Unilaterally Incompressible Skinning

Skinning was initially devised for computing the skin of a character deformed through a skeleton; but it is now also commonly used for deforming tight garments at a very cheap cost. However, unlike skin which may easily compress and stretch, tight cloth strongly resists compression: inside bending regions such as the interior of an elbow, cloth does not shrink but instead buckles, causing interesting folds and wrinkles which are completely missed by skinning methods. Our goal is to extend traditional skinning in order to capture such folding patterns automatically, without sacrificing efficiency. The key of our model is to replace the usual skinning formula — derived from, e.g., Linear Blend Skinning or Dual Quaternions — with a complementarity constraint, making an automatic switch between, on the one hand, classical skinning in zones prone to stretching, and on the other hand, a quasi-isometric scheme in zones prone to compression. Moreover, our method provides some useful handles to the user for directing the type of folds created, such as the fold density or the overall shape of a given fold. Our results show that our method can generate similar complexity of folds compared to full cloth simulation, while retaining interactivity of skinning approaches and offering intuitive user control

Physical validation of simulators in Computer Graphics: A new framework dedicated to slender elastic structures and frictional contact

International audienceWe introduce a selected set of protocols inspired from the Soft Matter Physics community in order to validate Computer Graphics simulators of slender elastic structures possibly subject to dry frictional contact. Although these simulators were primarily intended for feature film animation and visual effects, they are more and more used as virtual design tools for predicting the shape and deformation of real objects; hence the need for a careful, quantitative validation. Our tests, experimentally verified, are designed to evaluate carefully the predictability of these simulators on various aspects, such as bending elasticity, bend-twist coupling, and frictional contact. We have passed a number of popular codes of Computer Graphics through our benchmarks by defining a rigorous, consistent, and as fair as possible methodology. Our results show that while some popular simulators for plates/shells and frictional contact fail even on the simplest scenarios, more recent ones, as well as well-known codes for rods, generally perform well and sometimes even better than some reference commercial tools of Mechanical Engineering. To make our validation protocols easily applicable to any simulator, we provide an extensive description of our methodology, and we shall distribute all the necessary model data to be compared against

Test et validation de codes de simulation d'informatique graphique pour les structures élastiques minces et le contact frottant

National audienceNous présentons un jeu de quatre protocoles de test, inspirés de problèmes classiques en calcul de structures, dans le but de valider des codes de simulation d’informatique graphique pour les poutres et plaques élastiques, ainsi que le contact frottant. Ces codes d’informatique graphique ont été conçus initialement pour simuler des effets visuels complexes dans le cinéma, application pour laquelle la crédibilité au service de la narration prime sur le réalisme physique. Cela explique que de tels simulateurs ont été finalement peu confrontés au réel de façon quantitative, contrairement aux simulateurs développés en mécanique. Pourtant, ces simulateurs graphiques, grâce à leur robustesse et leur efficacité, sont de plus en plus détournés du secteur du film pour être utilisés dans la conception de systèmes réels, avec de vrais attendus en terme de prédiction. Ce nouvel usage appelle une validation quantitative rigoureuse et complète, non seulement pour pouvoir certifier la gamme de validité de tels simulateurs, mais également pour pouvoir les comparer à des outils numériques standard employés en mécanique. Les protocoles de test que nous proposons sont validés expériementalement et sont conçus pour vérifier le traitement de la flexion, de l’interaction flexion-torsion, et du contact frottant solide

