劉 莉，趙正旭，王中義，劉世洋

（石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043）

在實(shí)際建模過程中，有很多模型的曲面自由、復(fù)雜，這些曲面是在自由曲線的基礎(chǔ)上生成的，屬于自由曲面，如人臉類生物模型、飛機(jī)機(jī)翼、汽車車身、輪船船體等的曲線和曲面，他們無法用初等解析函數(shù)清楚地表達(dá)。由于自由曲面的不規(guī)則性使得其分析、建模、制造一直是工程建模領(lǐng)域的一個(gè)難題。目前，自由曲面設(shè)計(jì)已經(jīng)成為研究主題［1］。雖然現(xiàn)在的CAD軟件能夠完成復(fù)雜的自由曲面建模，但是使用者在建模過程中完全被局限在鍵盤和鼠標(biāo)上，而且大部分是基于特征和參數(shù)建模，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品是可視虛擬模型［2］，建模過程復(fù)雜而且無法象手工建模那樣充分展現(xiàn)個(gè)人的設(shè)計(jì)風(fēng)格。FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品可視、可聽、可觸。

1 FreeForm系統(tǒng)概述

FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一套基于力反饋技術(shù)的虛擬造型系統(tǒng)。“力反饋技術(shù)”是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它利用先進(jìn)的技術(shù)手段將虛擬物體的空間運(yùn)動(dòng)變成周邊物理設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使用戶能夠體驗(yàn)到真實(shí)的力度感和方向感［2］。該系統(tǒng)可以讓使用者融合視覺、聽覺和觸覺來完成復(fù)雜3D模型建構(gòu)，為用戶提供了沉浸感良好的人機(jī)交互界面。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由觸覺設(shè)備PHANTOM、軟件平臺(tái)FreeForm Modeling Plus和SDK開發(fā)包構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 FreeForm系統(tǒng)工作原理

觸覺設(shè)備PHANTOM是硬件接口，它通過“觸控筆（stylus）”借助精密的電路板提供了精確的坐標(biāo)輸入和準(zhǔn)確的力回饋輸出，讓使用者能夠感受到3D模型的硬度、摩擦力等。

軟件平臺(tái)FreeForm Modeling Plus中提供了數(shù)字粘土（或虛擬油泥）、雕刻刀和造型界面。數(shù)字粘土采用了基于點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模式，由數(shù)萬個(gè)三角網(wǎng)格構(gòu)成，這一特性使用戶可以通過觸控筆控制雕刻刀對(duì)數(shù)字粘土進(jìn)行自由造型。

OHAE（OpenHaptics Academic Edition）是FreeForm系統(tǒng)的SDK開發(fā)包，用戶可以對(duì)FreeForm的軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，增加新的模型外觀、物理變化和力量效果等，以應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用需求。

1.2 與其它軟硬件的配合

功能強(qiáng)大的軟件不僅體現(xiàn)在自身功能上，也表現(xiàn)在與其他軟硬件系統(tǒng)的兼容性上［3］。

FreeForm系統(tǒng)能夠廣泛接受2D數(shù)據(jù)?？梢暂斎?D圖片（如.jpg.jpeg.bmp）或IGES曲線；可以和平面或工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合，直接輸入Photoshop的.psd或Illustrator的.ai格式的數(shù)據(jù)；可以和逆向工程結(jié)合，輸入掃描數(shù)據(jù)或切片數(shù)據(jù)。

FreeForm系統(tǒng)能夠和其他CAD／CAM軟件、RP設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫鏈接。可以直接輸出數(shù)據(jù)給CAD／CAM軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)或CNC加工；也可以輸出給RP做快速原型；還可以輸出到動(dòng)畫軟件做動(dòng)畫的處理。

