基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設(shè)計(jì)開發(fā)

陳 龍， 王坤茜， 徐人平， 王浩軍

(1.昆明理工大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院, 云南 昆明 650093；2.北京化工大學(xué)北方學(xué)院藝術(shù)院, 河北 廊坊 065201)

0 引言

經(jīng)濟(jì)學(xué)家Little的研究表明，一種新產(chǎn)品推向市場(chǎng)晚6個(gè)月，將導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)利潤(rùn)下降15%到35%[1].玩偶玩具因其受眾廣、利潤(rùn)高，因此具有很強(qiáng)的市場(chǎng)開發(fā)價(jià)值.傳統(tǒng)的玩偶玩具設(shè)計(jì)開發(fā)需要3個(gè)月以上的時(shí)間，開發(fā)過(guò)程需要的人力多、周期長(zhǎng)、成本高，導(dǎo)致產(chǎn)品市場(chǎng)響應(yīng)慢，已經(jīng)逐漸無(wú)法適應(yīng)新的市場(chǎng)變化的需要.虛擬觸覺設(shè)計(jì)系統(tǒng)FreeForm是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真建立虛擬實(shí)體模型的工具，其優(yōu)秀的人機(jī)交互利于提高設(shè)計(jì)師建模的速度和質(zhì)量，其模型能夠?qū)涌焖俪尚蜋C(jī)，從而在設(shè)計(jì)和制造兩方面提高效率.

圖1 PHANTOM

1 觸覺式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)FreeForm

1．1 FreeForm概況

FreeForm是以1990年美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)開發(fā)的研究項(xiàng)目，全稱觸覺式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，由美國(guó)SensAble Technologies公司制造.該系統(tǒng)包含了硬件和軟件兩部分，基于PC平臺(tái)，其主要構(gòu)成有PHANTOM、GHOST和Clay.PHANTOM是一個(gè)硬件接口(如圖1所示)，其連接的連桿物件稱為操縱桿(Stylus)，具有6個(gè)方向的自由度，為使用者的核心硬件.GOHST是為FreeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)專門開發(fā)的核心軟件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理復(fù)雜的交互運(yùn)算，即時(shí)提供觸覺信號(hào)，同時(shí)把現(xiàn)實(shí)的操作信號(hào)處理后反映在顯示屏幕上.Clay是FreeForm系統(tǒng)處理的對(duì)象，稱為“虛擬黏土”，也是軟件系統(tǒng)，操作者在屏幕上看到的操作效果都是由虛擬黏土表現(xiàn)出來(lái)的.

此外，這套系統(tǒng)中還提供了專用的操作軟件，包含豐富的操作工具,供編輯虛擬黏土.

1．2 FreeForm系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是人們對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)器非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化及交互操作的一種方法.

FreeForm的最大特點(diǎn)在于操作過(guò)程的可觸性，其核心技術(shù)為反饋技術(shù).Burdea.G.1993年在Electro國(guó)際會(huì)議上提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角”，即immersion(沉浸)、interaction(交互)、imagination(想像)三者相互依存[2].力反饋技術(shù)大大提高了交互性，從而提高了想像力和沉浸感.

圖2 FreeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)操作原理

1.2.1 FreeForm中的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)原理

圖2給出了FreeForm操作系統(tǒng)中各要素是如何發(fā)生關(guān)系，并最終完成人機(jī)虛擬環(huán)境的交互的.

參與者在虛擬環(huán)境中的活動(dòng)經(jīng)歷有兩種形式：一種是主觀參與( First-person activities)，另一種是客觀參與(Second-person activities).主觀參與時(shí)，參與者是整個(gè)經(jīng)歷的中心，一切圍繞參與者進(jìn)行；客觀參與時(shí)，參與者則可以在虛擬環(huán)境中看到自身與其他物體的交互.Freeform的設(shè)計(jì)依據(jù)被動(dòng)性設(shè)計(jì)原理，讓操作者在接觸到虛擬黏土?xí)r，計(jì)算機(jī)才實(shí)時(shí)發(fā)出信號(hào)給予電子桿一個(gè)與法平面相反的力，讓人感受到虛擬實(shí)體的存在.

