Modeling and Simulating Bodies and Garments pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Magnenat-Thalmann, Nadia 编

出品人:

页数:204

译者:

出版时间:2010-07-01

价格:USD 99.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781849962629

丛书系列:

图书标签:

• 服装建模
• 服装仿真
• 人体建模
• 计算机图形学
• 虚拟服装
• 数字服装
• 3D建模
• 仿真技术
• 服装设计
• 人体工程学

《数字人体与服装工程：从生物力学到虚拟设计》 导言：跨越物理与数字的边界 在当代工程学、计算机图形学以及服装设计领域，对人体的精准建模与模拟已成为推动技术革新的核心驱动力。《数字人体与服装工程：从生物力学到虚拟设计》一书，旨在全面梳理并深入探讨如何利用先进的数学方法、物理仿真技术以及计算模型，来构建和分析复杂的人体形态及其与服装间的相互作用。本书不关注特定工具或商业软件的操作，而是侧重于背后支撑这些应用的理论基础、核心算法以及前沿研究方向。它为希望深入理解人体结构、运动学、接触力学以及虚拟服装设计的工程师、研究人员和高级学生提供了一套系统性的知识框架。 第一部分：人体形态的几何与拓扑建模 本部分聚焦于如何将复杂、不规则的人体形态转化为可被计算机处理的数学模型。 第1章：人体扫描与表面重建技术 人体形态的获取是所有后续仿真的基础。本章详述了3D人体扫描技术（如结构光、激光雷达、光度立体法）的工作原理、数据采集流程及其局限性。重点讨论了原始点云数据的处理，包括噪声去除、配准（Registration）与对齐。 核心内容在于表面重建。我们将探讨如何从离散的点云数据中生成高质量的、流形（Manifold）的三角网格（Triangular Mesh）或NURBS（非均匀有理B样条）曲面。这包括Delaunay三角剖分、泊松重建（Poisson Reconstruction）等算法的数学基础及其在捕捉人体细节（如褶皱、凹陷）时的适用性分析。此外，还会深入讨论网格质量评估标准（如长宽比、翘曲度）及其对后续物理模拟性能的影响。 第2章：参数化人体模型与形态变异性 单一的扫描模型无法涵盖所有人体的差异性。本章探讨参数化人体模型的构建，即通过一组可调节的控制参数（如身高、体重指数、各部位周长）来生成不同体型的人体。这涉及对形态学数据的统计分析，如主成分分析（PCA）在人体扫描数据集中的应用，以识别出控制人体主要形变模式的“特征向量”。 重点分析了如何建立从高维形态空间到低维参数空间的映射关系，确保生成的模型在保持生物学合理性的同时，具备足够的灵活性以适应交互式设计需求。我们将阐述经典的人体建模框架（如SMPL模型在姿态估计和形状回归中的应用原理）及其在创建可动画化骨架模型方面的技术细节。 第二部分：生物力学与运动学基础 准确的人体模型必须能够响应内外部载荷并体现真实世界的运动规律。本部分深入探讨支撑人体行为模拟的力学原理。 第3章：刚体与柔性体动力学 本章建立在经典牛顿-欧拉力学和欧拉-拉格朗日方程之上。首先，详细讲解刚体动力学在模拟大尺度人体运动（如行走、跳跃）中的应用，包括关节约束的建模（如万向节、球窝关节的数学表示）以及外力矩的计算。 随后，转向柔性体动力学。这是模拟人体局部形变（如脂肪组织、肌肉拉伸）的关键。我们将探讨基于有限元方法（FEM）的柔性体模拟框架。着重分析超弹性材料（Hyperelastic Materials）的本构关系（如Mooney-Rivlin或Neo-Hookean模型），以及如何处理大变形和非线性问题的数值求解策略，例如隐式积分方法和时间步长的稳定性控制。 