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DiffCloth: Differentiable Cloth Simulation with Dry Frictional Contact

本文提出了一种具有干摩擦接触的可微布料模拟器，通过优化材料参数，实现了对布料行为的精确控制，并在多个应用领域展示了其有效性。

Basic Information:

  • Title: DiffCloth: Differentiable Cloth Simulation with Dry Frictional Contact (DiffCloth：具有干摩擦接触的可微布料模拟)
  • Authors: Yifei Li, Tao Du, Kui Wu, Jie Xu, and Wojciech Matusik
  • Affiliation: MIT CSAIL, USA (麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室，美国)
  • Keywords: Projective Dynamics, differentiable simulation, cloth simulation
  • URLs: Paper, GitHub Code

论文简要 :

  • 本文提出了一种具有干摩擦接触的可微布料模拟器，通过优化材料参数，实现了对布料行为的精确控制，并在多个应用领域展示了其有效性。

背景信息:

  • 论文背景: 布料模拟在计算机动画、服装设计和机器人辅助穿衣等领域具有广泛应用。本文提出了一种不同iable的布料模拟器，通过提供额外的梯度信息，为布料相关应用提供了便利。
  • 过去方案: 过去的可微模拟器主要集中在刚体和软体动力学方面，而对于布料模拟的可微化研究相对较少。由于布料模拟中频繁的接触事件和自碰撞问题，导致梯度的计算变得更加困难。
  • 论文的Motivation: 受到可微物理模拟的发展和在刚体和软体系统中的成功启发，本文认为高质量的可微布料模拟器也能够在布料相关应用中发挥重要作用。通过提供额外的梯度信息，可微模拟器可以使用基于梯度的优化方法，从而在下游应用中实现更高的效率。

方法:

  • a. 理论背景:
  • 本文介绍了在虚拟试穿、服装设计和机器人辅助穿衣等各种应用中，布料模拟的重要性。文章强调了可微分布料模拟器的潜在优势，它可以计算梯度并实现基于梯度的优化方法。文章还提到了在接触丰富的布料模拟中推导梯度的挑战，并提出了一种具有干摩擦接触的新型可微分布料模拟器。该模拟器在系统识别、轨迹优化、闭环控制、逆向设计和真实到模拟的转换等多个应用中展示了其有效性。
  • b. 技术路线:
  • 本文介绍了基于干摩擦接触的Projective Dynamics (PD)布料模拟方法作为可微分布料模拟器的基础。使用隐式时间积分方案将布料建模为节点系统，位置和速度由向量函数表示。通过能量最小化问题来寻找鞍点，其中目标函数被最小化。内部力由潜在能量的空间梯度定义。PD利用局部和全局求解器来解决方程组。

结果:

  • a. 详细的实验设置:

  • 作者进行了多个实验来评估他们的可微分布料模拟器与干摩擦接触的性能。他们使用系统识别任务来估计布料的摩擦系数和刚度参数。实验涉及生成具有不同设置的球体的运动序列，水平偏移量也有所变化。损失函数被定义为模拟节点位置与给定运动序列中相应位置之间的平方距离。绘制了损失函数的图景，以比较不同设置之间的平滑性。此外，还模拟了一个控制优化问题，设计每个节点的力以将布料的中心拉到目标位置。优化问题中的变量数量根据布料中的节点数而变化。比较了两种基于梯度和无梯度的方法的收敛速度，以评估梯度在优化过程中的有用性。

  • b. 详细的实验结果:

  • 实验结果显示，所有三种优化方法（L-BFGS-B、CMA-ES和（1+1）-ES）都能够优化系统参数，实现与给定输入相同的运动序列。然而，由于使用了梯度，L-BFGS-B的收敛速度要快得多。在涉及自碰撞和摩擦的“T恤”示例中，L-BFGS-B在收敛速度方面优于无梯度方法。在只有一个参数和凹凸不平的损失函数图景的“球体”示例中，无梯度方法可以通过自由探索摩擦接触的整个范围来实现更低的最终损失。