Virtuelles Nähen - Vom 2D-Schnittmuster zur 3D-Bekleidung-

DiplomarbeitUni-Bremen

2009Erstgutachter: Prof. Dr. Karl-Heinz Rödiger

Zweitgutachter: Dr. Dieter Müller

Autor: Alia Asaad asaad@tzi.de 2021923Abgabe: 28.12.2009

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InhaltsverzeichnisBegriffe..................................................................................................................41 Einleitung...........................................................................................................1

1.1 Ziel der Arbeit.............................................................................................11.2 Motivation...................................................................................................21.3 Aufbau der Arbeit........................................................................................3

2 Stand der Technik..............................................................................................43 Konzept ...........................................................................................................17

3.1 Verfahren zur Stoffsimulation...................................................................173.1.1 Stoffmodellierung..............................................................................183.1.2 Simulation von Stoffeigenschaften....................................................21

3.2 Eigene Vorgehensweise...........................................................................233.3 Vorbereitung der COAT-Schnittmuster....................................................27

4 Realisierung ....................................................................................................334.1 Modellierungsprozess..............................................................................334.2 GUI...........................................................................................................51

5 Zusammenfassung und Ausblick ....................................................................556.Literaturverzeichnis..........................................................................................58

6.1 Literatur.....................................................................................................586.2 Online-Quellen..........................................................................................59

Tabellenverzeichnis Tabelle 1.: Eine Vertex Group aus der ersten Spalte gehört zu dem Vertex ...38

AbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Platzieren der Schnittteile um die Figurine in MiraCloth ( [Volino/Magenat-Thalmann 2000], S. 237) .......................................................5Abbildung 2: Verbinden der Schnittteile in MiraCloth ( [Volino/Magenat-Thalmann 2000], S. 238)......................................................................................6Abbildung 3: Zwei Arten, in denen eine Hose und ein Hemd getragen werden ([Fuhrmann 2006],S.83)........................................................................................8Abbildung 4: 3D Runway Creator for PDS ([OptiTex])......................................11Abbildung 5: ([Plath 2000], S. 899).....................................................................19Abbildung 6: ([Plath 2000], S. 900).....................................................................20Abbildung 7: ([Choi/Ko 2002] S. 4).....................................................................22Abbildung 8: Die aufgeteilten Schnittteile, um die Figurine platziert...............25Abbildung 9: Die Cloth Modifier GUI in Blender................................................26Abbildung 10: Ein Hook in Blender....................................................................26Abbildung 11: Hosengrundschnitt in COAT: Rechts ist der Vorderhosenschnitt, in der Mitte der Hinterhosenschnitt und ganz links ist die Hosenkonstruktion...28Abbildung 12: Hinterhosenschnitt in COAT........................................................29Abbildung 13: Schritt 2 der Vorbereitung einer Eingabe-Datei aus einem Hinterhosenschnitt .......................................................................................30Abbildung 14: Hinterhosenschnitt in COAT nach der Bearbeitung....................31Abbildung 15: Vorderhosenschnitt in COAT nach der Bearbeitung...................32Abbildung 16: Importierter Vorderhosenschnitt in Blender, dargestellt im Edit-Mode...................................................................................................................35Abbildung 17: Darstellung der Schnittteile des Vorderhosenschnitts als Gitternetze, dargestellt im Edit-Mode................................................................36Abbildung 18: Die Nahtlinien eines Schnittteils in Blender.................................37Abbildung 19: Beispiel einer Textdatei, in der die Indizes der Vertices, die eine Nahtlinie ergeben, gespeichert werden .............................................................39Abbildung 20: Hooks entlang den Nahtlinien, dargestellt im Object-Mode........41Abbildung 21: Verschieben der ersten Hooks der Schrittnähte.........................43

iiiAbbildung 22: Verschiebung einer Schrittnaht...................................................44Abbildung 23: Verschibung einer Innennaht und einer Außennaht...................45Abbildung 24: Annäherung der Nahtlinien.........................................................47Abbildung 25: Annäherung der Nahtlinien in einem weiteren Frame.................48Abbildung 26: Der letzte Frame der Simulation..................................................49Abbildung 27: Der Fehler bei dem Gürtel...........................................................50Abbildung 28: Die 3D-Hose................................................................................50Abbildung 29: Skript-Menü in Blender ...............................................................51Abbildung 30: Die drei für die Modellierung nötigen GUIs in Blender angezeigt............................................................................................................................52Abbildung 31: Die GUI........................................................................................53Abbildung 32: Collision Button............................................................................54

Erklärung

Ich versichere, dass ich die Diplomarbeit selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt habe. Ich habe keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus Veröffentlichungen entnommen sind, sind als solche kenntlich gemacht.

____________________UnterschriftBremen, den 28. Dezember 2009

vBegriffe

● 3D-Modell: Eine computergenerierte dreidimensionale Darstellung eines Objektes.

● 3D-Figurine: Ein 3D-Modell eines weiblichen Körpers.● 2D-Schnittmuster: Damit ist in dieser Arbeit eine 2D-Darstellung der

Konturen der Schnittteile eines Kleidungsstückes gemeint.● Textur: Eine Auflage auf einem 3D-Modell.

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1 Einleitung

Die Erstellung einer Modekollektion in der Bekleidungsindustrie durchläuft mehrere Schritte von dem Entwurf bis hin zur Anfertigung der entworfenen Kleidungsstücke (siehe [Pekholz 1995]). Während diesem Entwicklungsprozess wird eine Vielzahl von Prototypen erstellt, bis die endgültigen Entwürfe der Kollektion ausgewählt sind und den Händlern vorgestellt werden können. Die Prototypen kosten die Modefirmen viel Geld und Aufwand, da sie bei jeder Änderung eines Entwurfs neu produziert werden müssen. Durch die Verwendung von Computersystemen zur Simulation der Kleidungsstücke ist es möglich, diese Kosten zu reduzieren. Außerdem kann das zeitaufwändige Verändern der Schnitte durch eine einfache Bedienung des Systems ersetzt werden. Auf diese Weise entsteht eine Visualisierung eines Prototyps in kurzer Zeit. Die dabei benutzten 3D-Modelle können beispielsweise auch in Online-Shops zur Präsentation genutzt, indem sie auf 3D-Figurinen aufgelegt werden. Damit können zusätzlich Kosten, die durch das Fotografieren der Kleidungsstücke entstehen würden, eingespart werden. Bei der computergenerierten Darbietung von Bekleidung darf nicht vergessen werden, dass sie der Realität nicht gleichkommen kann, aber eine adäquate Alternative bietet. Nicht allein durch die oben erwähnten Vorteile, sondern auch durch die realitätsnahe Darstellung.

1.1 Ziel der Arbeit

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Erstellung von computergenerierten 3D-Modellen von Kleidungsstücken, die durch das Zusammensetzen von 2D-Schnittmustern konstruiert werden. Die Schnittmuster werden mit Hilfe der Software COAT (CAD and Office Applications for the Tailors Trade ) erstellt.

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COAT bietet eine virtuelle Werkstatt an, mit der der Benutzer die Schnittteile eines Kleidungsstücks in Form von Polygonen entwerfen kann. Die mit COAT erstellten Datensätze beinhalten die Größe des Kleidungsstücks und die Maße der einzelnen Schnittteile. Diesen Datensätzen sollen im Rahmen der Arbeit zusätzliche Informationen beigefügt werden, welche die möglichen Kombinationen der Schnittteile beschreiben. Die Datensätze sollen mit Hilfe von Figurinen zur 3D-Darstellung der Kleidungsstücke benutzt werden. Dazu sollen die 2D-Schnittmuster automatisch zu einem 3D-Modell des Kleidungsstücks zusammengesetzt und auf eine 3D-Figurine aufgelegt werden. Bei der Präsentation dieser Modelle in einem Online-Shop könnte sich der Benutzer ein Kleidungsstück interaktiv aussuchen und auf einer 3D-Figurine darstellen lassen können. Die Figurine mit dem Kleidungsstück könnte rotiert, vergrößert und verkleinert werden, um die gewünschten Details des Artikels sehen zu können. Außerdem könnten die verfügbaren Stofffarben und -muster des Artikels auswählbar sein. Diese können durch das Auflegen von entsprechenden Texturen auf die 3D-Modelle dargestellt werden. Die Modelle sollen die physikalischen Eigenschaften des Stoffes berücksichtigen, um eine möglichst realistische Visualisierung zu erhalten. Für die Modellierung soll auf bereits vorhandene 3D-Modellierungsprogramme zurückgegriffen werden.

