在Style3D中，高度逼真的3D服裝、柔性自然的版型、經得起50倍放大的面料細節以及可靜可動的虛擬模特等吸引了一大批設計師及服企的眼光，而藏在夢幻視覺效果的背后，則是Style3D日益進步的服裝數字技術。
Style3D作為國內唯一 一款大型商業化柔性體仿真工業軟件，其核心技術主要分為：柔性仿真、服裝真實感渲染、服裝CAD設計。
今天，我們就來揭秘下，Style3D背后的“技術芯”之一：基于物理的布料仿真技術。
高精度的仿真要求
在服裝產業鏈的研發端，服裝設計的3D數字化革新中，面臨的一個大難題是對面料進行高精度的仿真模擬。
由于現實中的布料具有復雜的物理特性，既有彈性也有塑形、既可以自由變形又無法過度拉伸、既可以是針織結構也可以是紡織結構，所以高質量高效率的布料仿真在計算機圖形學領域是一直都是一個非常有挑戰性的研究問題。
Style3D作為一款成熟的服裝3D建模設計軟件，服裝設計師通過在Style3D中進行數值化的2D服裝版片設計，利用三角形網格生成算法在3D空間中得到服裝網格，再通過一定的版片安排策略與恰當的縫合工藝，設計師就能通過實時仿真技術得到虛擬的成衣效果。
高質量的仿真技術
Style3D的仿真技術核心，實質是一個高質量的實時布料仿真器。
主要由精確的布料物理模型，高效穩定的數值時間積分方法與求解方法，精確的碰撞處理等幾個核心模塊組成。每一個模塊都有非常高的要求，任何一個部分出現問題都會極大的影響最終的布料效果。另外，布料仿真的效率也越來越關鍵。Style3D中快速的布料仿真器可以極大地降低服裝設計師的時間成本。
◆自主研發
Style3D的布料仿真器開發團隊以當前學術界最先進的布料仿真算法為支撐，不斷地更新迭代適用于服裝工業場景的服裝設計功能，其核心業務代碼全為自研。
◆高度適配
Style3D的布料模擬算法運行在目前硬件架構最先進的 NVIDIA 顯卡上以獲得最高效的GPU 并行加速性能。同時，通過SIMD加速技術，Style3D的布料模擬算法也可以高效地運行在主流的CPU架構上，支持跨平臺操作。
（Style3D獲得的技術專利）
仿真技術的應用拆解
在Style3D中服裝制作可以簡單的分為一下幾個主要步驟：
版片縫合：衣服版片設計完成并在3D界面中設置好初始位置之后，模擬就可以正式開始了。如下圖所示，不同的版片在縫合線牽引力的作用下快速地組裝成了一件完整的衣服。
碰撞處理：即便設計師在初始位置設置得不好，Style3D的碰撞處理能力也可以快速地得到正確的衣服形態，保證衣服的物理正確性。
實時交互：在實時模擬過程中，動態的鼠標交互拖拽為用戶提供了干預模擬的能力。
GPU加速：如下圖所示，使用GPU進行并行加速后，碰撞處理的效率明顯高于CPU模擬，大大提高了布料仿真的效率。
*左邊為GPU，右邊為CPU
仿真技術的核心算法
基于物理的布料仿真主要包括以下幾個階段：
受力分析：針對布料進行受力分析需要建立在特定的物理模型的基礎之上，比如質點彈簧模型，如下圖所示：網格中的每一個頂點代表一個有質量的質點，而質點之間則通過無質量的彈簧連接。當彈簧的長度發生改變時，與其相連的質點就會受到彈性力的作用開始運動。
（布料受力演示）
時間積分：布料仿真的過程就是求解布料運動方程的過程，
其中a代表布料的加速度，fint代表布料由形變產生的彈性力，fext代表外部施加給布料的外力，比如重力、風力與撕扯力等。該運動方程滿足牛頓第二運動定律，本質上是一個非線性方程，可以使用非線性優化方法中的牛頓法來求解。如上圖所示，在經過質點彈簧模擬的受力分析之后，一塊布料網格可以表現出符合基本物理規律的運動。
碰撞處理：為了保證布料模擬的物理真實性，需要保證布料不穿透進人體，布料之間也需要保證沒有相交。碰撞處理一般分為兩步：碰撞檢測與相交解除。在碰撞檢測中，高效的包圍盒層次結構 (Bounding Volume Hierarchy: BVH) 被廣泛的用來加速碰撞剔除。Style3D中基于GPU并行加速的BVH實現方案足以支持實時模擬20萬三角形的服裝網格進行實時的模擬。
凌迪Style3D深耕服裝仿真技術5年，累計數億元的研發投入，聯合中科大、伯克利、浙江大學CAD&CG國家重點實驗室等高校和機構的技術專家，目前Style3D的研發團隊已在柔性仿真領域建立了技術高地。
未來，Style3D將持續投入研發，并不斷打磨產品，落地針對性的行業解決方案，提供給全球服裝企業及研發設計用戶更好的3D數字化體驗。
本篇主筆：王振東
凌迪科技資深算法工程師
浙江大學計算機科學與技術專業博士
曾在計算機圖形學頂級會議SIGGRAPH ASIA、
PACIFIC GRAPHICS上發表學術論文
