想模拟超写实水浸湿布料的效果?看看这个研究成果吧!SIGGRAPH2018系列技术解析

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  最近一段时间一直在研究在SIGGRAPH 2018即将发布的一些前沿技术。前些日子,我们已与大家分享了“四足动物运动自适应神经网络”和Deep Video Portraits的技术。今天再与大家分享一个。

  流体与各种物质的交互一直是计算机图形学中研究的重要课题。比如模拟现实中的水与毛发交互,水与沙子交互等等。这两项技术在去年的SIGGRAPH上展示了相关的研究成果。除了这两之外,在我们CG特效制作时,还会经常遇到的一种物理现象的模拟,就是流体与布料交互的模拟。比如特写人物背影肩膀,雨水打湿衣服的镜头;再比如人物角色趟河行走时,水浸湿裤脚的镜头等等。

  我记得在2014年的时候,有小伙伴问过我这个问题。说如何更好的模拟水与布料交互,有没有相关的教程。后来搜了搜,在Vimeo上发现了一位大神的模拟实验。因为时间久远忘记是哪位大神发布的了。之前也曾看过很多对于流体和布料模拟的论文和研究。但模拟的效果都不是特别尽人如意。

  今年来自哥伦比亚大学的Yun Fei,Eitan Grinspun和Changxi Zheng,还有来自滑铁卢大学的Christopher Batty几位高材生针对这个课题再一次进行了深入的研究,并发表了一篇论文《用于模拟液体织物相互作用的多尺度模型》(A Multi-Scale Model for Simulating Liquid-Fabric Interactions)。其中详细的论述了实现的方法和效果。下面,还是先给大家分解下各个知识点,然后再给大家看下视频内容。

  

  这个方法研究了液体与部分和完全饱和编织与针织物的复杂动力学,其中包括浮力,孔隙压力,滴落和对流扩撒的影响因素。

  

  首先他们的理论依据是混合物理论来推导演化液体和固体的速度场。将液体和织物都建立为连续的多孔混合物。

  

  在试验的模型中,从浮力,曳(yè)力和布料上的微观孔隙压力几个方面考虑,并解决了获取这些因素的方法。同时研究小组还开发了布料捕获液体和液体滴落的方法。那么解决了这几种因素的获取方法,就可以很好的模拟出水浸湿布料的感觉了。当然了,这里面还有很多物理学上的计算。

  

  曳力是流体对其中有相对速度的固体施加的力这个力与相对速度方向相反其实就是相对运动阻力。

  

  为了更好的解释各个因素对于模拟的影响,研究小组把各个影响因素拆分开进行了单独的对比。首先把不同质量密度的织物放入水中,3个不同质量密度的布条在有浮力和无浮力的状态下的不同模拟结果。

  

  第二对比了不同参数下的效果。▼

  

  这段用白话说就是构成织物的线直径越细且密实,水就不容易渗透,而纱线直径越粗且稀疏的话,水就容易渗透。这个很好理解。▼

  

  接下来保持纱线排线的密实度不变,然后改变纱线的粗细。这个也很好理解,排线不变,纱线越粗孔隙越小,就不容易被水渗透,液体存留也较少。▼

  

  这里面有个生词叫“芯吸”,芯吸完整的表述是芯吸效应,在百度上的解释太难懂了。我这里用白话跟大家解释下。芯吸效应就是液体接触纸张或布料等物体后向周围扩散浸润或渗透的现象。这样讲我想大家应该明白了。

  

  接下来视频又测试了在保持纱线直径的情况下改变纱线的排线密度,道理是一样的。排线越密实,孔隙越小,所以浸水性就差。▼

  

  以上三个实验说明一个问题就是,孔隙越大,布料越容易被水浸湿。

  接下来,又用不同的液体进行了测试。左侧的为乙醛(化学不好,不知道什么东西),最右侧为橄榄油。这两种物质比水都要粘稠,不易渗透布料,且芯吸距离也短。▼

  

  最后测试了在没有孔隙压力状态下的效果。结果是没有芯吸效应,水不易吸附。

  左侧为参考,右侧为0孔隙压力的效果▼

  

  以上都只是基于理论上的测试。那么与现实生活中的物理现象相比会是什么样呢?然后,研究者用纺织行业经常采用的测试方法与电脑模拟效果进行了芯吸效应的对比。左侧为真实试验;右侧为模拟效果▼

  

  除了以上因素外,非线性曳力(Drag Force)对于液体与布料交互也起着很重要的作用。下图中左侧为非线性曳力状态,右侧为线性曳力状态。▼

  

  最后,研究小组展示了其他的一些测试效果。都非常的真实,特别是结尾的拧毛巾的效果,很是震撼。

  

  

  

  好了,下面一起看看视频。中文字幕▼

  


  虽然这些理论性的东西对于我们现实的制作没有直接的帮助。但知道这些理论的东西后,在之后的制作中会给你一个无形的创作经验和依据,会让你更快速的迭代接近自己想要的最终效果。

  Emmm,其他行业小伙伴就当了解下行业前沿科技了,读一读也不错,你说嘞?

  好了,今天内容就到这里吧。我会隔三差五讲解一篇关于SIGGRAPH2018的技术解析下。希望对大家有帮助。

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