1.2 Motivation

Die Software COAT wurde in der Arbeitsgruppe „Angewandte Informatik“ der Universität Bremen entwickelt. Sie wird verwendet, um Schnittmuster von Bekleidung zu erstellen, die dann von Schneidern verwendet werden können. Die 3D-Darstellung der mit COAT entworfenen Kleidungsstücke kann zur Erstellung von Prototypen und Präsentation der Bekleidung in Online-Shops genutzt werden. So entstand die Idee dieser Arbeit. Ich habe dieses Thema ausgewählt, weil mich sowohl die Modewelt als auch die Computergrafik

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interessieren. In meiner Diplomarbeit wollte ich an einer Computeranwendung arbeiten, die im Bereich der Mode eingesetzt werden kann. Mit diesem Thema konnte ich optimal meine beiden Interessen miteinander verknüpfen. Auch hat dieses Thema meiner Vorstellung einer solchen Anwendung entsprochen. 1.3 Aufbau der Arbeit

In diesem Abschnitt wird der Inhalt der folgenden Kapitel erläutert. Nach der Einleitung in Kapitel 1 wird im zweiten Kapitel ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik gegeben. Im darauf folgenden Kapitel folgt das Konzept der vorgelegten Arbeit. Zuerst werden hier Verfahren zur Stoffsimulation beschrieben und anschließend die Vorgehensweise bei der Modellierung von 3D-Bekleidung unter Berücksichtigung der Stoffsimulationsverfahren dargestellt. Im letzten Abschnitt des dritten Kapitels wird die Erstellung der Eingabedaten in COAT erklärt. Die Realisierung der Arbeit folgt in Kapitel 4. Hier wird detailliert beschrieben, welche Funktionen bei der Modellierung angewandt wurden. Anschließend wird die GUI vorgestellt und eine genaue Anleitung zur Benutzung der GUI gegeben. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick auf mögliche Erweiterungen der Arbeit dargelegt.

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2 Stand der Technik

Im Folgenden werden einige Systeme zur Simulation von Bekleidung beschrieben. Viele davon benutzen 2D-Schnittmuster, aus denen die Kleidung zusammengesetzt wird. Anschließend werden diese Systeme mit der Aufgabenstellung verglichen.

MIRACloth

MIRACloth ist eine Software zur Erstellung und Animation virtueller 3D-Bekleidung, welche im MIRALab entwickelt wurde. Das MIRALab ist ein Labor der Universität Genf, welches sich unter anderem mit der Simulation von Bekleidung beschäftigt. Das Konzept der Software orientiert sich am realen Prozess des Nähens von Bekleidung. Konkret bedeutet dies, dass die 3D-Modelle der Kleidungsstücke aus 2D-Schnittteilen zusammengesetzt werden ([Volino/Magenat-Thalmann 2000], S. 231 ff). Die Software besteht aus zwei Teilen: einem Editor zur Erstellung von 2D-Schnittmustern und einem 3D-Simulationssystem. Im 2D-Editor wird ein Schnittmuster in Form eines Polygons erstellt, welches durch das Hinzufügen, Verschieben oder Löschen von Eckpunkten editiert werden kann. An den Kanten des Schnittmusters können die Nahtlinien definiert werden, an denen die Schnittmuster miteinander verbunden werden sollen. Die Schnittmuster werden in Dateien gespeichert, die später zum Editieren im 2D-Editor oder zur Erstellung der 3D-Modelle in das Simulationssystem importiert werden können. Das 3D-Simulationssystem besteht aus den folgenden vier Hauptkomponenten: mechanische Simulation, Kollisionserkennung, Rendern und Benutzungsinteraktion. Zur Erstellung der 3D-Modelle werden die Schnittmuster zunächst in Gitternetze aus Dreiecken umgerechnet (trianguliert), woraufhin sie dann mit einem bestimmten Abstand um eine 3D-Figurine platziert (Abbildung1)

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und an den Nahtlinien, beeinflusst von der Figurinenform, miteinander verbunden werden (Abbildung2). Die Figurine kann bewegt werden. Dementsprechend wird auch die Bewegung der Bekleidung animiert. Dabei werden die Kollision und die Reibung der Bekleidung mit der Oberfläche der Figurine beachtet. Obwohl das System viel Berechnungszeit erfordert, wird es wegen seiner vielen Möglichkeiten, die es bei der Animation von Bekleidung bietet, für die Simulation von Bekleidung in computergenerierten Filmen und Moden benutzt werden.

Abbildung 1: Platzieren der Schnittteile um die Figurine in MiraCloth ( [Volino/Magenat-Thalmann 2000], S. 237)

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Projekt IMBiSS

IMBiSS (Interaktives Modellieren biegeschlaffer Stoffe) war ein Projekt der Universität Bremen, im Fachbereich Mathematik/Informatik, das sich mit der 3D-Modellierung von Kleidungsstücken beschäftigte ([IMBiSS 1999]). Das von dem Projekt entwickelte System basiert auf dem Konzept des Drapierens. Dies ist eine Technik beim Entwurf und Nähen von Bekleidung, bei der der Stoff direkt an der Schneiderpuppe geschnitten und mit Nadeln fixiert wird, damit die Form des Kleidungsstücks erhalten bleibt. Daraufhin werden Abnäher und alle anderen Hilfslinien auf den Stoff gezeichnet, ([Plath 2004], S. 17). Abnäher sind abgenähte Falten im Stoff, die dazu dienen, den Stoff an die Körperform anzupassen.Um das Konzept des Drapierens zu simulieren bietet das System von IMBiSS einige Werkzeuge an, die es einem Designer ermöglichen, ein Kleidungsstück

Abbildung 2: Verbinden der Schnittteile in MiraCloth ( [Volino/Magenat-Thalmann 2000], S. 238)

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an einer 3D-Figurine zu modellieren. Zum einen die Daten der Figurine wie z.B. Konfektionsgröße, Form, etc. sowie die Stoffeigenschaften, die in einer Datenbank gespeichert sind. Der Benutzer kann aus der Datenbank eine Figurine und ihre Konfektionsgröße sowie den Stoff auswählen. Danach kann der Stoff auf der Figurine aufgelegt und mit virtuellen Werkzeugen bearbeitet werden. Die zur Verfügung gestellten Werkzeuge sind:

● Hilfslinien: Mit diesem Werkzeug können Hilfslinien auf der Figurine gezeichnet werden.

● Linien auf dem Stoff: Mit diesem Werkzeug werden Linien auf dem Stoff, die als Basis zur Benutzung von anderen Werkzeugen dienen, generiert.

● Schere: Mit diesem Werkzeug werden während der Modellierung Stücke vom Stoff geschnitten.

● Hand: Mit diesem Werkzeug kann der Stoff virtuell gegriffen, gehalten und bewegt werden.

● Nadel: Mit diesem Werkzeug wird der Stoff an ausgewählten Punkten an der Figurine oder an anderen Stoffstellen fixiert.

● Maßband: Mit diesem Werkzeug wird der Abstand zwischen zwei Punkten aus der Figurine oder dem Stoff gemessen.

● Abnäher: Mit diesem Werkzeug wird auf dem Stoff ein gleichschenkeliges Dreieck gezeichnet und seine Kanten zu einer Linie zusammengezogen.

Wie schon oben erwähnt, werden bei diesem System die Kleidungsstücke direkt an der Figurine gestaltet. Das macht das System ideal für Designer, da sie beim Erstellen des Kleidungsstücks den Schnitt immer wieder ändern können.

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„Interaktive Animation textiler Materialien“: Eine Dissertation von Arnulph Fuhrmann an der Universität Darmstadt, 2006

Diese Arbeit liefert ein System zur effizienten Simulation von Bekleidung in Echtzeit. Das System verwendet Ontologien für die Schnittteile und die Kleidungsstücke, um das Modellieren der Bekleidung auf einer abstrakten Ebene zu ermöglichen. Durch die Verwendung der Ontologien braucht der Benutzer die Modelle der Kleidungsstücke nicht direkt zu bearbeiten, sondern kann die semantischen Eigenschaften der Kleidungsstücke verändern und das Ergebnis an den Modellen sehen. Ein Beispiel dafür ist das Verändern der Art, in der ein Hemd und eine Hose getragen werden; man kann zum einen das Hemd unter der Hose oder zum anderen das Hemd in der Hose modellieren (Abbildung3). Der Benutzer gibt am Anfang die gewünschten Eigenschaften bezüglich der Reihenfolge an, in der die beiden Kleidungsstücke simuliert werden sollen, und muss in den weiteren Schritten der Modellierung nichts mehr verändern.

Das System basiert auf einem Verfahren zur interaktionsfreien Simulation von Bekleidung, mit dem die Simulation ohne den Eingriff des Benutzers erfolgt. Bei diesem Verfahren steht die Figurine in einer definierten Körperhaltung. Den Schnittteilen werden Parameter zugeordnet, die angeben, wie sie auf der

Abbildung 3: Zwei Arten, in denen eine Hose und ein Hemd getragen werden ([Fuhrmann 2006],S.

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Figurine aufgelegt werden sollen. Zusätzlich werden Flächen auf den Körperteilen der Figurine definiert und den Schnittteilen zugeordnet. Zur Erstellung der Bekleidungsmodelle werden die Schnittteile auf den zugeordneten Flächen anhand der oben erwähnten Parameter platziert. Dadurch liegen sie nah an der Figurine und können schnell zusammengesetzt werden.Für das realistische Aussehen der Bekleidung werden die Ränder dicker modelliert und Texturen für die Nähte benutzt, um die Details möglichst genau zu visualisieren. Ferner werden die Schatten, basierend auf dem Konzept des „Shadow Mapping“, gerendert. Zur Berechnung der Kollision zwischen Stoff und Umgebung verwendet das System ein Verfahren, das auf Distanzfeldern basiert.Laut [Fuhrmann 2006] liefern Distanzfelder „für alle Punkte innerhalb des Feldes die minimale Distanz zu einer oder mehreren geschlossenen Flächen. Die Distanz kann mit einem Vorzeichen versehen werden, um zwischen Innen und Außen zu unterscheiden.“ Diese Distanzfelder werden in dem System angewendet, um das Innere des Objektes von seinem Äußeren zu unterscheiden und die Tiefe der Eindringung zu erhalten. Selbstkollisionen werden mit Hilfe eines weiteren Verfahrens vermieden (vgl. [Fuhrmann 2006],S. 1 ff).