Modélisation statique inverse de vêtements

This thesis deals with the direct simulation and inverse design of garments in the presence of frictional contact.The shape of draped garments results from the slenderness of the fabric, which can be represented in mechanics by a thin elastic plate or shell, and from its interaction with the body through dry friction. This interaction, necessary to reproduce the threshold friction occuring in such contacts, is described by a non smooth law, which, in general, makes its integration complex. In a first contribution, we modify the so-called Projective Dynamics algorithm to incorporate this dry frictional contact law in a simple way. Projective Dynamics is a popular method in Computer Graphics that quickly simulates deformable objects such as plates with moderate accuracy, yet without including frictional contact. The rationale of this algorithm is to solve the integration of the dynamics by successively calculating estimates of the shape of the object at the next timestep. We take up the same idea to incorporate a procedure for estimating the frictional contact law that robustly captures the threshold phenomenon.In addition it is interesting to note that simulators developed in Computer Graphics, originally targeted at visual animation, have become increasingly accurate over the years. They are now being used in more "critical" applications such as architecture, robotics or medicine, which are more demanding in terms of accuracy. In collaboration with mechanicists and experimental physicists, we introduce into the Computer Graphics community protocols to verify the correctness of simulators, and we present in this manuscript our contributions relatedto plate and shell simulators.Finally, in a last part, we focus on garment inverse design. The interest of this process is twofold. Firstly, for simulations, solving the inverse problem provides a "force-free" and possibly curved version of the input (called the rest or natural shape), whether it comes from a 3D design or a 3D capture, that allows to start the simulation with the input as the initial deformed shape. To this end, we propose an algorithm for the inverse design of clothes represented by thin shells that also accounts for dry frictional contact. Within our framework, the input shape is considered to be a mechanical equilibrium subject to gravity and contact forces. Then our algorithm computes a rest shape such that this input shape can be simulated without any sagging. Secondly, it is also appealing to use these rest shapes for a real life application to manufacture the designed garments without sagging. However, the traditional cloth fabrication process is based on patterns, that is sets of flat panels sewn together. In this regard, we present in our more prospective part our results on the adaptation of the previous algorithm to include geometric constraints, namely surface developability, in order to get flattenable rest shapes.Cette thèse porte sur la simulation directe et la conception inverse de vêtements en présence de contact frottant. La forme de vêtements portés résulte en effet à la fois de la minceur du tissu, représentable en mécanique par une plaque ou une coque mince et élastique, et de son interaction avec le corps à travers un phénomène de contact frottant solide. Cette interaction, nécessaire pour reproduire le frottement à seuil typique des interactions entre solides, est décrite par une loi non régulière, ce qui rend son intégration généralement complexe. Dans une première contribution, nous modifions l'algorithme Projective Dynamics afin d'y introduire simplement cette loi de contact frottant. Projective Dynamics est une méthode populaire en Informatique Graphique qui simule rapidement avec une précision modérée des objets déformables tels que les plaques, mais sans inclure de contact frottant. L'idée principale de cet algorithme est de résoudre l'intégration de la dynamique en calculant successivement des estimations de la forme de l'objet au pas de temps suivant. Nous reprenons la même idée afin d'y incorporer une procédure d'estimation de la loi de contact frottant qui parvient de manière robuste à capturer le phénomène de seuil.Par ailleurs, il est intéressant de noter que les simulateurs développés en Informatique Graphique, dédiés à l'origine à l'animation, sont devenus de plus en plus précis au fil des ans. Ils sont maintenant sollicités dans des applications plus "critiques" telles que l'architecture, la robotique ou la médecine plus exigeantes en terme de justesse. Dans une collaboration avec des mécaniciens et des physiciens expérimentateurs, nous introduisons de nouveaux protocoles de validation des simulateurs graphiques et nous présentons dans ce manuscrit nos contributions relatives aux simulateurs de plaques et de coques.Enfin, dans une dernière partie, nous nous intéressons à la conception inverse de vêtements. L'intérêt de ce procédé est double. En premier lieu, pour des simulations, résoudre le problème inverse fournit une version "sans force" et possiblement courbée de l'entrée (dite naturelle ou au repos), que celle-ci provienne d'un modèle 3D ou d'une capture 3D, qui permet d'initier la simulation avec la forme de l'entrée en tant que forme déformée initiale. En ce sens, nous proposons un algorithme pour la conception inverse de coques en présence de contact frottant. Dans notre cadre, la forme donnée en entrée est considérée comme un équilibre mécanique soumis à la gravité et aux forces de contact. Notre algorithme calcule ensuite une forme au repos telle que l'entrée puisse être simulée sans qu'elle ne s'affaisse. En second lieu, il est aussi tentant de vouloir utiliser ces formes naturelles pour une application concrète afin de confectionner lesdits vêtements sans qu'ils ne s'affaissent. Cependant, le processus classique de fabrication de vêtements est basé sur l'usage de patrons, c'est-à-dire d'ensembles de panneaux plats à coudre ensemble. Nous présentons donc dans une partie finale plus prospective nos résultats sur l'adaptation de notre algorithme précédent afin d'y incorporer des contraintes géométriques, en l'occurrence la développabilité des surfaces, afin d'obtenir des formes au repos aplatissables

