Modélisation statique inverse de vêtements

Static inverse modelling of cloth

• Auteur / Autrice : Mickaël Ly
• Direction : Florence Bertails, Mélina Skouras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et informatique
• Date : Soutenance le 28/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de l'université Grenoble Alpes - Laboratoire Jean Kuntzmann (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Modélisation de l'apparence des phénomènes non-linéaires
• Partenaire(s) de recherche : Projet Européen : GEM - From Geometry to Motion: inverse modeling of complex mechanical structures Numéro CORDIS : 639139
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Malick
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernhard Thomaszewski, Loïc Barthe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rahul Narain, Maud Marchal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique du contact

Vêtements

Problèmes inverses

Mots clés libres

Problèmes inverses

Coques minces élastiques

Mécanique

Inverse problems

Thin elastic shells

Mechanics

Résumé

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.

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.