OptiTex

OptiTex beschäftigt sich mit der Entwicklung von 2D- und 3D-CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) Systemen, die in verschiedenen Industrien, unter anderem Bekleidungsindustrie, Verwendung finden ([OptiTex 2009]).Für die Bekleidungsindustrie bietet OptiTex eine Reihe von Hauptmodulen:

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PDS, Grade, Digitize, Marker, Modulate● PDS - Pattern Design System: Das Pattern Design System ist eine

Software zum Erstellen und Editieren von 2D-Schnittmustern.● Grade: Eine Software zum Gradieren, also zum schrittweise Verkleinern

oder Vergrößern des Grundschnitts, ohne dabei die Form des Kleidungsstücks zu verändern.

● Digitize: Eine Software zum Digitalisieren von Schnittmustern.● Marker: Eine Software, um die Schnittmuster möglichst materialsparend

aus dem vorhandenen Stoff auszuschneiden. Das Resultat ist ein so genanntes Lagenbild, das die Verteilung der Schnittmuster auf dem Stoff darstellt.

● Modulate: Bei der Modulate-Software können einzelne Maße eines Kleidungsstücks eingegeben werden, beispielsweise Schultergröße. Die Software berechnet die restlichen Maße des Kleidungsstücks entsprechend der eingegebenen Größe.

Diese Hauptmodule werden bei den Produkten der „3D Runway Suite of Tools“ benutzt, um die Visualisierung von Bekleidung vor der endgültigen Fertigung zu ermöglichen. Die „3D Runway Suite of Tools“ beinhaltet die folgenden Werkzeuge:

● 3D Runway Designer: Eine Software zur 3D-Simulation von Bekleidung basierend auf genauen Schnittmustern und echten Stoffeigenschaften. Mit dieser Software können virtuelle Prototypen der Kleidungsstücke erstellt werden, so dass die Kosten für echte Prototypen gespart werden.

● 3D Runway Creator for PDS: Diese Software verwendet das oben beschriebene PDS Modul zur Erstellung von Schnittmustern und ermöglicht weiterhin das Legen der Schnittmuster auf 3D-Figurinen (Abbildung4).

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● 3D Runway Creator for Modulate: Mit dieser Software können 3D-Figurinen erstellt und entsprechend der gewünschten Größen konfiguriert werden.

● 3D Flattening – transform 3D to 2D: Mit dieser Software können 3D-Modelle von Bekleidung in die zugrunde liegenden 2D-Schnittmuster transformiert werden.

● 3D Digitizer – Digitize 3D View: Mit dieser Software können 3D-Modelle von Bekleidung digitalisiert und die Ergebnisse der Digitalisierung in Form von 2D-Schnittmustern angezeigt werden.

Die Produkte von OptiTex sind umfangreich und ermöglichen die Simulation von allen realen Prozessen der Bekleidungsindustrie. Darüber hinaus bieten sie viele Möglichkeiten, um vorhandene Daten weiter zu bearbeiten.

Abbildung 4: 3D Runway Creator for PDS ([OptiTex])

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InvenTex

InvenTex Systeme unterstützen alle Prozesse der Kleidungsproduktion. Dazu gehören die Erstellung von Schnittmustern, das Gradieren der Schnittmuster, die Gestaltung der Stoffmuster, die Visualisierung der Bekleidung, die Modifikation der Modelle sowie die verschiedenen Handelsprozesse ([InvenTex ]). Die 3D-Visualisierung der Bekleidung basiert auf den mit CAD/CAM-Systemen erstellten 2D-Schnittmustern. InvenTex stellt eine 2D/3D-Datenbank zur Verfügung, die bei der Modifikation eines 3D-Modells die 2D-Schnittmuster automatisch und in Echtzeit anpassen kann.

Vidya

Vidya ist eine Software der Firma assyst/bullmer zur Konstruktion von Modellen und zur Echtzeitsimulation von Bekleidung ([Assyst/Bullmer 2006], S. 3). Mit Vidya können die Schnittmuster eines Modells erstellt und in Echtzeit auf einer Figurine visualisiert werden, so dass Veränderungen eines Modells sofort zu sehen sind. Bei der Visualisierung kann der Stretchmodus oder der Distanzmodus ausgewählt werden. Die beiden Modi dienen zur Bestimmung des Abstands zwischen der Kleidung und dem Körper. Das ist wichtig, um das Fallen des Stoffes simulieren zu können. Die Stellen des Stoffes, welche die Figurine berühren, können erkannt und durch Verfärbung dargestellt werden. Somit können die Modelle an diesen Stellen modifiziert werden, um den Schnitt an diesen Punkten zu verbreitern.

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V-Stitcher

V-Stitcher ist eine Software der Firma Browzwear zum Erstellen von virtueller Bekleidung durch Legen von 2D-Schnittmustern auf einer 3D-Figurine ([Browzwear 2006]. S. 14). Diese Software bietet die Möglichkeit, die von einem Body-Scanner1 erfassten Körpermaße zu importieren.

Poser

Poser ist eine Software zur Erstellung und Ankleidung von 3D-Figurinen. Die Software bietet viele Funktionen zur Simulation von Details der Figurinen, wie z.B. Haare, Gesicht und Texturen. Dadurch können die Figurinen realistischer dargestellt werden. Zur Ankleidung der Figurinen sind verschiedene Arten von 3D-Bekleidung vorgefertigt und können ausgewählt und modifiziert werden. Einige Arten werden in einem statischen Zustand dargestellt, andere lassen sich durch Bewegung der Figurine animieren, um das echte Verhalten von Stoff und Bekleidung zu simulieren ([Tyler 2006], S. 168 ff). Poser bietet viele Möglichkeiten bei der Erstellung von 3D-Figurinen und begrenzt sich bei der 3D-Bekleidung auf das Modifizieren von vorgefertigten Artikeln.

Sonstige Projekte

Die Visualisierung von Bekleidung ist ein sehr gefragtes Thema in der Bekleidungsindustrie zur Erstellung der verschiedenen Prototypen, unter anderem auch für Online-Shops. Zahlreiche Firmen und Universitäten forschen 1 Body-Scanner sind Geräte zum Vermessen des menschlichen Körpers.

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auf diesem Gebiet und entwickeln Systeme zur Simulation von Kleidungsstücken.An der Universität Manchester hat Abu Sadat Muhammad ein System entwickelt, mit dem, basierend auf den von Body-Scannern erhaltenen Daten, der menschliche Körper simuliert und Bekleidung direkt auf dieser Simulation entworfen werden kann. Die Schnittmuster hierfür werden mit einem externen System konstruiert ([Universität Manchester]). An der Universität Dresden wird im Institut für Textil- und Bekleidungstechnik an Modellen des weiblichen Körpers, geformt nach echten Maßen, geforscht. Diese Modelle werden zur Konstruktion von körpernaher 3D-Bekleidung verwendet. Die Bekleidung wird direkt auf dem 3D-Körper skizziert. Danach werden die Schnittteile entsprechend mit gegebenen Dehnungsfaktoren skaliert, um das Stoffverhalten zu simulieren ([TU Dresden]).

Fazit

Wie schon in der Einleitung beschrieben, sollen in dieser Arbeit 3D-Modelle von Bekleidung aus 2D-Schnittmustern konstruiert werden, ähnlich dem echten Nähen. Zum Modellieren von Bekleidung werden bei den oben beschriebenen Systemen verschiedene Konzepte eingesetzt. Das Zusammensetzen von 2D-Schnittmustern wird bei dem Projekt MiraCloth, bei der Dissertation von Arnulph Fuhrmann sowie bei den Produkten von OptiTex und InvenTex verwendet. Ein weiteres Konzept wurde bei dem Projekt IMBiSS vorgestellt, bei dem die Kleidungsstücke direkt an einer Figurine entworfen werden. Die meisten oben erwähnten Projekte enthalten eigene Module zur Erstellung und zum Editieren der 2D-Schnittmuster. Bei der Verwendung eines solchen Systems kann die Erstellung eines Bekleidungsmodells vom Entwurf der

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Schnittteile bis zur 3D-Darstellung des fertigen Stücks mit einem Programm durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die entworfenen Modelle in dem gleichen System zu einem 3D-Modell des Kleidungsstücks zusammengesetzt werden können, wodurch überprüft werden kann, ob der Entwurf das gewünschte Ergebnis liefern würde. In dieser Arbeit sollen 3D-Modelle von Kleidungsstücken aus den mit der Software COAT erstellten 2D-Schnittmustern erstellt werden. Die Kombination von COAT und der Arbeit soll vergleichbar mit Systemen wie MiraCloth werden.Alle beschriebenen Projekte bieten Funktionen zur Darstellung der physikalischen Eigenschaften von Stoff wie Elastizität und Scheren. Diese Funktionalität kann durch die Verwendung eines 3D-Modellierungsrogramms mit einer eingebauten Stoffsimulation erreicht werden. Die meisten 3D-Modellierungsprogramme, wie beispielsweise Blender2 und 3D Studio Max3 enthalten eine solche Stoffsimulation. In Blender heißt das Tool zur Simulation des Verhaltens von Stoff Cloth Modifier.Bei den Systemen MiraCloth, OptiTex, Vydia und Poser kann die Bewegung einer 3D-Figurine animiert werden. Die Kleidungsstücke, die an der Figurine dargestellt sind, verhalten sich während der Animation entsprechend der Bewegung der Figurine. Das macht diese Systeme optimal für computergenerierte Modenschauen und für computergenerierte Filme. In dieser Arbeit sollen die Kleidungsstücke an einer statischen Figurine dargestellt werden, um einen Prototyp des Kleidungsstücks zu erhalten. Die Animation wird auf das Verhalten des Stoffes begrenzt.Bei der Betrachtung der beschriebenen Systeme stellte sich heraus, dass die Simulation der Stoffeigenschaften wichtig für eine realistische 3D-Darstellung der Bekleidung ist. Damit die Bekleidung der Form eines menschlichen Körpers folgt, soll sie mit Hilfe einer Figurine und der simulierten Stoffeigenschaften

2 Blender ist eine frei verfügbare 3D-Modellierung Software3 3D Studio MAX ist ein 3D-Modellierungsprogramm

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verformt werden.