Modélisation statique inverse de vêtements

This thesis deals with the direct simulation and inverse design of garments in the presence of frictional contact.The shape of draped garments results from the slenderness of the fabric, which can be represented in mechanics by a thin elastic plate or shell, and from its interaction with the body through dry friction. This interaction, necessary to reproduce the threshold friction occuring in such contacts, is described by a non smooth law, which, in general, makes its integration complex. In a first contribution, we modify the so-called Projective Dynamics algorithm to incorporate this dry frictional contact law in a simple way. Projective Dynamics is a popular method in Computer Graphics that quickly simulates deformable objects such as plates with moderate accuracy, yet without including frictional contact. The rationale of this algorithm is to solve the integration of the dynamics by successively calculating estimates of the shape of the object at the next timestep. We take up the same idea to incorporate a procedure for estimating the frictional contact law that robustly captures the threshold phenomenon.In addition it is interesting to note that simulators developed in Computer Graphics, originally targeted at visual animation, have become increasingly accurate over the years. They are now being used in more "critical" applications such as architecture, robotics or medicine, which are more demanding in terms of accuracy. In collaboration with mechanicists and experimental physicists, we introduce into the Computer Graphics community protocols to verify the correctness of simulators, and we present in this manuscript our contributions relatedto plate and shell simulators.Finally, in a last part, we focus on garment inverse design. The interest of this process is twofold. Firstly, for simulations, solving the inverse problem provides a "force-free" and possibly curved version of the input (called the rest or natural shape), whether it comes from a 3D design or a 3D capture, that allows to start the simulation with the input as the initial deformed shape. To this end, we propose an algorithm for the inverse design of clothes represented by thin shells that also accounts for dry frictional contact. Within our framework, the input shape is considered to be a mechanical equilibrium subject to gravity and contact forces. Then our algorithm computes a rest shape such that this input shape can be simulated without any sagging. Secondly, it is also appealing to use these rest shapes for a real life application to manufacture the designed garments without sagging. However, the traditional cloth fabrication process is based on patterns, that is sets of flat panels sewn together. In this regard, we present in our more prospective part our results on the adaptation of the previous algorithm to include geometric constraints, namely surface developability, in order to get flattenable rest shapes.Cette thèse porte sur la simulation directe et la conception inverse de vêtements en présence de contact frottant. La forme de vêtements portés résulte en effet à la fois de la minceur du tissu, représentable en mécanique par une plaque ou une coque mince et élastique, et de son interaction avec le corps à travers un phénomène de contact frottant solide. Cette interaction, nécessaire pour reproduire le frottement à seuil typique des interactions entre solides, est décrite par une loi non régulière, ce qui rend son intégration généralement complexe. Dans une première contribution, nous modifions l'algorithme Projective Dynamics afin d'y introduire simplement cette loi de contact frottant. Projective Dynamics est une méthode populaire en Informatique Graphique qui simule rapidement avec une précision modérée des objets déformables tels que les plaques, mais sans inclure de contact frottant. L'idée principale de cet algorithme est de résoudre l'intégration de la dynamique en calculant successivement des estimations de la forme de l'objet au pas de temps suivant. Nous reprenons la même idée afin d'y incorporer une procédure d'estimation de la loi de contact frottant qui parvient de manière robuste à capturer le phénomène de seuil.Par ailleurs, il est intéressant de noter que les simulateurs développés en Informatique Graphique, dédiés à l'origine à l'animation, sont devenus de plus en plus précis au fil des ans. Ils sont maintenant sollicités dans des applications plus "critiques" telles que l'architecture, la robotique ou la médecine plus exigeantes en terme de justesse. Dans une collaboration avec des mécaniciens et des physiciens expérimentateurs, nous introduisons de nouveaux protocoles de validation des simulateurs graphiques et nous présentons dans ce manuscrit nos contributions relatives aux simulateurs de plaques et de coques.Enfin, dans une dernière partie, nous nous intéressons à la conception inverse de vêtements. L'intérêt de ce procédé est double. En premier lieu, pour des simulations, résoudre le problème inverse fournit une version "sans force" et possiblement courbée de l'entrée (dite naturelle ou au repos), que celle-ci provienne d'un modèle 3D ou d'une capture 3D, qui permet d'initier la simulation avec la forme de l'entrée en tant que forme déformée initiale. En ce sens, nous proposons un algorithme pour la conception inverse de coques en présence de contact frottant. Dans notre cadre, la forme donnée en entrée est considérée comme un équilibre mécanique soumis à la gravité et aux forces de contact. Notre algorithme calcule ensuite une forme au repos telle que l'entrée puisse être simulée sans qu'elle ne s'affaisse. En second lieu, il est aussi tentant de vouloir utiliser ces formes naturelles pour une application concrète afin de confectionner lesdits vêtements sans qu'ils ne s'affaissent. Cependant, le processus classique de fabrication de vêtements est basé sur l'usage de patrons, c'est-à-dire d'ensembles de panneaux plats à coudre ensemble. Nous présentons donc dans une partie finale plus prospective nos résultats sur l'adaptation de notre algorithme précédent afin d'y incorporer des contraintes géométriques, en l'occurrence la développabilité des surfaces, afin d'obtenir des formes au repos aplatissables