1.2.2 力反饋技術(shù)的應(yīng)用

所謂的力反饋技術(shù)(Force Feedback)實(shí)際上是一種讓人感知真實(shí)或虛擬環(huán)境中力的作用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，目前此技術(shù)應(yīng)用已逐漸廣泛，在醫(yī)療、機(jī)器人、游戲、模擬航天航空飛行訓(xùn)練等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用.FreeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)Phantom提供給操縱桿精確的力反饋，當(dāng)虛擬空間的雕刀觸及虛擬油泥時(shí)，現(xiàn)實(shí)空間的連桿物件會(huì)發(fā)出一個(gè)法向相反的力，使得設(shè)計(jì)師的雕刻過(guò)程真實(shí)可觸.

1.3 FreeForm的使用

使用者使用的核心硬件是PHANTOM上的一個(gè)具有6個(gè)自由度的操作桿(Stylus),配合鍵盤進(jìn)行模擬真實(shí)油泥雕刻的設(shè)計(jì)過(guò)程，PHANTOM提供了精確的力反饋輸出，讓使用者在“雕刻”過(guò)程中實(shí)時(shí)感受到“油泥”的硬度、紋理、摩擦力等.

FreeForm提供了Curve(線編輯)、Planes(平面編輯)、Sketch(草繪)、Construct Clay(構(gòu)建黏土)、Sculpt Clay(雕刻黏土)、Detail Clay(細(xì)化黏土)、Deform Clay(變形黏土)、 Select/move Clay(選擇移動(dòng)黏土)、Patches/Solids(曲面建模)、Rending(渲染)、Mold(模具)、Utility(顯示)12大工具欄，每個(gè)工具欄中包含眾多子工具.其中Construct Clay(構(gòu)建黏土)、Sculpt Clay(雕刻黏土)、Detail Clay(細(xì)化黏土)、Deform Clay(變形黏土)和Select/move Clay(選擇移動(dòng)黏土)5種工具欄中的子工具對(duì)構(gòu)建黏土模型十分重要.用戶能夠利用抓取、生長(zhǎng)、鏡像等子工具方便地對(duì)數(shù)字黏土進(jìn)行造型，其中還能利用三視圖準(zhǔn)確建模，利用位圖浮雕(emboss)生成浮雕紋理，這對(duì)于玩偶玩具中毛發(fā)的制作提供了簡(jiǎn)便途徑.Patches/Solids(曲面建模)用來(lái)補(bǔ)充此系統(tǒng)對(duì)于NUBRS曲面建模的不足，利用其子工具能夠在數(shù)字黏土上產(chǎn)生連續(xù)性在G2以上的光滑曲面，并能夠轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格，從而較好的適應(yīng)現(xiàn)代市場(chǎng)消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品造型美感的要求.Mold(模具)工具欄下提供了Parting Line(產(chǎn)生分模線)、 Curve、Fix Draft(修正脫模角)、Shell(抽殼)、Split Joint(產(chǎn)生止口)4個(gè)基本工具，對(duì)模型的快速成型和模具的制作有較大的幫助.

2 應(yīng)用開發(fā)實(shí)例

2.1 草模建立方法選擇

使用Plane工具欄下的create plane及sketch 下的sketch on plane、import下的image，在左右頂前3個(gè)視圖輸入三視圖.使用curves下的freehand curve畫出三視圖邊界線，改變圖片透明度，調(diào)整對(duì)齊視圖.采用分件制作的方法，在頂視圖使用curves下的freehand curve畫出頭、軀干、耳朵大致輪廓閉合曲線.結(jié)合輔助視圖，利用construct clay下的add clay，選擇錐形增加做出頭部基本形,利用construct clay下的inflate選擇頂視圖上的各部分閉合曲線膨脹出基本形，并移動(dòng)至合適位置(如圖3所示).

圖3 對(duì)齊視圖建立各部分基本形體 圖4 基本形態(tài)的建立

圖5 模型的細(xì)化

利用deform clay下的tug工具修改各部分并大致與各視圖對(duì)齊.利用add clay球形增加模式配合各視圖制作出四肢及頸部.各部分使用不同的層級(jí)，以便能夠分別編輯修改互不影響.使用construct clay下的wire cut clay將模型地面剪裁平齊以便成品能夠穩(wěn)放平面.至此基本草模建立完成(如圖4所示).