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3 Konzept

In diesem Kapitel wird das Konzept der Modellierung von Kleidungsstücken vorgestellt. Bei der Modellierung sollen die Schnittmuster ähnlich der Struktur von Stoff aufgebaut werden, damit die Stoffeigenschaften realistisch simuliert werden können. Zu der Modellierung der Stoffstruktur wird eine Technik verwendet, die im Abschnitt 3.1.1 beschrieben wird. Zur Simulation von Stoffeigenschaften wird in dieser Arbeit ein bestehendes Tool verwendet. Im Abschnitt 3.1.2 werden die wichtigsten Stoffeigenschaften erklärt und Verfahren zur Simulation dieser Eigenschaften präsentiert. Die Verfahren werden durch den Cloth Modifier von Blender angewendet. Die in 3.1.1 und 3.1.2 beschriebenen Verfahren dienen dem erleichternden Verständnis der Vorgehensweise. Die Vorgehensweise bei der Modellierung wird anschließend im Abschnitt 3.2 vorgestellt.

3.1 Verfahren zur Stoffsimulation

Für eine gute Simulation müssen Stoffeigenschaften wie Elastizität, Scherung, Biegung sowie die Faltenbildung betrachtet werden. Der Umgang mit Kollisionen zwischen Stoff und Objekten der Umgebung beeinflusst ebenfalls den Realitätsgrad der Simulation. Zuerst wird ein Verfahren zur Modellierung von Stoff beschrieben und erläutert, wie sich der modellierte Stoff anhand dieses Verfahrens entsprechend den Stoffeigenschaften verhält. Daraufhin werden im Abschnitt 3.1.2 weitere Stoffeigenschaften und Verfahren zur Simulation dieser Eigenschaften dargestellt.

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3.1.1 Stoffmodellierung

Zur Modellierung von Stoff werden oft Partikelsysteme verwendet. Dabei wird ein Objekt aus einer Menge von sogenannten Partikeln zusammengesetzt, die sich einzeln bewegen und damit komplexere Animationen des Objekts ermöglichen. Partikelsysteme werden in der 3D-Modellierung eingesetzt, um Objekte wie Feuer, Nebel, Rauch etc. zu simulieren. Die Beschreibung von Partikelsystemen bei der Modellierung von Stoff wird anhand des Papers von Jan Plath (vgl. [Plath 2000], S. 897 ff) erläutert. Der Stoff wird als Gitternetze, bestehend aus durch Kanten verbundenen Eckpunkten, modelliert. Die Kanten des Gitternetzes repräsentieren die Fäden des Stoffes. Die Stellen, an denen sich die Fäden kreuzen, sind durch die Eckpunkten bzw. die Partikel repräsentiert (Abbildung5). In diesem Fall besteht das Gitternetz aus Vierecken. Andere Systeme verwenden Gitternetze, die aus Dreiecken bestehen. Die Kräfte, die auf den Stoff wirken, müssen bei der Simulation ebenfalls beachtet werden.Die räumliche Position jedes Partikels kann sich in jedem Zeitschritt der Simulation ändern, um so die Bewegung des Stoffes zu simulieren. Die neue Position eines Partikels hängt von den benachbarten Partikeln ab. Jedes Partikel sendet Informationen über seinen Zustand an sein Nachbarpartikel. Die Informationen, die ein Partikel von den Nachbarpartikeln erhält, geben an, in welche Richtung sich das Partikel bewegt.

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Es gibt drei Arten von Informationen, die einen Partikel beeinflussen:

Elastizität:

Elastizität ist eine Stoffeigenschaft, die bewirkt, dass sich Fäden des Stoffes ausdehnen oder zusammenziehen lassen, wenn Kräfte mit entgegengesetzten Richtungen auf den Stoff ausgeübt werden. In einem Partikelsystem ist dies der Fall, wenn ein Nachbarpartikel berichtet, dass seine Distanz zu dem betrachteten Partikel von der regulären Distanz abweicht.

Scheren:

Das Scheren beschreibt den Vorgang, wenn zwei übereinander liegende Fäden im Stoff in entgegengesetzte Richtungen gezogen werden. In einem Partikelsystem wird Scherung erkannt, wenn sich in einem Viereck des Gitternetzes nicht rechtwinklige Winkel bilden (Abbildung6).

Abbildung 5: ([Plath 2000], S. 899)

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Biegen:

Biegen ist eine weitere Eigenschaft von Stoff. Sie wird in einem Partikelsystem detektiert, wenn drei benachbarte Partikel, die auf einem „Faden“ im Stoff liegen sollten, nicht auf einer Gerade liegen.In einem Zeitschritt der oben beschriebenen Methode von [Plath2000] werden die benachbarten Partikel in bestimmten Richtungen bewegt, wodurch sich der Zustand des Stoffes entwickelt.

Abbildung 6: ([Plath 2000], S. 900)

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3.1.2 Simulation von Stoffeigenschaften

Faltenbildung:

Das Knicken bewirkt bei starren Objekten eine destruktive Reaktion, während es bei Stoff zur Faltenbildung führt. Diese Faltenbildung ist wichtig bei der Simulation von Stoff, da sie eine realistische Darstellung des Stoffes bewirkt. Ein Problem der Faltenbildung ist die Instabilität des Stoffes, die durch das Knicken verursacht wird. In [Choi/Ko 2002] wird zur Vereinfachung das Knicken von starrem Material analysiert und dann die Reaktion von Stoff auf das Knicken erläutert.Choi und Ko betrachten für die Analyse einen starren Stab. Der Stab besteht aus zwei starren Teilstäben, die an einem Punkt C mit einer Sprungfeder der Biegesteifheit k verbunden sind (Abbildung7 (a)). Auf den Stab wird eine axiale Druckkraft P an der Stelle A ausgeübt (Abbildung7 (b)). Die Sprungfeder widersteht dem Knicken und der Stab bleibt gerade. Eine externe Kraft D verursacht eine seitliche Verschiebung des Punktes C (Abbildung7 (c)). P strebt an, die Verschiebung zu erhöhen und die Sprungfeder wirkt gegenläufig in Richtung des initialen geraden Zustands des Stabs. Würde zu diesem Zeitpunkt die Kraft D entfernt werden, dann gäbe es zwei Möglichkeiten: Ist P eine relativ kleine Kraft, dann kehrt der Stab zum initialen geraden Zustand zurück. In diesem Fall wird der Stab als stabil bezeichnet. Ist P eine relativ große Kraft, so wird die Verschiebung von C durch die Kraft D größer und der Stab wird einknicken. In diesem Fall lautet die Bezeichnung des Stabs instabil.Bei einer bestimmten Magnitude der axialen Kraft P würde eine winzige Erhöhung oder Verminderung von P entweder zum stabilen oder instabilen Zustand des Stabes führen. Diese bestimmte Magnitude wird die kritische Last genannt. Wenn die axiale Kraft größer als die kritische Last wird, klappt der

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Stab zusammen und der ursprüngliche gerade Zustand kann nicht wiederhergestellt werden.

Bei Stoff bilden sich Falten, wenn auf dem Stoff eine axiale Kraft ausgeübt wird, die größer als die kritische Last ist. Stoff bietet auch eine instabile Reaktion auf die axiale Kraft, im Gegensatz zu starren Körpern bricht oder zerfällt er jedoch nicht, sondern geht von dem instabilen Zustand schnell zu einem stabilen über, in dem sich Falten bilden. Wenn die axiale Kraft entfernt wird, kehrt Stoff zu seinem initialen, faltenfreien Zustand zurück.Bei der Simulation von Stoff führt dieser instabile Zustand, den Stoff während der Faltenbildung durchläuft, zu Divergenzproblemen. Diese Probleme werden in [Choi/Ko 2002] durch das Einschätzen der Reaktion des Stoffes auf die Faltenbildung gelöst. Man geht davon aus, dass der temporäre instabile Zustand des Stoffes in keinem zeitdiskreten Schritt der Simulation vorkommt. Die Methode von [Choi/Ko 2002] liefert eine realistische Simulation des Stoffverhaltens bei der Ausführung mit großen Zeitschritten.