Modélisation statique inverse de vêtements

This thesis deals with the direct simulation and inverse design of garments in the presence of frictional contact.The shape of draped garments results from the slenderness of the fabric, which can be represented in mechanics by a thin elastic plate or shell, and from its interaction with the body through dry friction. This interaction, necessary to reproduce the threshold friction occuring in such contacts, is described by a non smooth law, which, in general, makes its integration complex. In a first contribution, we modify the so-called Projective Dynamics algorithm to incorporate this dry frictional contact law in a simple way. Projective Dynamics is a popular method in Computer Graphics that quickly simulates deformable objects such as plates with moderate accuracy, yet without including frictional contact. The rationale of this algorithm is to solve the integration of the dynamics by successively calculating estimates of the shape of the object at the next timestep. We take up the same idea to incorporate a procedure for estimating the frictional contact law that robustly captures the threshold phenomenon.In addition it is interesting to note that simulators developed in Computer Graphics, originally targeted at visual animation, have become increasingly accurate over the years. They are now being used in more "critical" applications such as architecture, robotics or medicine, which are more demanding in terms of accuracy. In collaboration with mechanicists and experimental physicists, we introduce into the Computer Graphics community protocols to verify the correctness of simulators, and we present in this manuscript our contributions relatedto plate and shell simulators.Finally, in a last part, we focus on garment inverse design. The interest of this process is twofold. Firstly, for simulations, solving the inverse problem provides a "force-free" and possibly curved version of the input (called the rest or natural shape), whether it comes from a 3D design or a 3D capture, that allows to start the simulation with the input as the initial deformed shape. To this end, we propose an algorithm for the inverse design of clothes represented by thin shells that also accounts for dry frictional contact. Within our framework, the input shape is considered to be a mechanical equilibrium subject to gravity and contact forces. Then our algorithm computes a rest shape such that this input shape can be simulated without any sagging. Secondly, it is also appealing to use these rest shapes for a real life application to manufacture the designed garments without sagging. However, the traditional cloth fabrication process is based on patterns, that is sets of flat panels sewn together. In this regard, we present in our more prospective part our results on the adaptation of the previous algorithm to include geometric constraints, namely surface developability, in order to get flattenable rest shapes.Cette thèse porte sur la simulation directe et la conception inverse de vêtements en présence de contact frottant. La forme de vêtements portés résulte en effet à la fois de la minceur du tissu, représentable en mécanique par une plaque ou une coque mince et élastique, et de son interaction avec le corps à travers un phénomène de contact frottant solide. Cette interaction, nécessaire pour reproduire le frottement à seuil typique des interactions entre solides, est décrite par une loi non régulière, ce qui rend son intégration généralement complexe. Dans une première contribution, nous modifions l'algorithme Projective Dynamics afin d'y introduire simplement cette loi de contact frottant. Projective Dynamics est une méthode populaire en Informatique Graphique qui simule rapidement avec une précision modérée des objets déformables tels que les plaques, mais sans inclure de contact frottant. L'idée principale de cet algorithme est de résoudre l'intégration de la dynamique en calculant successivement des estimations de la forme de l'objet au pas de temps suivant. Nous reprenons la même idée afin d'y incorporer une procédure d'estimation de la loi de contact frottant qui parvient de manière robuste à capturer le phénomène de seuil.Par ailleurs, il est intéressant de noter que les simulateurs développés en Informatique Graphique, dédiés à l'origine à l'animation, sont devenus de plus en plus précis au fil des ans. Ils sont maintenant sollicités dans des applications plus "critiques" telles que l'architecture, la robotique ou la médecine plus exigeantes en terme de justesse. Dans une collaboration avec des mécaniciens et des physiciens expérimentateurs, nous introduisons de nouveaux protocoles de validation des simulateurs graphiques et nous présentons dans ce manuscrit nos contributions relatives aux simulateurs de plaques et de coques.Enfin, dans une dernière partie, nous nous intéressons à la conception inverse de vêtements. L'intérêt de ce procédé est double. En premier lieu, pour des simulations, résoudre le problème inverse fournit une version "sans force" et possiblement courbée de l'entrée (dite naturelle ou au repos), que celle-ci provienne d'un modèle 3D ou d'une capture 3D, qui permet d'initier la simulation avec la forme de l'entrée en tant que forme déformée initiale. En ce sens, nous proposons un algorithme pour la conception inverse de coques en présence de contact frottant. Dans notre cadre, la forme donnée en entrée est considérée comme un équilibre mécanique soumis à la gravité et aux forces de contact. Notre algorithme calcule ensuite une forme au repos telle que l'entrée puisse être simulée sans qu'elle ne s'affaisse. En second lieu, il est aussi tentant de vouloir utiliser ces formes naturelles pour une application concrète afin de confectionner lesdits vêtements sans qu'ils ne s'affaissent. Cependant, le processus classique de fabrication de vêtements est basé sur l'usage de patrons, c'est-à-dire d'ensembles de panneaux plats à coudre ensemble. Nous présentons donc dans une partie finale plus prospective nos résultats sur l'adaptation de notre algorithme précédent afin d'y incorporer des contraintes géométriques, en l'occurrence la développabilité des surfaces, afin d'obtenir des formes au repos aplatissables