圖6 最終實(shí)體模型和渲染效果圖

2.2 精細(xì)模型方法

使用tug工具配合頂視圖塑造動(dòng)漫形象的五官，使用add clay加入眼球，利用微調(diào)工具塑造頭部細(xì)部特征，使用carve with corn dog切出手指基本形態(tài)(如圖5所示).

使用sculpt clay下的smudge制作頭部羊毛豐富的特征，平滑犄角至自然狀態(tài).使用curve下的 draw curve在模型上繪制嘴輪廓，執(zhí)行tug area制作基本嘴輪廓，再用tug+smooth細(xì)化自然.Combine各個(gè)層級(jí)(部件)，使用soomth工具整體平滑至理想狀態(tài).使用sculpt clay下的smudge細(xì)部修改毛發(fā)至自然狀態(tài).至此模型外觀制作完畢.

2.3 實(shí)體模型抽殼

最終的實(shí)體模型根據(jù)需要可以利用pieces下的create offset piece工具輸入需要的厚度進(jìn)行薄殼，完成的模型將為空殼狀態(tài).這里要注意所產(chǎn)生的內(nèi)核不能夠直接使用，因?yàn)橛羞^(guò)多的毛刺和棱角，因此要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行平滑處理，修改內(nèi)核平滑后，在negative offset piece下選擇remove clay from，將內(nèi)核挖空，至此模型呈現(xiàn)中空狀態(tài)，如圖6～圖8所示.

圖7 將內(nèi)核調(diào)整至平滑，以產(chǎn)生光滑的內(nèi)壁 圖8 抽殼后的模型

2.4 分模線檢測(cè)

mold下的fix draft工具可以檢測(cè)分模面合理度，并用不同顏色區(qū)分合理與不合理區(qū)域，用戶可以在此狀態(tài)下根據(jù)顏色將模型修改至合理狀態(tài)，并利用mold下的parting line curve產(chǎn)生分模線，將模型分為兩個(gè)部分，便于模具的制作和批量化生產(chǎn)組裝的需要.藍(lán)色表示合理，黃色表示存在不合理隱患，紅色表示不合理.運(yùn)用此方法能夠直觀地將模型修改至拔模需要的合理狀態(tài).此外，軟件還能夠提供有效的拔模角方案(如圖9所示).

2.5 通過(guò)RP和RT制作模具并批量生產(chǎn)

FreeForm提供了多種接口(.stl、.step、.iges、.bmp、.jpg等)，這里選擇容易讓快速成型機(jī)識(shí)別的stl格式對(duì)模型進(jìn)行LOM制作原型.鑒于玩偶玩具形狀的復(fù)雜性，制模時(shí)使用硅膠模具,此種方法數(shù)小時(shí)便能制作成型，并進(jìn)行批量生產(chǎn).

圖9 分模線的檢測(cè)

3 玩具設(shè)計(jì)開發(fā)中FreeForm系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

FreeForm憑借其成熟“3D Touch”技術(shù)成為玩具行業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)不可或缺的工具之一，很多世界名廠商都是其客戶，如Disney、McDonlad、Ha11mark、MIC以及Mattel等[3]，它具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)良好的造型功能.傳統(tǒng)CAD軟件的操作是基于“特征”的概念進(jìn)行造型設(shè)計(jì)的，典型的特征語(yǔ)義有槽、孔、加強(qiáng)筋等，此類軟件不能滿足生物模型的建立需要.

現(xiàn)代的CAD/CAM系統(tǒng)為適應(yīng)產(chǎn)品在外觀上的需求，已經(jīng)支持“曲面特征”，如Bezier曲面、B-樣條曲面、Beta曲面、NURBS曲面等，但都要通過(guò)繁瑣的控制點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)面的形態(tài).

FreeForm造型基于“虛擬黏土(clay)”，造型過(guò)程模擬真實(shí)油泥雕刻過(guò)程，兼有曲面造型模塊，滿足了精確的工業(yè)產(chǎn)品級(jí)造型的需求，具有攫取了黏土的可塑性及豐富的表現(xiàn)方式等特性，并且消除了在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)幾何參數(shù)的顧慮，能夠任意地在計(jì)算機(jī)中做以前不敢做的設(shè)計(jì)與變動(dòng).