Kollisionserkennung:

Die Überprüfung auf Kollisionen zwischen den Objekten sowie der Umgang mit diesen Kollisionen ist wichtig bei einer 3D-Simulation. Im Falle von Stoff liegen

Abbildung 7: ([Choi/Ko 2002] S. 4)

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alle Partikel auf der Oberfläche und sind dadurch in der Lage, miteinander oder mit anderen Objekten zu kollidieren ([Bridson/Fedkiw/Anderson 2002]). Für eine physikalisch korrekte Stoffsimulation müssen diese Kollisionen detektiert und vermieden werden, damit der Stoff bei der Simulation nicht in sich oder in ein anderes Objekt, wie beispielsweise eine 3D-Figurine, eindringt. Richtige Kollisionserkennung benötigt eine begrenzte Größe der diskreten Simulationsschritte, um die Kollisionen dazwischen richtig zu detektieren. Das ist erforderlich, weil die Bewegung in einem großen Zeitschritt erheblich sein kann ([Mezger/Kimmerle/Etzmuß 2003]).Die meisten Simulationssysteme benutzen große Zeitschritte, um die Simulation schneller auszuführen.[Mezger/ Kimmerle/ Etzmuß 2003] verwendet ein Verfahren zum Detektieren von Annäherungen zwischen den Partikeln und zwischen den Partikeln und Objekten der Umgebung durch die Überprüfung der Annäherung bei kleineren Teilen der Objekte. Dadurch können Kollisionen vorhergesehen und vermieden werden. Die frühe Detektion von Kollisionen macht dieses Verfahren, auch bei großen Zeitschritten schnell.

3.2 Eigene Vorgehensweise

Die Modellierung der Kleidungsstücke soll dem Konzept des echten Nähens ähnlich sein. In diesem Abschnitt wird beschrieben, welche Funktionen bei dieser realitätsnahen Modellierung benötigt und wie diese bei der Modellierung einer Hose in dem Programm Blender ausgeführt werden können.Im Folgenden werden die aufgelisteten Begriffe verwendet, um eine mit Blender konsistente Namensgebung zu gewährleisten:

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● Vertex: (Plural Vertices) steht für einen Eckpunkt oder einfach Punkt, repräsentiert durch drei Koordinaten (X,Y,Z).

● Edge: Ist eine Kante, die zwei Vertices verbindet.● Face: Eine Oberfläche, die von drei oder vier Kanten umrandet ist.● Frame: Ein Zeitschritt einer Simulation.

Zuerst müssen die COAT Schnittmuster in Blender importiert werden, damit sie weiter bearbeitet werden können. Da COAT über einen DXF(Data Exchange Format)-Exporter verfügt, können die Eingabedaten im DXF-Format in Blender importiert werden. Dies soll durch die Verwendung des in Blender vorhandenen Python DXF-Importer erfolgen. Da die 3D-Hose auf eine 3D-Figurine aufgelegt werden sollte, muss eine entsprechende Figurine ebenfalls in Blender importiert werden. Dann müssen die Schnittteile um die 3D-Figurine positioniert werden. Dazu sollten die vorderen Schnittteile vor die hinteren, hinter der Figurine platziert werden. Diese erste Positionierung vereinfacht die Modellierung. Wie bei den meisten, bereits beschriebenen, Systemen und Simulationsverfahren sollten auch hier für die Modellierung von Stoff Partikelsysteme benutzt werden (Abbildung8). Die Vorteile eines solchen Systems wurden im Abschnitt 3.1.1 erwähnt.

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Bislang sind die Schnittteile um die 3D-Figurine platziert und in Gitternetze aufgeteilt. Wie beim echten Nähen müssen die Schnittteile entlang der Nahtlinien verbunden werden. Deshalb müssen die Nahtlinien definiert sein. Ebenfalls muss festgelegt werden, welche davon miteinander verbunden werden sollen. Für die Simulation der Stoffeigenschaften wie Scheren, Biegen, Elastizität sowie die Darstellung von Falten kann in Blender der Cloth Modifier eingesetzt werden. Der Cloth Modifier ist ein in Blender eingebautes Tool zur Simulation von Stoffverhalten. Wenn er auf ein Partikelsystem, wie die aufgeteilten Schnittteile, angewendet wird, verhalten sich die Partikel entsprechend der vorher erwähnten Stoffeigenschaften. Das Tool bietet zusätzlich eine Kollisionserkennung und die Möglichkeit, mit dem Stoff

Abbildung 8: Die aufgeteilten Schnittteile, um die Figurine platziert

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kollidierende Objekte zu definieren. Wenn die 3D-Figurine als ein solches Objekt definiert wird, dann nehmen die Schnittteile bei einer Kollision mit der Figurine ihre Form an, anstatt in sie einzudringen.

Als nächstes müssen die Nahtlinien der Schnittteile angenähert wurden, damit sie verbunden werden können. Die Annäherung kann mit Hilfe der Hook

Modifier oder Hooks durchgeführt werden. Ein Hook ist ein Objekt in Blender, welches an ausgewählten Vertices eines 3D-Objektes gesetzt wird und das Objekt im Lauf einer Simulation umformt.

Abbildung 9: Die Cloth Modifier GUI in Blender

Abbildung 10: Ein Hook in Blender

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Wenn der Hook verschoben wird, so „zieht“ er die dazu gehörigen Vertices mit. Wenn an den Nahtlinien der Schnittteile Hooks gesetzt und in einem weiteren Frame zueinander gezogen werden, dann nähern sich die Nahtlinien der Schnittteile im Lauf der Simulation an und ziehen bei der Annäherung die gesamten Schnittteile mit. Da die Schnittteile schon als Stoff definiert werden, verhalten sie sich bei dieser Annäherung wie Stoff und bilden das 3D-Modell einer Hose.Auf die 3D-Hose können Texturen mit verschiedenen Farben und Mustern gelegt werden. Die Szene kann in Blender gerendert werden, um ein Bild der modellierten Hose zu erhalten.Mit diesem Konzept können Kleidungsstücke aus allen anderen mit COAT erstellten Schnittmustern wie Blusen, Röcke und Kleidern modelliert werden. Verschiedene Größen eines Kleidungsstücks werden auf die gleiche Weise modelliert. Wichtig ist hierbei, dass die 3D-Figurine die gleiche Größe wie die Schnittteile haben muss.

3.3 Vorbereitung der COAT-Schnittmuster

Die 3D-Modelle der Bekleidung werden aus den mit COAT erstellten Schnittmustern konstruiert. In COAT sind Grundschnitte von Kleidungsstücken wie Hosen, Blusen, Kleider etc. für alle Größen vorgefertigt. Die Datei eines Grundschnittes enthält die einzelnen Schnittteile des Kleidungsstückes sowie eine Darstellung der Abhängigkeiten zwischen den Schnittteilen und den Körpermaßen. Die Schnittteile enthalten Hilfslinien, die das Nähen vereinfachen (Abbildung11). Für die Modellierung der Kleidungsstücke werden nur die Schnittteile verwendet. Die Hilfslinien innerhalb der Schnittteile stören bei der Modellierung, da sie die Bildung von Gitternetzen aus den Schnittteilen beeinflussen würden. Um geeignete Eingabedaten für die Modellierung zu erhalten, müssen an einem Grundschnitt in COAT ein paar

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Bearbeitungsschritte durchgeführt werden. Im Folgenden werden die Bearbeitungsschritte eines Hosengrundschnittes beschrieben:Ein Hosengrundschnitt in COAT besteht aus dem Vorderhosenschnitt, dem Hinterhosenschnitt und der Hosenkonstruktion (Abbildung11).

Für die Modellierung werden zwei Exemplare des Hinterhosenschnitts und zwei des Vorderhosenschnitts gebraucht. Die Eingabedatei des Hinterhosenschnitts soll zwei Exemplare des Hinterhosenschnittteils enthalten. Um eine passende Eingabedatei des Hinterhosenschnitts zu erhalten, sind die folgenden Schritte nötig:

Abbildung 11: Hosengrundschnitt in COAT: Rechts ist der Vorderhosenschnitt, in der Mitte der Hinterhosenschnitt und

ganz links ist die Hosenkonstruktion

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Hinterhosenschnitt:

1) Hosenkonstruktion und Vorderhosenschnitt löschen, damit das Ergebnis nur Hinterhosenschnittteile enthält.2) Linie 1 um die Länge von Linie 2 nach Links verschieben (Abbildung12). Das zweite Exemplar des Hinterhosenschnittteils wird durch das Spiegeln des Schnittteils erhalten, Linie 1 wird als Achse zur Spiegelung verwendet (Abbildung13).3) Linien 2, 3, 4, 5 und 6 löschen. Es handelt sich hierbei um Hilfslinien, die wiebereits erwähnt bei der Modellierung stören.4) Die Linien der Kontur um Linie 1 spiegeln, dafür die Funktion zum Spiegeln in

Abbildung 12: Hinterhosenschnitt in COAT

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COAT mit der Option „Elemente Kopieren“ verwenden. Dadurch entsteht ein zweites Exemplar des Schnittteils. 5) Linie 1 löschen, da sie nach der Spiegelung überflüssig ist.

Abbildung 13: Schritt 2 der Vorbereitung einer

Eingabe-Datei aus einem Hinterhosenschnitt

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Das Ergebnis der Bearbeitung ist in Abbildung14 zu sehen.

Nach der Bearbeitung muss die Datei in Abbildung14 ins DXF-(Datei-)Format exportiert werden. Die erhaltene DXF-Datei wird als Eingabedatei in Blender verwendet.Das Vorbereiten des Vorderhosenschnitts ist ähnlich. Damit der Abstand zwischen den beiden vorderen Schnittteilen identisch dem Abstand zwischen den hinteren Schnittteilen wird, muss die vertikale Linie um die gleiche Länge wie bei den Hinterhosenschnittteilen verschoben werden. Dafür kann bei der Verschiebung der vertikalen Linie die Linie 2 des Hinterhosenschnittes angeben werden.

