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Wie man Stoffe realitätsnah am Computer simuliert

Österreichische Forscher haben eine neue Methode zur Animation von Stoffeffekten wie Kräuseln, Falten oder Knittern entwickelt.

Stoffe und Kleidungsstücke realitätsnahe am Computer zu animieren, ist nicht einfach. Um zu simulieren, wie ein Stoff fällt oder sich während des Tragens bewegt, sind ausgeklügelte und zeitaufwendige Methoden erforderlich. Forscher aus Österreich und Indien haben nun eine Methode zur Animation von Stoffeffekten entwickelt, die die Physik des Materials genau erfasst.
Das großflächige mechanische Verhalten von Geweben wird durch die mechanischen Eigenschaften der Garne, das Bindungsmuster und die Reibung zwischen den Garnen bestimmt. Das zu simulieren, speziell für vollständige Kleidungsstücke, dauert derzeit sehr lange, betonte Georg Sperl vom Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg in einer Aussendung der Association for Computing Machinery, die Mitte August die Konferenz für Computergraphik und Interaktive Technologien SIGGRAPH virtuell veranstaltet hat. Sperl hat dabei die gemeinsam mit Chris Wojtan vom IST Austria und Rahul Narain vom Indian Institute of Technology Delhi (IITD) erzielten Ergebnisse vorgestellt.

Präzise Erfassung der Materialeigenschaften

Der Grund für die Schwierigkeiten bei der Animation sind die verschiedenen Erscheinungsformen und Details von Stoffen, abhängig davon ob sie gewebt, gestrickt oder gehäkelt wurden, je nachdem wie sie getragen werden usw. Mit dem Ansatz des Forscherteams ist es nun möglich, all diese spezifischen Details und Materialeigenschaften von Stoffen in realistischer und präziser Art und Weise zu erfassen.
»Unsere Methode hilft dabei, solche Simulationen einfacher und schneller zu machen, indem wir die mechanischen Eigenschaften der Fadenstruktur vorberechnen«, so Sperl. Dabei wird die komplexe Physik erfasst, die sich aus den Geweben ergibt. Die Forscher nehmen dafür einen kleinen Teil einer Fadenstruktur, ziehen und biegen diesen, und messen dabei Festigkeit und Steifigkeit. Basierend darauf können Vorberechnungen erfolgen, die dann in der Simulation benutzt werden.

Prüfgeräte nicht erforderlich

Anstatt dabei die unzähligen Kreuzungspunkte der Fäden zu betrachten, wird das zu simulierende Kleidungsstück in ein Netz von Dreiecken zerlegt. Von der Deformation der Dreiecke kann man Rückschlüsse ziehen, wie sich die Fadenstruktur in der Realität verhalten würde. Das gesamte Dehnungs- und Biegeverhalten des Materials bleibt dadurch erhalten und charakteristische Phänomene von Geweben wie Kräuseln, Falten oder Knittern können animiert werden.
Da die Methode vollständig auf Simulationen basiere, könnten so schnell völlig neue Materialmodelle erstellt werden, ohne dass Prüfgeräte oder menschliches Eingreifen erforderlich seien. So können charakteristische Verhaltensweisen verschiedener Stoffe automatisch reproduziert werden.

Anwendung für Modeindustrie und Animationsfilme

Interessant ist dies nicht nur für die immer realistischer werdenden computeranimierten Filme. Auch in der Kleidungsindustrie bestehe Interesse an schneller, aber realistischer Simulation, sowohl für Designer beim Entwerfen, als auch für Kunden, die sich online Kleidung ansehen oder sogar virtuell anprobieren, sagte Sperl.
Die Methodik sei aber auch für andere Materialien anwendbar, die aus der Ferne betrachtet flach sind, tatsächlich aber eine Struktur haben, die komplizierte Materialeigenschaften erzeugt. Als Beispiel nennt der Wissenschafter aus mehreren Schichten zusammengesetzte Materialien etwa für Kleidung oder die Haut, die durch zusammenwirkende unterschiedliche Schichten ebenso komplex aufgebaut sei.

Mehr Informationen: https://visualcomputing.ist.ac.at/publications/2020/HYLC/

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