齊秀芝

(寶雞文理學院機電工程系,陜西寶雞721016)

計算機工業(yè)造型建模是指根據工業(yè)產品的設計及功能要求在計算機上生成的三維虛擬模型[1]。計算機工業(yè)造型建模是工業(yè)產品制造過程中的基礎環(huán)節(jié),它決定了產品的最終形態(tài),也為產品應具有的功能特性提供直觀的參考依據。

計算機工業(yè)造型建模方法按實體模型生成的先后順序可分為正向建模、逆向建模、正向和逆向建模相結合三種。逆向工程建模是一種高效的模型生成方法,但其生成的模型必須經過適當的處理,如減噪、取面、曲面調整之后才能使用,這些處理又要依賴正向建模方法。所以從技術上講,逆向建模是以正向建模方法為基礎的。

正向建模按使用的技術又可分為內置模型建模、復合對象建模、多邊形建模、NUBRS建模、網格建模等幾種。

相對于非工業(yè)造型曲面平滑、造型靈活的特點,工業(yè)造型模型的曲面則更加規(guī)律,造型的對稱性更強,因此,工業(yè)造型更多地采用多邊形建模的方法。

1 細分與布線技術解析

細分與布線是多邊形建模的精髓,尤其是當即將呈現的模型細節(jié)豐富,精度要求也非常高時,必須利用細分和布線技術對模型進行精細化操作。

在多邊形建模中,細分就是對模型進行細化,本質上就是通過增加多邊形的面數來使模型產生平滑的效果。它是多邊形建模中非常重要的技術手段。使用多邊形建模從效果上可以分為兩個階段,細分前和細分后,細分前模型比較粗糙和簡陋,細分后的模型會比較平滑,顯得較為精致。

在啟用細分前,還要充分考慮多邊形的原始結構,因為多邊形的原始結構對最終的細分效果起著至關重要的作用。

當啟用了細分后,細分產生的面有著強烈的收縮趨勢,不同的原始結構決定了不同的收縮趨勢,說得更具體一點,不同的收縮趨勢,是由構成不同原始結構的點和邊決定的,原有的點和邊對模型起著牽引和抑制的作用,所以點和邊才是決定細分最終形態(tài)的根本因素。

對點和邊的操作是布線的主要工作,因此布線實質上就是通過對點和邊的編輯來影響最終的細分效果。

原理上,布線的作用體現在三個方面:

1)模型細化;

2)改變頂點的法線方向;

3)調整UV貼圖。

模型的細化是通過增加模型的點和邊進而增加模型的面數實現的。

后兩個方面的作用是通過對頂點和邊的調整實現的,頂點的法線主要用于處理光照,即借助法線獲取頂點相對于場景中光源的位置、距離、夾角等信息,進而計算頂點所在面接受到的光照強度。

UV貼圖指的是帶坐標的紋理貼圖。為了獲得真實的模型渲染效果,紋理貼圖坐標必須和頂點坐標精確對應,如果出現系統處理不了的貼圖誤差,則可以通過手動調節(jié)頂點和邊完成。

盡管細分之后的模型會變得平滑而精致,但細分會使多邊形產生更多的面,這不利于編輯和對模型的處理,所以在進行布線時需要考慮其合理性,一方面在細分效果不變的情況下,減少面的數量;另一方面在對模型邊緣進行精確切角的同時,避免三角面的出現。從技術上講,三角面在多邊形建模中要盡量避免。

2 手機模型的細分布線實例

手機是一種日常生活用品,也是一種時尚的電子產品,材質、工藝和性能決定了其主要價值。手機雖然小巧,但高端手機卻造型美觀,制作精良,而且零件較多。為了在手機模型中實踐細分與布線技術,選取造型稍微復雜的手機形態(tài),作為應用實例。本實例是一種翻蓋折疊類型的手機,主要部分包括主體、側面板和頂蓋,建模軟件采用3D max2010 64bit professional版。

2.1 簡模創(chuàng)建

1)主體形態(tài)的創(chuàng)建

根據手繪造型,選擇最接近主體的基本形態(tài)進行創(chuàng)建,該例中用到的基本形態(tài)為切角長方體。接下來把基本形態(tài)轉化為可編輯多邊形,然后利用connet連接命令進行初級布線,創(chuàng)建更多的面,通過對邊、面進行拉伸和擠壓,對頂點的個數和位置進行調節(jié),創(chuàng)建出手機的主體形態(tài)。如圖1和圖2所示。

圖1 主體形態(tài)的創(chuàng)建

圖2 主體形態(tài)的完成

2)側面功能區(qū)創(chuàng)建

為了保持和手機主體部分的側面形狀相同,側面采用從主體復制的方式創(chuàng)建。然后采用類似主體的處理方法,轉化為可編輯多邊形,初級布線,創(chuàng)建更多的面。通過對點、邊、面進行擠壓拉伸、倒角等一系列操作后,完成側面基本形態(tài)創(chuàng)建。從圖3和圖4中能清楚看到形狀類似的對象在布線時應注意的一些差異細節(jié)。