Abbildung 14: Hinterhosenschnitt in COAT nach der Bearbeitung

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Das Ergebnis der Bearbeitung der Vorderhosenschnitt ist in Abbildung15 gezeigt.

Abbildung 15: Vorderhosenschnitt in COAT

nach der Bearbeitung

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4 Realisierung

Zur Modellierung der Kleidungsstücke wird die Software Blender verwendet, da sie frei verfügbar ist und bereits ein Tool zur Stoffsimulation, den so genannten Cloth Modifier beinhaltet. Außerdem können die Modellierungsschritte mit Hilfe der Skript-Sprache Python automatisiert werden. Im Folgenden wird beschrieben, wie das 3D-Modell einer Hose aus den in COAT erstellten Schnittmustern in Blender durch die Verwendung von Python-Skripten automatisch konstruiert wird.

4.1 Modellierungsprozess Der Modellierungsvorgang basiert auf dem in Abschnitt 3.2 beschriebenen Konzept. Viele Funktionen von Blender sind von Python aus erreichbar und können direkt aufgerufen werden. Für manche Schritte der Modellierung müssen neue Funktionen geschrieben werden. Die wichtigsten davon sind:

● Die Funktion zum Definieren der Nahtlinien.● Die Funktion zum Aufteilen der Nahtlinien zu kleineren Bereichen, auf

denen die Hooks gesetzt werden.● Die Funktion zur Annäherung der Nahtlinien.

Da diese drei Funktionen die wichtigsten sind werden sie in diesem Abschnitt detailliert beschrieben. Die anderen Funktionen werden kurz erwähnt.Die in diesem Abschnitt verwendeten Abbildungen sind Screenshots der Software Blender. Einige davon sind in dem Blender Object-Mode, andere in dem Edit-Mode. Das sind die zwei Modi zur Modellierung in Blender. Im Object-Mode kann auf alle Objekte zugegriffen werden. In diesem Modus sind die Oberflächen der Objekte sichtbar. Im Edit-Mode wird nur ein Objekt bearbeitet,

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die Vertices, Edges und Faces des zugreifbaren Objektes sind sichtbar.Die bei der Modellierung verwendete 3D-Figurine wurde der Software Poser

entnommen. Damit die Schnittteile an der Skalierung der Figurine angepasst werden, werden sie mit einem Faktor skaliert, so dass die Größen übereinstimmen.Zur Modellierung wird zuerst die 3D-Figurine in Blender importiert. Zum Import kann das DXF-Format verwendet werden. Folgend werden die in Abschnitt 3.3 erläuterten Eingabedateien mit dem DXF-Importer von Blender importiert. Die importierten Dateien enthalten jeweils zwei Schnittteile der Hose. In Abbildung16 sind die importierten Vorderhosenschnittteile zu sehen. Nach dem Import besteht jedes Schnittteil aus mehreren Objekten, die zusammen die Kontur des Schnittteils bilden. Um zusammenhängende Konturen zu erhalten, müssen diese Objekte zu einem vereinigt werden. Das Zentrum des neu entstandenen Objektes muss an den Mittelpunkt aller Vertices des Objektes verschoben werden. Die Verbindung der Objekte erfolgt über die Blender-Funktion „Join“, die aus Python erreichbar ist. Um den Mittelpunkt aller Vertices zu bestimmen wird der Durchschnitt aller Koordinaten berechnet. Der Mittlelpunkt bildet das Zentrum des Objektes, in dem alle Vertices um das neue Zentrum positioniert werden.

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Bisher wurden die Schnittteile durch ihre Konturen repräsentiert. Innerhalb der Konturen werden Faces erstellt, wodurch jedes Schnittteil eine Oberfläche erhält. Der Stoff wird als ein Partikelsystem modelliert, um das Stoffverhalten bei der Modellierung zu simulieren. Dafür werden die Oberflächen der Schnittteile aufgeteilt, so dass sie Gitternetze aus Dreiecken bilden (Abbildung17).Zur Erstellung der Faces wird die Blender-Funktion „Fill“ und zur Aufteilung in Gitternetze die „Subdivide“ Funktion verwendet.

Abbildung 16: Importierter Vorderhosenschnitt in Blender, dargestellt im Edit-Mode

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Die Schnittteile werden an den Nahtlinien verbunden, welche durch das Zusammenfügen aller Vertices einer Nahtlinie zu einer so genannten Vertex

Group kombiniert werden. Diese Vertex Groups geben in den weiteren Schritten an, welche Vertices der Schnittteile miteinander verbunden werden sollen. Pro Schnittteil werden drei Nahtlinien bzw. Vertex Groups definiert. Abbildung18 zeigt die drei Nahtlinien an einem Schnittteil. Tabelle1 zeigt, welche Vertex Groups zueinander gehören, also einander angenähert werden:

Abbildung 17: Darstellung der Schnittteile des

Vorderhosenschnitts als Gitternetze, dargestellt

im Edit-Mode

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Abbildung 18: Die Nahtlinien eines Schnittteils in Blender

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Vertex Group 1 Vertex Group 2Äußere Naht des linken vorderen Schnittteils (VLA)

Äußere Naht des linken hinteren Schnittteils (HLA)

Innere Naht des linken vorderen Schnittteils (VLI)

Innere Naht des linken hinteren Schnittteils (HLI)

Äußere Naht des rechten vorderen Schnittteils (VRA)

Äußere Naht des rechten hinteren Schnittteils (HRA)

Innere Naht des rechten vorderen Schnittteils (VRI)

Innere Naht des rechten hinteren Schnittteils (HRI)

Schrittnaht des linken vorderen Schnittteils (VSL)

Schrittnaht des rechten vorderen Schnittteils (VSR)

Schrittnaht des linken hinteren Schnittteils (HSL)

Schrittnaht des rechten hinteren Schnittteils (HSR)

Tabelle 1.: Eine Vertex Group aus der ersten Spalte gehört zu dem Vertex

Group der gleichen Zeile der zweiten Spalte

Die Funktion zum Anlegen der Vertex Groups ist von Python aus zugreifbar. Um die Vertices zu den Groups zuzuweisen werden die Indizes der Vertices von den Nahtlinien vor der Modellierung gesammelt und in Textdateien gespeichert. Die Werte werden aus der Datei gelesen und den Vertex Groups hinzugefügt. Abbildung19 zeigt ein Beispiel aus einer solchen Textdatei, in der die Indizes einiger Vertices der Vertex Group VSL zu sehen sind.

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Um die Nahtlinien der Vertex Groups anzunähern, werden - wie im Abschnitt 3.2 erwähnt - Hooks verwendet. Für eine genaue Annäherung müssen möglichst viele Hooks entlang der Nahtlinien gesetzt werden. Dafür werden die Vertex Groups aus der Tabelle1 in Teilgruppen aufgeteilt. Auf jede Teilgruppe wird danach ein Hook gesetzt. Die Anzahl der Teilgruppen muss bei zwei zueinander gehörigen Vertex Groups gleich sein, damit eine gleiche Anzahl von Hooks gesetzt und zu jedem Hook ein gegenüber liegender definiert wird. Für alle paarweise zueinander gehörenden Vertex Groups wird berechnet, wie viele Vertices eine Teilgruppe enthalten soll, um eine gleiche Anzahl von Teilgruppen zu erhalten. Die Teilgruppen sind neu angelegte Vertex Groups, die den Namen der originalen Group mit einem Index erhalten. Beispielsweise sind die Teilgruppen von HSL folgendermaßen benannt: HSL1, HSL2, etc. In einer Teilgruppe werden die entsprechend berechneter Anzahl an Vertices der ursprünglichen Vertex Group hinzugefügt. Die Vertices in einer Teilgruppe müssen direkte Nachbarn innerhalb der Nahtlinie sein, welches in der Funktion zum Aussuchen dieser

Abbildung 19: Beispiel einer Textdatei, in der die Indizes der Vertices, die eine Nahtlinie ergeben,

gespeichert werden

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Vertices wie folgt überprüft wird: Zu jedem Vertex aus der Vertex Group der Nahtlinie wird aus der gleichen Vertex Group ein Vertex gesucht, der mit dem ersten Vertex eine Kante bildet. Der erste Vertex zu dem ein direkter Nachbar gesucht wird, ist der, der am Anfang der Nahtlinie liegt. Die Indizes geben an, welche Teilgruppe einer Vertex Group zu welcher Teilgruppe ihrer zugehörigen Vertex Group gehört, zum Beispiel gehört HSL1 zu HSR1. Jedes Blender-Objekt verfügt über eine Liste von Modifiern, wobei Modifier Funktionen sind, die auf das 3D-Objekt angewendet werden können. Um einen Hook-Modifier zu einem Schnittteil hinzuzufügen, wird eine Teilgruppe ausgewählt und mit der Funktion ZanQDoHack() ein Hook-Modifier zu der Modifier-Liste des Schnittteils hinzugefügt. Der Hook wird an den ausgewählten Vertices gesetzt, also den Vertices der ausgewählten Teilgruppe. Die erstellten Hooks erhalten die gleichen Namen wie die Teilgruppen. Dadurch gehört jeder Hook zu einem anderen. Zu jedem Hook wird ein Blender Objekt erstellt, um die Attribute und Funktionen der Blender Objekte zu benutzen. In diesem Fall werden die Funktionen des Hooks bezüglich der Position benötigt. In Abbildung20 sind die erstellten Hooks entlang der Nahtlinien zu sehen.

