Houdini-Vellum-Leitfaden: Simulation von Stoff und weichen Körpern

Die offizielle Houdini-Dokumentation von SideFX erläutert die Funktionen von Vellum Constraints SOP und Vellum Solver bei Stoff-, Haar- und Weichkörpersimulationen. Für beide Nodes findet sich in der Dokumentation der Hinweis „Since 17.0“. Dieser Leitfaden behandelt die grundlegenden Schritte – vom Zuordnen der Eingangsgeometrien in Vellum bis zum Anpassen der Constraint- und Solver-Einstellungen. Die Optionsnamen und Empfehlungen beschränken sich auf die Angaben in der SideFX-Dokumentation.

1. Oberflächengeometrie und Constraints zuordnen

Bei einer Vellum-Simulation werden die sichtbare Geometrie und die Constraint-Geometrie über getrennte Ein- und Ausgänge geführt. Vellum Constraints SOP erstellt die ausgewählten Constraint-Typen auf der eingehenden Geometrie. Die Oberflächengeometrie liegt am ersten Ein- und Ausgang an, die Constraint-Geometrie am zweiten. Zwischen diesen beiden Geometrien muss eine eindeutige Zuordnung der Punkte bestehen.

1. Bereiten Sie die zu simulierende Oberflächengeometrie vor.

2. Erstellen Sie mit Vellum Constraints SOP passende Constraints für diese Geometrie.

3. Verbinden Sie die Oberflächengeometrie mit dem ersten Eingang des Vellum Solver und die Geometrie mit den zugeordneten Punkten und Constraint-Beziehungen mit dem zweiten Eingang. Die Punkte lassen sich über ihre Nummern oder das Attribut id zuordnen.

4. Verbinden Sie die Kollisionsgeometrie mit dem dritten Eingang. Ihre Topologie muss über die Frames hinweg übereinstimmen; SideFX weist darauf hin, dass auch einige Arten gepackter Geometrie erkannt werden.

Diese Verkabelung ist nicht bloß eine formale Einrichtungsfrage: Der Solver nutzt die Zuordnung, um die simulierten Punkte den jeweils zugehörigen Constraints zuzuordnen. Werden die Zuordnungen nicht überprüft, bevor andere Einstellungen geändert werden, lässt sich die Ursache eines Problems schwerer finden.

2. Den Constraint-Typ passend zum Materialverhalten auswählen

Für Stoff erstellt die Option Cloth sowohl Distanz-Constraints entlang der Kanten als auch Biege-Constraints über Dreiecke hinweg. Für Haarsimulationen umfasst Hair neben Kantendistanzen und Biegung zwischen den Kanten auch Torsion. String ist ein einfacheres Hair-Constraint und enthält kein Torsions-Constraint; dadurch können sich die Kanten frei drehen.

Bei weichen Körpern erzeugt Tetrahedral Volume für jedes Tetraeder ein Constraint, das dessen Volumen erhält. Diese Option umfasst jedoch keine Scher- oder Dehnungs-Constraints. Sollen auch diese Verhaltensweisen kontrolliert werden, sind zusätzliche Distanz-Constraints erforderlich. Für die Arbeit mit tetraedrischer Geometrie muss Tet Conform SOP vor dem entsprechenden Node im Netzwerk eingefügt werden; die Auflösung des tetraedrischen Netzes wird durch Max Tet Scale festgelegt.

Bei den Stoffeinstellungen bestimmt Stretch Type den Typ des Dehnungs-Constraints. Laut Dokumentation kann Triangle Stretch bei hoher Stoffauflösung die Zielsteifigkeit schneller erreichen, unterstützt jedoch keine Anisotropie über Enable Warp/Weft. Unter den Optionen für Bend Type erhält Angle den anfänglichen dihedralen Winkel zwischen den Dreiecken und ist weitgehend unabhängig von der Topologie. Distance kann schneller sein, beeinflusst jedoch das Verhalten des Ausgangswinkels und der Topologie und kann sich außerdem nicht erholen, wenn sich Dreiecke umdrehen.

