基于FreeForm的玩具模型設計

劉 莉，趙正旭，王中義，劉世洋

（石家莊鐵道大學 信息科學與技術學院，河北 石家莊 050043）

在實際建模過程中，有很多模型的曲面自由、復雜，這些曲面是在自由曲線的基礎上生成的，屬于自由曲面，如人臉類生物模型、飛機機翼、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。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域的一個難題。目前，自由曲面設計已經(jīng)成為研究主題［1］。雖然現(xiàn)在的CAD軟件能夠完成復雜的自由曲面建模，但是使用者在建模過程中完全被局限在鍵盤和鼠標上，而且大部分是基于特征和參數(shù)建模，設計出來的產(chǎn)品是可視虛擬模型［2］，建模過程復雜而且無法象手工建模那樣充分展現(xiàn)個人的設計風格。FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)應運而生，該系統(tǒng)設計出來的產(chǎn)品可視、可聽、可觸。

1 FreeForm系統(tǒng)概述

FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)是一套基于力反饋技術的虛擬造型系統(tǒng)?！傲Ψ答伡夹g”是一種虛擬現(xiàn)實技術，它利用先進的技術手段將虛擬物體的空間運動變成周邊物理設備的機械運動，使用戶能夠體驗到真實的力度感和方向感［2］。該系統(tǒng)可以讓使用者融合視覺、聽覺和觸覺來完成復雜3D模型建構，為用戶提供了沉浸感良好的人機交互界面。

1.1 系統(tǒng)結構

該系統(tǒng)由觸覺設備PHANTOM、軟件平臺FreeForm Modeling Plus和SDK開發(fā)包構成。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輸入和準確的力回饋輸出，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數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模式，由數(shù)萬個三角網(wǎng)格構成，這一特性使用戶可以通過觸控筆控制雕刻刀對數(shù)字粘土進行自由造型。

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

1.2 與其它軟硬件的配合

功能強大的軟件不僅體現(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)設計結合，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設備實現(xiàn)無縫鏈接。可以直接輸出數(shù)據(jù)給CAD／CAM軟件進行機構設計、模具設計或CNC加工；也可以輸出給RP做快速原型；還可以輸出到動畫軟件做動畫的處理。

2 模型設計實例

下面以小狗為例實現(xiàn)模型設計。

2.1 建立草模

2.1.1 導入視圖

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)頂視圖和側視圖上的輪廓線膨脹出耳朵、尾巴并將其移動到合適的位置，注意，該指令適于創(chuàng)建和基本形狀相差較遠、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行微調，注意，為了避免微調以后的3D輪廓線脫離實體，微調以后要使用“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”指令調整各部分細節(jié)。

形體的各個部位調整好以后將各個圖層合并，合并以后還要使用“smooth”＋“tug”＋“tug area”指令調整個部位的接縫處。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”指令一點點地制作出毛發(fā)，這樣做能夠更好的發(fā)揮設計師的風格，但是制作過程稍微復雜一點。另外，結合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”指令對毛發(fā)進行了處理。

圖4 模型前視圖

2.4 模型渲染

物體的外觀顏色會因為光照的強弱而異，甚至照射到物體上的光的顏色也會對物體的外觀顏色產(chǎn)生影響［5］，所以燈光的設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：點光、聚光、日光，文中根據(jù)需求使用“custom lighting”指令設定燈光效果為“spot light”，并且設置燈光的顏色、調整光源和照射范圍。

圖5 渲染效果圖

2.5 模型抽殼

執(zhí)行pieces→create offset piece，設置薄殼的厚度為4mm，選擇“offset to the inside”選項，執(zhí)行以后產(chǎn)生新的內膽圖層，使用Sculpt Clay工具欄下“smooth area”指令使用反選的方法刪除內膽中的孤立點，以便于后續(xù)加工。在內膽圖層上執(zhí)行“remove clay from”指令將內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機器就可以制作原型了。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

FreeForm系統(tǒng)憑借其“3DTouch”技術已經(jīng)成功應用于玩具、珠寶、鞋底、工藝品、汽車、醫(yī)療、家具等設計領域，并且已經(jīng)成為這些領域的主流設計工具。該系統(tǒng)具有以下幾點優(yōu)勢：第一，系統(tǒng)屬于非曲面架構式軟件，其基于點數(shù)據(jù)的特性能夠充分展現(xiàn)產(chǎn)品的細節(jié)和細膩度。第二，有利于產(chǎn)品的逆向修改。掃描實體得到的數(shù)據(jù)模型被輸入到FreeForm系統(tǒng)后可以進行逆向修改，目前此方法已經(jīng)應用于文物修復等領域。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工作和材料的浪費，使得設計過程衛(wèi)生環(huán)保，降低了設計成本。第四，產(chǎn)品設計階段就是3D數(shù)據(jù)，可以充分發(fā)揮數(shù)字資料的優(yōu)勢，減少設計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，易于學習和掌握。

圖6 模型抽殼

4 結論

FreeForm完全符合現(xiàn)代產(chǎn)品設計潮流及制造的流程，它彌補了“2D”繪圖與“3D產(chǎn)品設計”間的鴻溝，補充了實體模型的不足，并可取代實體模型［6］。對比現(xiàn)有CAD軟件，F(xiàn)reeForm系統(tǒng)在模型的細節(jié)處理、建模的隨心所欲、視聽觸覺的融合上處于領先地位，但還存在一些不足，比如，F(xiàn)reeForm系統(tǒng)建模不是嚴謹?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）結合使用將更能體現(xiàn)出系統(tǒng)優(yōu)勢并大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

［1］ 高雪瑤，孫立鐫.自由曲面設計中的特征模型重構［J］.哈爾濱理工大學學報，2006，11（4）：34－37.

［2］ 李洋，石宗金，楊國先.工業(yè)造型設計中的建模技術研究［J］.機械工程師，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)輸出接口設計與實現(xiàn)［J］.計算機應用研究，2008，25（2）：634－636.

［4］ 陳龍，王坤茜，徐人平，等.基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設計開發(fā)［J］.陜西科技大學學報，2010，28（2）：149－153.

［5］ ［美］Richard S.Wright，Jr.Benjamin Lipchak著，徐波 譯.OpenGL超級寶典（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.最新設計工具——FreeForm觸覺式設計系統(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模型細節(jié)添加與修改［J］.機械設計與制造，2010，（5）：93－95.