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Damit sich die Schnittteile bei der Annäherung entsprechend der Stoffeigenschaften bewegen wird der Cloth Modifier angewendet. Dafür wird, wie bei den Hooks, ein Cloth Modifier Objekt zu der Modifier-Liste eines Schnittteils hinzugefügt. In Python kann ein Cloth Modifier einem Objekt zugewiesen werden, aber die Attribute des Cloth Modifiers können über Python nicht modifiziert werden. Das Problem lässt sich lösen, in dem diese Attribute in der GUI des Cloth Modifiers manuell verändert werden.Die nötigen Einstellungen in dem Cloth Modifier sind:

● Die Gravitation bezüglich aller Achsen auf Null setzen, damit die Schnittteile bei der Annäherung nur von den Hooks beeinflusst werden.

● In dem „Pinning of Cloth“ Menü muss eine Vertex Group ausgewählt

Abbildung 20: Hooks entlang den Nahtlinien, dargestellt im Object-Mode

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werden, die alle Vertices enthält, die zu Hooks hinzufügt worden sind. Also eine Vereinigung aller Nahtlinien.

● Die 3D-Figurine muss als mit den Schnittteilen kollidierendes Objekt definiert werden.

Der Cloth Modifier verfügt zusätzlich über Attribute der Elastizität, Scherung, Biegung und weiterer Eigenschaften von Stoff. Diese Attribute können nach Wunsch eingestellt werden. In dem Modifier sind die Eigenschaften zu einigen Stoffen wie Baumwolle, Seide und Denim (Jeansstoff) vorgegeben. Zur Annäherung der Schnittteile werden alle Hooks einer Nahtlinie zu einer Liste hinzugefügt. Aus zwei Listen von zueinandergehörigen Nahtlinien werden jeweils alle zwei Objekte (Hooks) des gleichen Indexes zu einem gleichen Punkt verschoben. Die Hooks, die am Anfang der Schrittnähte gesetzt sind, werden alle zu dem Punkt (0, 0, 0) verschoben. Diese sind in Abbildung21 zu sehen. Die Hooks, die am Anfang der hinteren Schrittnähte gesetzt werden, werden genauso verschoben. Die restlichen Hooks der Schrittnähte werden um die Y-Achse rotiert und gleichzeitig so verschoben, dass sie den Abstand zu dem ersten Hook beibehalten. Dadurch erhalten die Schrittnähte eine Positionierung, die sie bei der Hose haben sollten (Abbildung22). Die dabei benutzte Formel ist anhand der Abbildung21 beschrieben:

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Für einen Hook B (Abbildung21) aus einer Schrittnaht, werden die Koordinaten in Abhängigkeit zum ersten Hook A, mit den folgenden Formeln berechnet:

Z B=X B−X A

Y B=Y B

X B=0

Die Position einer Schrittnaht nach dem Verschieben wird in Abbildung22 gezeigt.

Abbildung 21: Verschieben der ersten Hooks der Schrittnähte

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Zum Verschieben einer Außennaht wird ein Referenzpunkt benötigt, und zwar der oberste Hook der Schrittnaht von dem gleichen Schnittteil (Abbildung22). Der oberste Hook einer Außennaht wird so verschoben, dass er einen bestimmten Abstand zu dem Referenzpunkt nach dem Verschieben der Schrittnaht erhält. Dieser neue Abstand zum Referenzpunkt ist gleich dreiviertel des ursprünglichen Abstands zwischen den beiden Hooks (Abbildung23). Der Wert wurde hier geschätzt, um die des Hosenbeins einigermaßen passend zu der Breite der Figurine zu machen. Da der oberste Hook einer Innennaht der gleiche ist wie der erste einer Schrittnaht, wird dieser zu dem Punkt (0,0,0) verschoben. Die restlichen Hooks der Innennaht werden so verschoben, dass deren Abstand zu dem obersten Hook gleich bleibt (Abbildung23).

Abbildung 22: Verschiebung einer Schrittnaht

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Nach den beschriebenen Verschiebungen müssen die Positionen einiger Hooks nachbearbeitet werden, damit sie näher an der Figurine liegen. Diese sind die obersten Hooks der Außennähte und der Schrittnähte. Bei der Funktion zur Annäherung werden zwei Listen von Hooks angegeben. Zu jedem Hook aus der ersten Liste und dem Hook mit dem gleichen Index aus der zweiten Liste wird der Punkt, zu dem die Hooks verschoben werden müssen, berechnet. Beide Hooks werden zu diesem Punkt verschoben. Dieses Verschieben erfolgt über die Blender-Funktion „setLocation“.Die Annäherung wird zwischen zwei verschiedenen Frames der Simulation ausgeführt. In dem ersten Frame werden die Positionen der Hooks gespeichert, welches erfolgt durch das Anlegen von so genannten IPO-Keys. In einem IPO-

Abbildung 23: Verschibung einer Innennaht und einer Außennaht

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Key wird ein Wert in einem bestimmten Frame, also zu einem bestimmten Zeitpunkt der Simulation, gespeichert. IPO-Keys können mit der Funktion „setKey“ gesetzt werden. In dem zweiten Frame werden die Hooks der Nahtlinien angenähert. Die Positionen der verschobenen Hooks werden durch Anlegen von IPO-Keys in diesem Frame gespeichert. Nach der Ausführung der Annäherung kann die Simulation abgespielt werden. Dabei nähern sich die Nahtlinien an. Die Schnittteile verhalten sich bei der Annäherung entsprechend den Stoffeigenschaften und übernehmen die Form der Figurine. Das Ergebnis ist ein 3D-Modell einer Hose. In den Abbildungen 24 und 25 sind zwei Zwischenframes der Simulation gezeigt.

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Abbildung 24: Annäherung der Nahtlinien

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Abbildung 25: Annäherung der Nahtlinien in einem weiteren Frame

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Das Problem der modellierten Hose besteht darin, dass ihr Gürtel nicht direkt an der Figurine anliegt (Abbildung 27). Dieses Problem entsteht dadurch, dass die Annäherung der Nahtlinien ihre Abstände zueinander, aber nicht die zu der Figurine einbezieht. Die Verbindung von zwei Nahtlinien wurde durch die Annäherung ihrer Punkte zu den gleichen Positionen ersetzt, wodurch der Eindruck einer Verbindung entsteht.

Abbildung 26: Der letzte Frame der Simulation

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Abbildung 27: Der Fehler bei dem Gürtel

Abbildung 28: Die 3D-Hose

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4.2 GUI

In diesem Abschnitt wird erklärt, wie die erstellten Python-Skripte über die graphische Benutzungsoberfläche ausgeführt werden können. Die GUI wird ebenfalls mit Python erstellt. Alle Python-Skripte und -GUIs sind in Blender unter dem Menü „Scripts Window“ zu finden (Abbildung29). Das „Scripts Window“-Menü verfügt über ein „Scripts“-Menü, in dem die Skripte in verschiedenen Untermenüs verteilt sind. In Blender können mehrere GUIs gleichzeitig angezeigt werden. Dazu muss der untere Bereich, in dem die GUIs innerhalb der Blender-GUI angezeigt werden, aufgeteilt werden. In jedem Teilbereich kann eine beliebige GUI angezeigt werden.

Abbildung 29: Skript-Menü in Blender

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Für die Modellierung sind drei GUIs nötig: Die in dieser Arbeit erstellte GUI „hose“, die GUI des Python DXF-Importers von Blender und die GUI des Cloth Modifiers. Aus dem „Add“-Menü (ein Untermenü von „Scripts“) wird die für die Modellierung erstellte GUI ausgewählt (Abbildung31). Die GUI des DXF-Importers wird aus dem „Import“-Menü (ebenfalls unter „Scripts“) ausgewählt. Die GUI des Cloth Modifiers ist unter dem Menü „Buttons“ zu finden. Um sie anzuzeigen, muss erst die Button Group „Object“ und danach die Button Group „Physics Buttons“ gedrückt werden. Die resultierende Ansicht ist in Abbildung30 zu sehen.

Die GUI zur Modellierung besteht aus den folgenden Buttons:● Ein Button zur Vorbereitung der hinteren Schnittteile. Er wird nach dem

Import der Eingabedatei der hinteren Schnittteile gedrückt und bewirkt die Vereinigung der Objekte, die Verschiebung des Zentrums, die Erstellung der Faces innerhalb der Kontur des Schnittteils und das Aufteilen des Schnittteils zu einem Gitternetz, das Anlegen der Vertex Groups der Nahtlinien sowie das Teilen der Nahtlinien zu kleineren Vertex Groups, auf denen Hooks gesetzt werden sollen. Dieser Button ist mit „Bearbeite die Eingabe der hinteren Schnittteile“ beschriftet.

● Ein Button zur Vorbereitung der vorderen Schnittteile, Er wird nach dem Import der Eingabedatei der vorderen Schnittteile gedrückt und funktioniert ähnlich dem vorherigen Button. Dieser Button ist mit

Abbildung 30: Die drei für die Modellierung nötigen GUIs in Blender angezeigt

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„Bearbeite die Eingabe der vorderen Schnittteile“ beschriftet.● Ein Button zum Setzen der Hooks auf allen dafür definierten Vertex

Groups. Er wird einmal gedrückt. Das bewirkt, dass die Hooks für die vorderen und hinteren Schnittteile gesetzt werden. Dieser Button ist mit „Setze die Hooks“ beschriftet.