3. Lösungsmodell und Simulationsschritte einstellen

Für Triangle Stretch, Tetrahedral Stretch und Tetrahedral Fiber lässt sich die Option Model verwenden. SideFX beschreibt Linear ARAP als eine Option, die bei steifen und wenig dehnbaren Situationen meist bessere Performance bietet. Scale-Invariant ARAP zielt auf ein ähnliches Steifigkeitsverhalten bei unterschiedlichen Maßstäben ab und wird in der Dokumentation für die meisten Materialien in der Regel als geeignete Wahl beschrieben. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl sowohl den verwendeten Constraint-Typ als auch das gewünschte Verhalten.

Substeps legt fest, in wie viele Teilschritte jedes Frame unterteilt wird. Schnelle Kollisionen oder plötzliche Kräfte können mehr Teilschritte erfordern. Dehnt sich die Simulation zu stark, empfiehlt SideFX als erste Versuche 2 oder 5 Substeps. Constraint Iterations bestimmt, wie oft die Constraints in jedem Teilschritt angewendet werden; steife Constraints können mehr Durchläufe erfordern. Als Ausgangspunkt nennt die Dokumentation den Geometriedurchmesser, also die Anzahl der Kanten zwischen den am weitesten voneinander entfernten Punkten.

Da Kollisionsdurchläufe rechenintensiv sind, sollten Sie nicht automatisch den Wert von Collision Passes erhöhen, sondern zunächst die Art des Problems untersuchen. SideFX hält 10 Durchläufe in den meisten Fällen für angemessen und weist darauf hin, dass mehr Substeps zur Qualitätsverbesserung häufig die bessere Lösung sind. Bei übereinanderliegenden Lagen bietet die Anzahl der Lagen plus 2 als ungefährer Startwert für Post Collision Passes eine Orientierung.

4. Wie lässt sich der Workflow in Architektur und Visualisierung einsetzen?

Teams, die in Architekturszenen simulierte Stoff- oder Weichkörperelemente erstellen, können diese Einstellungen verwenden, um festzulegen, welche Bewegungen eingeschränkt werden. Bei Stoff hilft es beispielsweise, Dehnungs- und Biegeoptionen getrennt zu betrachten, um zu kontrollieren, wie die Szenengeometrie reagiert. Das bedeutet nicht, dass Vellum speziell für die Architekturvisualisierung entwickelt wurde; hier geht es darum, wie sich die in der Dokumentation beschriebenen allgemeinen Simulationswerkzeuge im visuellen Produktionsprozess einsetzen lassen.

Prüfen Sie in einer Testszenen zuerst die Zuordnung zwischen Geometrie und Constraints, danach den Constraint-Typ und zuletzt die Solver-Einstellungen. So lässt sich leichter nachvollziehen, wie sich Änderungen an den Einstellungen auswirken. Global Substeps kann verwendet werden, wenn Geometrie mit exportierten Zwischenschritten benötigt wird oder für Collider spezielle Substeps erforderlich sind. Dafür wird pro Frame mehr Speicher belegt, da alle Teilschritte gespeichert werden. Da die SideFX-Dokumentation keine Angaben zu Lizenzbedingungen oder Hardwareanforderungen macht, müssen diese Punkte gesondert geprüft werden.

Häufige Fehler

• Die Simulation starten, ohne die Punktzuordnung zwischen Oberflächen- und Constraint-Geometrie zu überprüfen. Die Punkte müssen über ihre Nummern oder das Attribut id zugeordnet sein.

• Annehmen, dass Tetrahedral Volume auch Dehnung und Scherung löst. Dieses Constraint dient der Erhaltung des Volumens; zusätzliche Distanz-Constraints können erforderlich sein.

• Bei jedem Kollisionsproblem den Wert von Collision Passes erhöhen. Kollisionsdurchläufe sind rechenintensiv; in manchen Fällen kann eine Erhöhung von Substeps geeigneter sein.

• Global Substeps verwenden, ohne die Auswirkungen auf den Speicherbedarf einzukalkulieren. Diese Option speichert alle Zwischenschritte und benötigt pro Frame mehr Speicher.

• Bei Cloth-Constraints Triangle Stretch auswählen und Anisotropie über Enable Warp/Weft erwarten. Laut Dokumentation unterstützt diese Kombination keine Anisotropie.