I. Концепция. Определения. Физика ткани.
Рубрикатор
Введение
I. Определения. Физика ткани. II. Особенности симуляции ткани и отличие от других симуляций. III. Техническая сторона (программная). Основные параметры.
Практическая часть
IV. Unreal Engine 5: инструмент Chaos Cloth. Обзор базовых элементов. V. Поэтапное создание симуляции в UE5. — Подготовка анимированной модели персонажа и модели ткани. — Необходимые плагины. — Ассет ChaosCloth. — Нодовый Set-Up: прорисовка карты весов, коллизия и аэродинамика. — Работа с параметрами. — Работа с Blueprint и материалом одежды для предотвращения пересечений. — Тестирование симуляции в сцене. VI. Создание симуляции в Houdini FX. — Подготовка геометрии. — Настройка свойств ткани через SOP. — Создание Vellum симуляции. — Настройка коллизий. — Работа с параметрами, устранение ошибок и кэширование. — Перенос в Unreal Engine. VII. Сравнение результатов в режиме Real Time Render. VIII. Вывод о системе Chaos и ее применении для кинематографичных сцен.
Концепция
Вряд ли возможно представить мир визуальных эффектов без симуляций. Вместо того, чтобы анимировать сложные физические явления, есть возможность настроить симуляцию и при помощи компьютера вычислить то, как объект или материал взаимодействует с окружающей средой.
Подобно тому, как симуляция жидкости позволяет визуализировать достоверно выглядящие реки, воду в стакане и дым, симуляция ткани отображает то, как реальная ткань могла бы реагировать на внешние силы или движения персонажа.
Высокореалистичные симуляции обычно генерируются численными алгоритмами, которые задействуют дискретные математические модели во времени. Модель описывает, как должен двигаться материал, с учетом его свойств, границ, внешних сил и объектов коллизии в сцене. В компьютерной графике специалиста в основном интересует внешний вид конечного результата, и физическая точность обычно не является главной целью. Это резко контрастирует с приоритетами инженеров, так как для их целей физическая точность является главным приоритетом, чтобы иметь возможность запускать симуляции, которые полезны для моделирования и прогнозирования реальных сценариев. Очевидно, что физическая точность помогает достичь этих визуально привлекательных и физически правдоподобных целей для применения в компьютерной графике.
Данное визуальное исследование рассматривает пайплайн симуляции ткани, где фокус смещен на возможности реального времени в Unreal Engine 5 в сравнении с классическим подходом в более привычных программах для создания VFX (в данном случае — Houdini). Основная цель исследования — создать симуляцию ткани для ВКР на базе UE5, а также изучить различия между подходами и полученным результатом в программах UE5 и Houdini.
Техническая часть исследования направлена на применение системы Chaos, которая воссоздает сложную физику на основе систем частиц и пружин, наглядно демонстрируя, как параметры вроде жесткости (ориг. Stiffness) и затухания (ориг. Damping) влияют на стабильность и производительность симуляции.
UE5 хоть и не предназначен для абсолютного реализма и имеет меньшую детализацию, в отличие от солверов Houdini, все же обладает существенным преимуществом в виде мгновенного результата и удобной настройки, а также интерактивности. Воссоздание симуляции в Houdini проводится с целью отражения достоинств и недостатков обоих подходов конкретно для дипломного проекта.
Определения
Ткань (ориг. «cloth», англ.) — это материал, изготовленный путем ткачества или вязания хлопка, шерсти, шелка и т. д.
Как правило, применение симуляции ткани можно отнести к одной из следующих категорий: — Оффлайн симуляции рассчитываются, настраиваются и обрабатываются перед выводом на экран. У художника есть время, чтобы провести несколько симуляций с различными настройками, чтобы найти желаемый результат. Эти методы обычно нацелены на высокую правдоподобность и подконтрольность. — Симуляции в реальном времени предполагают вычисление динамики геометрии во время выполнения. Это позволяет симуляции интерактивно реагировать на ввод пользователя и изменения в виртуальной среде. Этот тип симуляций имеет очень ограниченное время вычислений и обычно реализуется на аппаратном обеспечении GPU. Алгоритмы моделирования в реальном времени должны быть быстрыми и стабильными.
Физика ткани
Моделирование текстильных материалов представляет собой активно развивающуюся научную область, находящуюся в фокусе внимания исследователей на протяжении нескольких десятилетий. Данная проблематика является предметом пристального изучения в рамках материаловедения и науки о текстиле.
Первые существенные достижения в области компьютерной графики были зафиксированы в 1980-х годах, в частности, в работе Вейла (1986). Им были разработаны пионерские модели для визуализации драпировки тканей, закреплённых в заданных точках. Предложенный подход базировался исключительно на геометрических принципах и позволял получать результаты, визуально приближенные к реальной драпированной и морщинистой ткани. Несмотря на то, что модель не учитывала динамику движения материала, её значение заключается в инициировании активных исследований в области текстиля в компьютерной графике.
Параллельно научное сообщество проявило интерес к методам моделирования, обладающим более строгой физической основой. Один из ранних подходов представлен в диссертационной работе Фейнмана (1986), где материал моделировался в виде упругого листа в рамках континуального представления.
Механика сплошных сред, в отличие от дискретных моделей, описывает физические свойства и движение материала, рассматривая его как непрерывную массу.
Более универсальный метод моделирования упругих деформаций, применительно к тканям, был впоследствии разработан Терзопулосом и соавторами (1987). Данная методология исходит из предпосылки, что физические свойства материала могут быть адекватно описаны в терминах механики сплошных сред. Такое допущение является корректным для материалов с однородной внутренней структурой, такой как пластики или резина, где неоднородности проявляются лишь на микроскопическом уровне.
При движении ткани происходит взаимодействие нитей, включающее их соударение, изгиб и взаимное скольжение, сопровождаемое трением. Руководствуясь этой аргументацией, сторонники дискретных моделей применяют механические системы связанных частиц для воспроизведения макроскопической динамики. Альтернативный подход к динамическому моделированию на основе частиц был предложен Прово (1995). В его работе упругое поведение ткани моделируется с помощью системы точечных масс, соединённых пружинными элементами.
В более поздний период, в 1990-е годы, Барафф и Виткин (1998) представили методику симуляции ткани на основе треугольных элементов с применением неявной схемы интегрирования. Данная техника позволила осуществлять быструю симуляцию относительно сложных моделей одежды. Предложенный метод продолжает оставаться фундаментальной основой для многих современных алгоритмов, используемых в настоящее время.
На ткань воздействуют внешние силы, такие как гравитация, ветер или столкновения с телом. Но на самом деле ткань ведет себя так, как должна, благодаря внутренним силам. Это силы растяжения, сдвига и изгиба, которые действуют на частицы, заставляя ткань вести себя характерным для нее образом. Ниже будут рассмотрены различные способы формулирования этих внутренних сил, действующих на вершины треугольников, из которых состоит геометрия ткани.
Как только будут определены эти силы, появится возможность использовать численное интегрирование для продвижения симуляции во времени. Это подводит к еще одному важному моменту: работа на компьютере подразумевает ограниченное количество ресурсов. Типичный способ вычисления этих симуляций заключается в вычислении состояний частиц только на дискретных временных интервалах. Начиная с некоторого времени, симуляция будет продвигаться с небольшими шагами определенной длительности.
