Physical cloth simulation and applications for the visualization, virtual try-on, and interactive design of garments

Abstract

This thesis deals with the physical simulation of textiles and its applications in computer graphics for the visualization, virtual try-on, and interactive design of garments. First, the physical modeling of internal and external forces in the simulation of textiles is treated. On the one hand, a model for internal forces is proposed that is based on linear finite elements for viscoelastic deformable surfaces. By constructing a local reference frame for each element the application of linear elasticity becomes possible. On the other hand, two methods for the modeling of wind effects in cloth simulations are presented. In the first model, the fluid flow is described by the Navier-Stokes equations, while in the second model wind particles are simulated that move on the trajectories of global wind fields in order to compute aerodynamic and lee effects. Subsequently, in order to approximate numerically the solutions of the arising differential equations, a method to parallelize the implicit time integration is presented which is specifically designed for distributed memory systems. Here, static task decomposition and mapping is employed, and it can be shown that substantial performance improvements are possible due to parallelization. After that, applications of the presented methods are described. First, the developed cloth simulator TüTex is presented. Then, the application of TüTex in the Maya plugin tcCloth, and in the research project Virtual Try-On are illustrated. The last part of this work deals with the simulation and design of clothing in interactive virtual environments. The virtual reality system Virtual Dressmaker which has been developed within the scope of this work allows the interactive construction and simulation of garments using input devices with six degrees of freedom and stereo visualization. The employed methods are compared with conventional interaction techniques on the basis of two usability studies. Finally, virtual tailor tools are presented that allow the interactive design of textiles by working with the three-dimensional simulated model while the modifications are transferred automatically to the underlying planar cloth patterns.

Diese Dissertation befasst sich mit der physikalischen Simulation von Textilien und ihren Anwendungen in der Computergrafik für die Visualisierung, die virtuelle Anprobe und den interaktiven Entwurf von Bekleidung. Zunächst wird die physikalische Modellierung von inneren und äußeren Kräften in der Simulation von Textilien behandelt. Zum einen wird ein Modell für innere Kräfte vorgestellt, das auf linearen Finiten Elementen für viskoelastische deformierbare Flächen basiert. Hierbei wird durch die Konstruktion eines lokalen Referenzrahmens für jedes Element die Anwendung Linearer Elastizitätstheorie ermöglicht. Zum anderen werden zwei Methoden für die Modellierung von Windeffekten in Textilsimulationen präsentiert. Im ersten Modell werden dynamische Strömungen durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben, während im zweiten Modell Windpartikel simuliert werden, die sich auf den Trajektorien eines globalen Windfeldes bewegen, um aerodynamische Effekte und Windschattenbereiche zu ermitteln. Zur numerischen Approximation der Lösungen der entstehenden gewöhnlichen Differentialgleichungen wird im Anschluß eine Methode zur Parallelisierung der impliziten Zeitintegration vorgestellt, die speziell für Systeme mit verteiltem Speicher ausgelegt ist. Dabei wird eine statische Aufgabenzerlegung und -abbildung vorgenommen, und es wird gezeigt, dass eine substantielle Steigerung der Performanz durch Parallelisierung möglich ist. Danach werden Anwendungen der vorgestellten Methoden beschrieben. Zum einen wird das entwickelte Kleidersimulationssystem TüTex vorgestellt, zum anderen wird auf die Anwendung des TüTex -Simulators im Maya-Plugin tcCloth und im Forschungsprojekt Virtual Try-On, das die virtuelle Anprobe von Bekleidung zum Ziel hatte, eingegangen. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation und dem Entwurf von Bekleidung in interaktiven virtuellen Umgebungen. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Virtual Reality System Virtual Dressmaker erlaubt die interaktive Konstruktion und Simulation von Kleidung unter Verwendung von Eingabegeräten mit sechs Freiheitsgraden und einer Stereo-Visualisierung. Die vorgestellten Methoden werden auf der Basis von zwei Benutzerstudien mit herkömmlichen Interaktionstechniken verglichen. Schließlich werden virtuelle Schneiderwerkzeuge vorgestellt, die den interaktiven Entwurf von Textilien am dreidimensionalen, simulierten Modell mit vollautomatischer Modifikation der zugrunde liegenden planaren Schnittmuster erlauben.