第4章：人体姿态估计与逆运动学 模拟人体运动需要知道其关节角度和位置。本章探讨如何从二维图像、视频或三维传感器数据中估计人体姿态（Pose Estimation）。我们将讨论基于统计模型和深度学习的姿态估计方法的工作流，重点分析关键点检测和关节连接的几何约束。 此外，逆运动学（Inverse Kinematics, IK）是实现目标驱动运动控制的核心。本章详细介绍了解析法（如Jacobian Transpose法）和迭代优化法（如牛顿法、CCD算法）在求解复杂多自由度人体链中的应用。强调在存在碰撞和不确定性约束下的IK求解挑战。 第三部分：服装的物理建模与虚拟化 本部分将研究如何将三维布料对象集成到人体环境中，并模拟其复杂的物理行为。 第5章：二维版型展开与三维曲面构造 服装的起始点是二维版型图。本章分析了服装工程中的版型设计理论，探讨了如何根据人体测量学数据确定初始版型尺寸。随后，重点讨论曲面重建的过程——如何将离散的二维版型边和缝合线转化为连续、光滑的三维曲面。这涉及到样条插值、曲率控制以及缝合线处的拓扑连接处理。 我们将讨论剪裁误差（Clipping Error）和版型松量（Ease Allowance）对最终服装贴合度的影响，并介绍如何利用这些几何信息来预估初始的接触状态。 第6章：布料的本构模型与材料特性 布料并非理想的弹性体，其变形行为由其材料特性决定。本章深入探讨布料的本构模型。核心内容包括： 1. 拉伸刚度：基于张力-伸长率曲线（如工程应力-应变关系）的线弹性或非线性弹性模型。 2. 弯曲刚度：描述布料抗弯曲能力，如Bending Modulus的测量与建模（使用弯曲力矩与曲率的关系）。 3. 剪切刚度：分析斜向变形的抵抗力。 本章还将介绍将这些各向异性（Anisotropic）的二维材料属性映射到三维空间中的数学方法，以及如何利用实验数据（如PEM或Kawabata测试数据）来校准和验证这些模型参数。 第四部分：耦合仿真与接触动力学 服装与人体的相互作用是一个动态的、多物理场耦合问题。本部分处理仿真中最具挑战性的部分——接触和摩擦。 第7章：基于网格的布料模拟：有限元与离散梁模型 虚拟布料模拟主要依赖于离散化的方法。本章详细对比了基于质点弹簧系统（Mass-Spring System）与基于有限元的布料模拟的优劣。重点分析基于能量最小化的有限元方法，讨论如何构建布料网格的应变能函数（Strain Energy Function），包括面内（In-plane）和面外（Out-of-plane）的能量项。 对于复杂的褶皱和悬垂现象，我们将介绍离散梁模型（Discrete Rod Model）在捕捉细长结构（如裙摆、袖口）弯曲特性的优势，以及它们如何与表面网格模型结合。 第8章：高效的碰撞检测与摩擦接触处理 在人体与服装的动态仿真中，准确而高效的碰撞检测是性能瓶颈。本章分析了分层包围盒（Hierarchical Bounding Volumes）和几何特征剔除算法在加速人体-服装碰撞检测中的应用。 处理接触力是模拟的核心难题。本章深入探讨非穿透约束的施加。我们将讲解拉格朗日乘子法、罚函数法以及增广拉格朗日法在处理复杂的摩擦接触约束时的数值稳定性和收敛性。尤其关注库仑摩擦模型（Coulomb Friction Model）在线性化处理中的应用，以及如何处理接触面处能量耗散和滑移条件的判断。 结论：前沿研究与未来展望 本书最后总结了当前该领域面临的挑战，包括：如何实时渲染高保真度的布料细节（如线迹和纤维纹理）、如何高效地模拟复杂的多层服装系统（如夹克与衬衫的交叠），以及如何将这些物理模型与生成式人工智能技术结合，实现更快速、更智能的虚拟服装设计迭代。全书旨在提供一个扎实的理论基础，以应对未来在虚拟试穿、数字人定制及高端运动防护装备设计等领域不断增长的需求。

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