2 模型設(shè)計(jì)實(shí)例

下面以小狗為例實(shí)現(xiàn)模型設(shè)計(jì)。

2.1 建立草模

2.1.1 導(dǎo)入視圖

圖2 五視圖

2.1.2 建立基本形體

配合輔助視窗，采用分件制作的方法［4］創(chuàng)建小狗的基本形體。使用Construct Clay工具欄下“add clay”指令創(chuàng)建小狗的頭和腿。使用“inflate”指令依據(jù)頂視圖和側(cè)視圖上的輪廓線膨脹出耳朵、尾巴并將其移動(dòng)到合適的位置，注意，該指令適于創(chuàng)建和基本形狀相差較遠(yuǎn)、曲面形狀比較自由的形體。小狗的基本形體創(chuàng)建完成后，使用Sculpt Clay工具欄下“smooth”指令和Deform Clay工具欄下“tug”指令調(diào)整形體的大概形狀完成草模（如圖3）。

圖3 草模

注意，在形體的創(chuàng)建過程中，要將不同的形體部分放在不同的圖層，以便于后續(xù)的制作和修改。

2.2 草模細(xì)化

使用Curves工具欄下“copy from sketch”指令將頂視圖和前視圖上眼睛、鼻子、嘴巴的2D草圖投影到頭部并進(jìn)行微調(diào)，注意，為了避免微調(diào)以后的3D輪廓線脫離實(shí)體，微調(diào)以后要使用“fit curve”指令將其重新貼附到頭部。使用Deform Clay工具欄下“tug area”指令作出嘴巴的基本形狀。使用Con－struct Clay工具欄下“add clay”指令增加眼珠、鼻子、舌頭，使用Sculpt Clay工具欄下“Smudge”指令挖出鼻孔。最后使用“smooth”＋“tug”＋“tug area”指令調(diào)整各部分細(xì)節(jié)。

形體的各個(gè)部位調(diào)整好以后將各個(gè)圖層合并，合并以后還要使用“smooth”＋“tug”＋“tug area”指令調(diào)整個(gè)部位的接縫處。最后，使用Construct Clay工具欄下“wire cut clay”指令將形體底面剪平時(shí)模型能夠平穩(wěn)著地。

2.3 制作皮毛并著色

在三維建模過程中，生物模型的毛發(fā)最難表現(xiàn)，F(xiàn)reeForm系統(tǒng)提供了制作毛發(fā)的得力功能——浮雕功能。首先使用Curves工具欄下“draw curve”定義浮雕的3D區(qū)域，使用Detail clay工具欄下“em－boss with wrapped image”指令依圖片花紋制作紋理，用Sculpt clay工具欄下“carve with ball”指令調(diào)整紋理接頭處以使紋理看起來自然。

也可以直接使用“carve with ball”指令一點(diǎn)點(diǎn)地制作出毛發(fā)，這樣做能夠更好的發(fā)揮設(shè)計(jì)師的風(fēng)格，但是制作過程稍微復(fù)雜一點(diǎn)。另外，結(jié)合Select／move clay工具欄下“mask”指令和Deform Clay工具欄下“tug”指令同樣能完成毛發(fā)的制作。使用者可以根據(jù)自己的習(xí)慣選擇其中的一種或多種毛發(fā)的制作方法。

為了使毛發(fā)更光順自然，本文使用“smooth”＋“smooth area”指令對(duì)毛發(fā)進(jìn)行了處理。

圖4 模型前視圖

2.4 模型渲染

物體的外觀顏色會(huì)因?yàn)楣庹盏膹?qiáng)弱而異，甚至照射到物體上的光的顏色也會(huì)對(duì)物體的外觀顏色產(chǎn)生影響［5］，所以燈光的設(shè)置在很大程度上影響著渲染的效果。系統(tǒng)提供的燈光效果有：點(diǎn)光、聚光、日光，文中根據(jù)需求使用“custom lighting”指令設(shè)定燈光效果為“spot light”，并且設(shè)置燈光的顏色、調(diào)整光源和照射范圍。