Projective Dynamics with Dry Frictional Contact

International audienceProjective dynamics was introduced a few years ago as a fast method to yield an approximate yet stable solution to the dynamics of nodal systems subject to stiff internal forces. Previous attempts to include contact forces in that framework considered adding a quadratic penalty energy to the global system, which however broke the simple-constant matrix-structure of the global linear equation, while failing to treat contact in an implicit manner. In this paper we propose a simple yet effective method to integrate in a unified and semi-implicit way contact as well as dry frictional forces into the nested architecture of Projective dynamics. Assuming that contacts apply to nodes only, the key is to split the global matrix into a diagonal and a positive matrix, and use this splitting in the local step so as to make a good prediction of frictional contact forces at next iteration. Each frictional contact force is refined independently in the local step, while the original efficient structure of the global step is left unchanged. We apply our algorithm to cloth simulation and show that contact and dry friction can be captured at a reasonable precision within a few iterations only, hence one order of magnitude faster compared to global implicit contact solvers of the literature

Inverse Elastic Shell Design with Contact and Friction

International audienceWe propose an inverse strategy for modeling thin elastic shells physically, just from the observation of their geometry. Our algorithm takes as input an arbitrary target mesh, and interprets this configuration automatically as a stable equilibrium of a shell simulator under gravity and frictional contact constraints with a given external object. Unknowns are the natural shape of the shell (i.e., its shape without external forces) and the frictional contact forces at play, while the material properties (mass density, stiffness, friction coefficients) can be freely chosen by the user. Such an inverse problem formulates as an ill-posed nonlinear system subject to conical constraints. To select and compute a plausible solution, our inverse solver proceeds in two steps. In a first step, contacts are reduced to frictionless bilateral constraints and a natural shape is retrieved using the adjoint method. The second step uses this result as an initial guess and adjusts each bilateral force so that it projects onto the admissible Coulomb friction cone, while preserving global equilibrium. To better guide minimization towards the target, these two steps are applied iteratively using a degressive regularization of the shell energy. We validate our approach on simulated examples with reference material parameters, and show that our method still converges well for material parameters lying within a reasonable range around the reference, and even in the case of arbitrary meshes that are not issued from a simulation. We finally demonstrate practical inversion results on complex shell geometries freely modeled by an artist or automatically captured from real objects, such as posed garments or soft accessories