Partikel-Modell für die Kleidersimulation

Type: Master thesis
Student: André Linder
Advisor: Corinne Mattmann
Project: Backmanager

Im Rahmen des Projekts Backmanager wird am Wearable Computing Lab der ETH Zürich ein enganliegendes Kleidungsstück entwickelt, aufgrund dessen Dehnungsverteilung schlechte Körperhaltungen und ungesunde Bewegungsabläufe des Trägers erkannt werden sollen. Zu diesem Zweck werden textile Dehnungssensoren in den elastischen Stoff eingearbeitet. Für die Entwicklung sind Referenzmessungen notwendig, deren Erhebung jedoch sehr aufwändig ist. Deshalb soll die Dehnungsverteilung in einem Kleidungsstück in Software simuliert werden können. Dies ist das Ziel der vorliegenden Arbeit. Modelliert wird der Stoff dabei mit einem Partikelmodell.

Als Ausgangsmaterial zur Simulation eines Stoffstücks dienen Dreiecksmeshes jeglicher Form. An den Punkten des Meshes werden Partikel generiert, welche durch ihre Masse, Position, Geschwindigkeit und die resultierende Kraft, die auf sie wirkt, charakterisiert sind. Eine Besonderheit von Partikelmodellen ist, dass das Verhalten eines Partikels nur von seinem eigenen Zustand und dem seiner unmittelbaren Nachbarn abhängig ist. Diese lokale Betrachtungsweise stellt eine grosse Vereinfachung dar.

Animiert wird das Modell schrittweise. In jedem Schritt wird zuerst die resultierende Kraft für jedes Partikel berechnet. Mithilfe von Newtons Bewegungsgleichung und der Masse kann man die Beschleunigung ermitteln. Durch numerische Integration über einen diskreten Zeitschritt kann schliesslich die neue Geschwindigkeit und Position eines Partikels bestimmt werden.

Die resultierende Kraft, welche auf ein Partikel wirkt, ist eine Summe aus internen und externen Kräften. Erstere werden aus den mechanischen Eigenschaften wie Dehnung, Scherung und Biegung des Stoffs ermittelt. In dieser Arbeit wurden mehrere mechanische Stoffmodelle evaluiert und auf ihre Brauchbarkeit zur Simulation der Dehnungsverteilung untersucht. Grosser Wert wurde hier vorallem auf die physikalisch exakte Repräsentation und Modellierung von Stoff mithilfe von relevanten Parametern wie dem Stoffgewicht, dem Elastizitätsmodul und der Poissonzahl gelegt. Unter den externen Kräften werden im Allgemeinen alle restlichen Effekte wie Schwerkraft, Luftwiderstand, Reibung etc. zusammengefasst.

Einzelne Stoffstücke werden in der Simulation direkt an einem Personenmodell zu einem kompletten Kleidungsstück zusammengesetzt. Dazu müssen zwei weitere Effekte simuliert werden können: die Detektion und Reaktion auf Kollisionen mit dem Personenmodell und die Stoffnähte selbst. Das Personenmodell wird dabei durch ein 3D-Oberflächenmesh repräsentiert. Kollisionen werden auf Partikelbasis erkannt und behandelt. Wurde eine Kollision zwischen dem Personenmodell und einem Stoffpartikel entdeckt, wird darauf mittels eines inelastischen Stosses reagiert. Um Stoffnähte zu simulieren, werden die Randpartikel zweier Stoffstücke schrittweise aufeinander zu bewegt und schliesslich paarweise in einer gemeinsamen Position fixiert. Da das Modell enganliegende, elastische Kleidung simulieren soll, müssen bei diesem Vorgang die internen Kräfte des Stoffs überwunden werden, damit die Nähte vollständig geschlossen werden können. Stoffnähte und Kollisionen sind als geometrische Effekte umgesetzt, d.h. statt eine Kraft respektive Gegenkraft zu generieren, werden die Positionen und Geschwindigkeiten der Partikel entsprechend modifiziert, um den gewünschten Effekt zu simulieren.

Als Resultat liefert das Modell die simulierte Dehnungsverteilung in den Stoffstücken. Es kann zwischen der Dehnung in horizontaler und vertikaler Stoffrichtung umgeschaltet werden. Bei der Umsetzung beschränkte man sich vorerst auf Kleidungsstücke bestehend aus bloss zwei Stoffstücken. Eine Erweiterung auf Schnittmuster, welche sich aus mehreren Stücken zusammensetzen, ist jedoch dank des modularen Aufbaus ohne weiteres möglich. Auch andere künftige Erweiterungen sind denkbar, wie z.B. der Einbezug von Reibungseffekten zwischen dem Stoff und dem Personenmodell, die Simulation von Stoffen mit unterschiedlicher Dicke oder die dynamische Simulation eines Kleidungsstücks an einem animierten Personenmodell.