圖5 渲染效果圖

2.5 模型抽殼

執(zhí)行pieces→create offset piece，設(shè)置薄殼的厚度為4mm，選擇“offset to the inside”選項(xiàng)，執(zhí)行以后產(chǎn)生新的內(nèi)膽圖層，使用Sculpt Clay工具欄下“smooth area”指令使用反選的方法刪除內(nèi)膽中的孤立點(diǎn)，以便于后續(xù)加工。在內(nèi)膽圖層上執(zhí)行“remove clay from”指令將內(nèi)膽從小狗模型中挖空，至此模型呈現(xiàn)中空狀態(tài)，執(zhí)行view→cutaway view→define cutaway view，通過輔助視窗察看模型的中空狀態(tài)（如圖6）。

2.6 產(chǎn)生分模線

將模型的STL格式數(shù)據(jù)輸出到RP機(jī)器就可以制作原型了。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

FreeForm系統(tǒng)憑借其“3DTouch”技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于玩具、珠寶、鞋底、工藝品、汽車、醫(yī)療、家具等設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并且已經(jīng)成為這些領(lǐng)域的主流設(shè)計(jì)工具。該系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：第一，系統(tǒng)屬于非曲面架構(gòu)式軟件，其基于點(diǎn)數(shù)據(jù)的特性能夠充分展現(xiàn)產(chǎn)品的細(xì)節(jié)和細(xì)膩度。第二，有利于產(chǎn)品的逆向修改。掃描實(shí)體得到的數(shù)據(jù)模型被輸入到FreeForm系統(tǒng)后可以進(jìn)行逆向修改，目前此方法已經(jīng)應(yīng)用于文物修復(fù)等領(lǐng)域。第三，系統(tǒng)使用虛擬油泥替代了傳統(tǒng)油泥，避免了不必要的重復(fù)工作和材料的浪費(fèi)，使得設(shè)計(jì)過程衛(wèi)生環(huán)保，降低了設(shè)計(jì)成本。第四，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就是3D數(shù)據(jù)，可以充分發(fā)揮數(shù)字資料的優(yōu)勢(shì)，減少設(shè)計(jì)師和工程師之間的溝通，縮短研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。第五，易于學(xué)習(xí)和掌握。

圖6 模型抽殼

4 結(jié)論

FreeForm完全符合現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)潮流及制造的流程，它彌補(bǔ)了“2D”繪圖與“3D產(chǎn)品設(shè)計(jì)”間的鴻溝，補(bǔ)充了實(shí)體模型的不足，并可取代實(shí)體模型［6］。對(duì)比現(xiàn)有CAD軟件，F(xiàn)reeForm系統(tǒng)在模型的細(xì)節(jié)處理、建模的隨心所欲、視聽觸覺的融合上處于領(lǐng)先地位，但還存在一些不足，比如，F(xiàn)reeForm系統(tǒng)建模不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕谔卣骱蛥?shù)建模［7］，所以在產(chǎn)品開發(fā)過程中熟練將FreeForm系統(tǒng)和其他CAD軟件（如Pro／E、Maya、3Ds Max等）結(jié)合使用將更能體現(xiàn)出系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)并大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

［1］ 高雪瑤，孫立鐫.自由曲面設(shè)計(jì)中的特征模型重構(gòu)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11（4）：34－37.

［2］ 李洋，石宗金，楊國(guó)先.工業(yè)造型設(shè)計(jì)中的建模技術(shù)研究［J］.機(jī)械工程師，2007，（4）：94－96.

［3］ 劉溪，候增選，閆鋒欣，等.虛擬油泥造型系統(tǒng)的STL數(shù)據(jù)輸出接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25（2）：634－636.

［4］ 陳龍，王坤茜，徐人平，等.基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設(shè)計(jì)開發(fā)［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（2）：149－153.

［5］ ［美］Richard S.Wright，Jr.Benjamin Lipchak著，徐波 譯.OpenGL超級(jí)寶典（第三版）［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［6］ 馬路科技顧問有限公司.最新設(shè)計(jì)工具——FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］.CAD／CAM 與制造業(yè)信息化，2003，（2）：57－60.

［7］ 吳艷奇，成思源，張湘?zhèn)?，?基于FreeForm的CAD模型細(xì)節(jié)添加與修改［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，（5）：93－95.