3)頂蓋部分創(chuàng)建

圖3 右側形態(tài)的創(chuàng)建

圖4 左側形態(tài)的創(chuàng)建

頂蓋部分基本形態(tài)的創(chuàng)建方法和手機主體類似,但更復雜。本例做法如下:繪制頂蓋右上角形態(tài)的頂視圖二維樣條,拉伸出右上角的雛形,然后通過對面進行擠出、插入,對頂點和邊進行焊接,刪除多余的面,最終得到如圖5的手機頂蓋的基本形態(tài)。

圖5 頂蓋形態(tài)的創(chuàng)建

2.2 簡模的精細加工

1)主體的細分與布線

對主體形態(tài)的精細加工,主要通過對一些細節(jié)形態(tài)的調整完成,包括使用連接、插入、封口等命令。在邊緣部位使用三邊法進行布線,在布線的基礎上進行一定程度的細分,這樣既能使對象在細分后能夠保持原有的基本形態(tài),同時還能在邊緣產生準確的倒角效果。如圖6所示。

圖6 主體的細分與布線

2)側面部分的細分布線

對側面部分的精細加工,主要是對各個功能按鈕進行再編輯,同時對邊緣部分進行布線處理,得到細分后的精細模型。

側面的功能按鈕,大都以孔的形式呈現。為了在細分后得到圓角矩形孔而非橢圓孔,在矩形孔的腰上需要均勻繪制兩條線,并和原始邊相交。這樣對邊線能起到牽引和拉伸作用,防止其塌陷成橢圓,布線與細分效果如圖7。

圖7 側面的細分與布線

如圖8對左側面和下方的精細加工采用同樣的方式進行通過細分與布線,最終得到如圖9的手機側邊框基本形態(tài)。

圖8 底部的細分與布線

圖9 側面細分與布線完成效果

3)頂蓋部分的細分布線

對頂蓋模型的精細加工,主要也是通過對邊緣進行布線完成的。

但由于頂蓋原始結構復雜,布線也更加復雜,所以對頂蓋邊緣的布線使用三邊法和切角相結合的方式進行。另外,在處理過程中為了保持各線條的完整性,需要將增加的各條線段延伸到外側及后側的邊上。如圖10和圖11。

圖10 頂蓋的細分與布線

圖11 頂蓋細分與布線完成效果

2.3 模型裝配

該手機模型總共有47個零部件,在完成所有零部件的精細建模后,按照該手機的整體結構關系,進行各個部分的連接和裝配,實現完整的手機數字化建模。如圖12和圖13。

圖12 手機爆炸圖

圖13 手機裝配圖

3 細節(jié)處理

在利用細分與布線技術對模型進行精細加工的過程中,存在許多需要注意的細節(jié)問題,如果處理不好,不僅難以提高工作效率,反而會增加模型精細加工的難度。有關細節(jié)敘述如下:

1)細分與布線是兩個操作,應用時,應按先布線、再細分的順序進行。

2)布線工作很少能一次完成,實際應用中,往往是一邊布線細分,一邊觀察效果,然后逐步改進、完善,前期布線的合理性直接決定后期編輯的難易程度,所以布線也要遵循先簡單再復雜的原則,即初級布線要盡量簡化。

3)細分級別直接決定工業(yè)造型模型的精細程度,但細分級別的高低要結合模型的最終形態(tài)加以考慮,不宜太高。比如一立方體,高度上分兩段和分二十段的效果是一樣的,而兩段更利于我們后續(xù)對各個層級的編輯,二十段就不可取。

4)布線要連續(xù)。如果布線不連續(xù),細分后的模型會出現不平整、破洞等各種異常情況,因此,在對一個模型進行布線時,要在多個視圖中仔細檢查布線的連續(xù)性。

5)斷面、多余的點和邊等,也會造成細分后模型的異常。斷面是在對邊進行復制、插入、拉伸操作后,沒有對面進行縫合造成的,這往往是因為兩條邊靠的較近沒被發(fā)現,一旦打開細分,就會發(fā)現因斷面而造成的模型異常。多余的點和邊雖不會造成明顯的模型異常,但會加大后續(xù)編輯的難度,所以,對多余的點和邊,能刪則刪,能焊接的,就焊接在一起。

6)避免三角面的出現。

一個面最少需要三條邊構成,但在專業(yè)繪圖領域,不用三角形,物體一樣可以被編輯和顯示。專業(yè)繪圖之所以更偏向于使用四邊形來繪制物體,一來顯示更加整齊,二來容易和外部的一些采集設備,比如3D掃描儀匹配。

多邊形建模作為一種專業(yè)的建模技術,構建的模型是基于四邊形的。理論上講,它不擅長處理三角面,偶爾出現一兩個三角面,對模型影響不大,但當模型中三角面的數量積累到一定程度時,同樣會有模型異常情況的發(fā)生,所以從布線伊始,就要盡量避免三角面在模型中出現。

4 結語

細分與布線技術是多邊形建模的常用手段,在工業(yè)造型建模中利用細分與布線技術對建模進行加工,方法簡單,操作容易,結合對模型的頂點、邊、邊界和面進行調整,可以得到精確而逼真的數字化模型。不過,細分與布線技術易學難精,使用中有很多應注意的問題,比如細分程度、三角面、斷面等,在創(chuàng)建復雜模型時尤其要注意。總體而言,在高精細建模應用中,細分與布線技術是一種實用而高效的手段,正確應用該技術,能在模型的復雜程度與精細程度之間取得平衡,為工業(yè)造型設計乃至學術科研提供參考依據。

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