(2)易于學(xué)習(xí)和掌握.借著直接和 Model的互動(dòng) ，并且通過(guò)熟悉的工具(數(shù)字筆)，利用 FreeForm 不需像學(xué)習(xí)其他3Model軟件那樣要用數(shù)月左右的時(shí)間才能精通設(shè)計(jì)、操作的方式，設(shè)計(jì)者也不需要通過(guò)不斷的練習(xí)來(lái)維持對(duì)軟件的熟悉度.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“3維產(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[4].

(3)良好的人機(jī)交互.傳統(tǒng)的任何一個(gè)造型設(shè)計(jì)軟件均沒有觸覺感知，F(xiàn)reeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于其基于力反饋原理的3Dtuoch技術(shù).Paririck曾在實(shí)驗(yàn)中證明，若在有視頻的人機(jī)交互中加入觸覺感知，其操作準(zhǔn)確率可比之前增加10%.由此可知，F(xiàn)reeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)在人機(jī)交互方面較傳統(tǒng)的CAD軟件能更好的提高操作者的準(zhǔn)確率.

(4)開發(fā)時(shí)間短、成本低廉.傳統(tǒng)的玩偶玩具需要經(jīng)過(guò)工藝雕塑師雕刻油泥、利用雕刻好的油泥制作硅膠模具再利用模具進(jìn)行批量生產(chǎn)3個(gè)過(guò)程，一般至少耗時(shí)3個(gè)月，投資萬(wàn)元以上.

使用FreeForm系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)玩具合并了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過(guò)程，從原型的設(shè)計(jì)完成到批量生產(chǎn)只要1個(gè)星期，成本可控制在千元左右，減少成本一般在50%以上.

(5)設(shè)計(jì)過(guò)程可逆.設(shè)計(jì)過(guò)程的可逆性是指設(shè)計(jì)師能夠?qū)呙韬脤?shí)體的數(shù)據(jù)模型輸入到FreeForm系統(tǒng)中，將其數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為clay，對(duì)其修補(bǔ)和修改，再以全新的模型進(jìn)行制造的過(guò)程.此種方法已經(jīng)應(yīng)用于文物檔案的建立及反求工程等領(lǐng)域.英國(guó)某博物館已經(jīng)成功應(yīng)用其修復(fù)已掃描好的殘缺的文物三維數(shù)字模型，建立了完整的數(shù)字文物樣本.

(6)設(shè)計(jì)過(guò)程綠色化.傳統(tǒng)的玩偶制造玩具樣品定型后如果需要修改，則只能重新制作.開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中雕刻用油泥是一次性的，用后丟棄.FreeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)全數(shù)字化操作，沒有任何“三廢”排除，使得開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程完全綠色化.

4 結(jié)束語(yǔ)

(1) FreeForm的特點(diǎn)：利用力反饋可以實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的可觸性，使用“虛擬黏土”的概念仿真真實(shí)黏土雕刻，其仿真度高.

(2)在玩偶設(shè)計(jì)的實(shí)例中總結(jié)了玩偶設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)開發(fā)流程，即導(dǎo)入四視圖→分件制作草?！?xì)模型→抽殼→分模→導(dǎo)出相應(yīng)格式的RP和RT.

(3)對(duì)比傳統(tǒng)CAD軟件和傳統(tǒng)玩偶制作方法指出了FreeForm系統(tǒng)良好的造型能力、易于學(xué)習(xí)和掌握、設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)綠色化和可逆化等6大優(yōu)勢(shì).

[1]徐人平.快速原型開發(fā)與快速設(shè)計(jì)開發(fā)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,第一版, 2008.

[2]Aukstakalnis.Silicon Mirage: the Art and Science of Virtual Reality[Z].1992

[3]馬路科技顧問(wèn)股份有限公司.整合產(chǎn)品開發(fā)新創(chuàng)舉——FreeForm觸覺式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2006，(1)：44-46.

[4]馬路科技顧問(wèn)股份有限公司. 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.

[5]張家祥.基于MATLAB 6.x的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——虛擬現(xiàn)實(shí)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[6]李 洋.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.