● Ein Button für die Berechnung der Annäherung der Nahtlinien. Dieser Button wird am Ende gedrückt und ist mit „Berechne die Annäherung“ beschriftet.

Die Modellierungsschritte, die im Folgenden beschrieben werden, werden in einer Blender Datei ausgeführt, in der die 3D-Figurine enthalten ist.Im ersten Schritt der Modellierung wird eine Eingabedatei mit dem DXF-Importer importiert. Dann wird aus der GUI „hose“ der Button zum Verbinden der Eingabe gedrückt. Danach entstehen zwei Schnittteile, die in Gitternetze aufgeteilt sind. Die Nahtlinien der Schnittteile sind als Vertex Groups definiert, dann wird der Button zum Setzen der Hooks gedrückt, dadurch werden Hooks entlang der Nahtlinien gesetzt.Als Nächstes wird die zweite Eingabedatei mit dem Importer geladen. Dann wird der Button zum Verbinden dieser Datei gedrückt. Anschließend werden wieder Hooks gesetzt. Nach diesen Schritten sind alle Schnittteile importiert

Abbildung 31: Die GUI

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und können angenähert werden. Die Annäherung der Nahtlinien erfolgt durch das Drücken des entsprechenden Buttons.Zum Abspielen der Simulation müssen die in 4.1 erwähnten Einstellungen des Cloth Modifiers müssen gemacht werden. Diese sind das Setzen der Gravitation auf Null bezüglich aller Achsen, das Auswählen der Vertex Groups „V“ bzw. „H“ unter dem Menü „Pinning of Cloth“. Wobei „V“ und „H“ die Vertex Groups, die alle Vertices der Nahtlinien der vorderen bzw. hinteren Schnittteile enthalten, sind. Anschließend muss die Figurine als ein kollidierendes Objekt definiert werden. Dafür muss sie ausgewählt werden, dann muss unter den „Physics Buttons“ den Button „Collision“ gedrückt werden (Abbildung32). Zum Ausführen der Annäherung wird der „Bake“-Button des Cloth Modifiers gedrückt, oder die Tastatur Kombination Alt-A.

Abbildung 32: Collision Button

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5 Zusammenfassung und Ausblick

In dieser Arbeit wurde ein Konzept zur Modellierung eines 3D-Modells einer Hose vorgestellt. Als Eingabedaten benötigt dieses Konzept modifizierte 2D-Schnittmuster, die mit der Software COAT erstellt werden. In der Arbeit wurde auch beschrieben, wie die Eingabedaten in COAT vorbereitet werden können. Wichtig bei dem Konzept ist, dass es sich an dem echten Nähen orientiert. Das heißt, dass die Schnittteile an definierten Nahtlinien miteinander „verbunden“ werden, um eine 3D-Hose zu bilden. Mit diesem Konzept können Schnittteile in allen Größen verwendet werden. Wobei die 3D-Figurine ihre gleiche Größe haben muss. Die Hauptanforderungen zur Umsetzung waren:

● Finden einer Schnittstelle zwischen COAT und dem Modellierungsprogramm Blender. Hierfür wurden die Eingabedateien in COAT ins DXF-Format exportiert und daraufhin in Blender importiert.

● Bearbeitung der Eingabedaten so, dass sie sich durch die Verwendung einer Stoffsimulation wie Stoff verhalten. Dafür wurden die Schnittteile als Partikelsysteme modelliert.

● Definition der Nahtlinien. Die Punkte der Nahtlinien wurden vor der Modellierung in Textdateien gespeichert. Bei der Modellierung wurden die Werte dann aus diesen Textdateien gelesen.

● Finden einer Formel zur Annäherung der Nahtlinien der Schnittteile.● Finden einer passenden 3D-Figurine und laden dieser Figurine in

Blender. Diese wurde von der Software Poser (siehe Kapitel 2) übernommen.

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Das in der Arbeit beschriebene Konzept begrenzt sich nicht nur auf die Modellierung von Hosen. Es kann zur Modellierung von allen Bekleidungsmodellen, die in COAT entworfen werden, angewendet werden. Dafür muss die Vorbereitung der Eingabedaten passend zu dem Entwurf durchgeführt werden. Die Daten der Nahtlinien müssen in Textdateien gespeichert werden. Ansonsten läuft die Modellierung ähnlich wie in der Arbeit beschrieben. Die Realisierung des Konzepts für andere Kleidungsstücke wäre eine mögliche Erweiterung der Arbeit.Bei der Modellierung wurde der Cloth Modifier von Blender verwendet, musste aber manuell eingestellt werden. Der Grund dafür ist, dass die Einstellungen des Cloth Modifiers von Python aus nicht zugreifbar sind. Das Einbauen dieser Einstellungen in der automatischen Modellierung würde sie benutzungsfreundlicher machen. Eine weitere zukünftige Verbesserung wäre das Einbauen der Schritte zur Vorbereitung der Eingabedateien in COAT. Dies würde die Erstellung der Eingabedateien vereinfachen. Diese Aufgabe wäre eine Erweiterung der Software COAT und wurde deswegen nicht berücksichtigt. Die Realisierung des Konzepts durch die Modellierung der Hose funktioniert fehlerfrei, da sich alle Nahtlinien wie angegeben einander annähern. Wie schon in Abschnitt 4.1 dargelegt, liegt der Gürtel der Hose nicht direkt an der Figurine an, wodurch das gewünschte Ergebnis nicht vollständig erreicht wird. Dieser Fehler liegt nicht an der Realisierung selbst, sondern dadurch,dass die Koordinaten der Figurine im Konzept nicht einbezogen werden. Eine Lösungsmöglichkeit ist das Hinzufügen von Bezugspunkten an der Figurine. Diese sollten die genauen Positionen angeben, zu denen die Gürtelpunkte angenähert werden sollen, so dass dieser direkt an der Figurine anliegt. Eine Möglichkeit zur Umsetzung wäre die Bezugspunkte der Figurine als Hooks zu definieren. Auch entlang des Gürtels müssten Hooks gesetzt werden, die sich dann den Bezugspunkten annähern. Dieser Lösungsvorschlag würde eine gute

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Ergänzung zum Konzept bieten.Insgesamt zeigt die Arbeit ein gutes Konzept, welches jedoch an einigen Stellen verbessert werden sollte. Dadurch würde das Programm optimiert werden und in Zukunft gute und zufriedenstellende Ergebnisse liefern.

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6.Literaturverzeichnis

6.1 Literatur

[Volino/Magnenat-Thalmann 2000]Volino P., and N. Magnenat-Thalmann: Virtual Clothing - Theory and Practice, Berlin 2000

[Tyler 2006]Tyler D.: Practical Poser 7, Boston 2006

[Pekholz 1995] Pekholz U. Und D. Läer: Von der Idee zur Serie, Hamburg 1995

[Plath 2004]Plath J.: Computergestützte Konstruktion von Maßschuhen, Dissertation, Universität Bremen, Fachbereich Mathematik/Informatik, Bremen 2004

[Plath 2000]Plath J.: Realistic modelling of textiles using interacting particle systems, Computer & Graphics 24 (2000) 6, pp. 897-905

[Choi/Ko 2002]Choi K.-J. and H.-S. Ko: Stable but Responsive ClothProceedings 21 (2002) 3, pp. 81-97

[Bridson/Fedkiw/Anderson 2002] Bridson R., R. Fedkiw, and J. Anderson: Robust Treatment of Collisions, Contact and Friction for Cloth Animation,in: ACM SIGGRAPH 2002 Conference Proceedings, pp. 594-603

59_______________________________________________________________

[Mezger/Kimmerle/Etzmuß 2003] Mezger J., S. Kimmerle, and O. Etzmuß: Hierarchical Techniques in Collision Detection for Cloth Animation, Journal of WSCG 11 (2003) 1

[Assyst/Bullmer 2006]Assyst/Bullmer: Bridging with „vidya“fashiontechnics today 09/2006 (2006), pp. 3

[Browzwear 2006] Browzwear: Browzwear Internationalfashiontechnics today 09/2006 (2006), pp. 14

6.2 Online-Quellen

[Fuhrmann 2006]Fuhrmann A.: Interaktive Animation textiler Materialien, Universität Darmstadt, Darmstadt 2006 http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/738/, letzter Zugriff 01.11.09

[OptiTex]Homepage der Firma OptiTex http://www.optitex.com/, letzter Zugriff 01.11.09

[InvenTex] Homepage der Firma InvenTexhttp://www.inventex.eu/, letzter Zugriff 01.11.09

[IMBiSS 1999]

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Homepage der Arbeitsgruppe Angewandte Informatik der Universität Bremen http://eddi.informatik.uni-bremen.de/SuSE/pdfs/IMBiSS.pdf, letzter Zugriff01.11.09

[Universität Manchester]Homepage der Universität Manchesterhttp://www.manchester.ac.uk/aboutus/news/archive/list/item/?id=4739&year=2009&month=06, letzter Zugriff 01.11.09

[TU Dresden]Homepage des Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden

http://tudresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/ fakultaet_maschinenwesen/itb, letzter Zugriff 01.11.09