟的效应，但是因为虚拟现实智能硬件2021年12月3日第2152图13演示2：切割和破坏织物结构对污渍扩散有影响。上部线 图中为模拟结果，下方为实际采集数据。红框标记了由切割纱线效应产生的污渍扩散和沉淀效应。图14 Demo3：与Zheng 2019[5]的方法比较。通过添加不完美织物的特征，它用于模拟污渍在织物上扩散时的更多效果。Yi ZHENG et al：不完美纺织品上的污渍153织物的整体结构是完整的，所以扩散的结果也趋于各向同性。图14的第四行示出了挤压效应对扩散结果的重要影响，特别是在图14c“"阶段，当液体的扩散在压力的边缘处被暂时阻挡时。图14的最后一行显示了起球是如何影响液体扩散的：扩散受到纤维层加重的阻碍，但随着流体浸入纤维层，最终形成均匀完整的扩散效果。表2列出了我们的DEMO中使用的计算模拟资源和性能消耗。在我们的算法中，我们需要的性能与采样方向和需要计算的扩散属性的大小成正比。当织物结构不完善时，迭代计算方向越多，性能消耗越大。表2算法演示网格大小总法拉连接属性定时/秒郑2019[5]256×25630003300Demo1256×25630005420Demo2256×25645005550Demo3256×2566000914007结论和今后的工作织物的磨损是日常生活中经常发生的事情，也是织物实景渲染中一个重要但容易被忽视的现象。织物的损伤会在材料、物理等方面发生变化，本文重点研究流体与破损织物相互作用引起的材料效应的变化。由于编织结构形成的流体扩散通道由于破坏而变得多样，因此通过将纱线简化为管来模拟流体在织物上的扩散不再可行。本文采用扩散性质的方法来模拟污渍在不完美织物组织结构中的扩散情况，可以得到与实际效果较为接近的模拟结果。本文对织物的结构进行了简化，只考虑了简单的平面和立体织物，对于复杂的缎纹和立体编织织物，没有进行建模，这是我们后续深入研究的方向。那些复杂的编织结构会导致纱线形状发生更多样的变化，这也会影响流体扩散的效果。竞合利益我们声明我们没有利益冲突。引用1杨伟，王伟，王伟.在纱线水平上模拟针织布。In：ACM SIGGRAPH 2008 papers on- SIGGRAPH '08.洛杉矶，加利福尼亚州，纽约，ACM出版社，2008年DOI：10.1145/1399504.13606642徐毅，陈毅，林S，钟华，吴鄂，郭斌，沈华。使用光感片的真实感服装渲染。第28届计算机图形与交互技术年会论文集。美国加利福尼亚州洛杉矶，ACM，2001DOI：10.1145/383259.3833033赵S，Jakob W，Marschner S，Bala 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