虛擬觸覺設(shè)計(jì)Freeform在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

胡瑞波, 徐人平, 向極鼎

(1.昆明理工大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院， 云南 昆明 650093; 2.湖北民族學(xué)院藝術(shù)學(xué)院, 湖北 恩施 445000)

0 引 言

虛擬技術(shù)的出現(xiàn)，為人們更充分地獲取和理解信息提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐.虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)也是基于快速原型技術(shù)平臺(tái)的快速產(chǎn)品開發(fā)中知識(shí)發(fā)酵體系的重要組成部分，其與RP相結(jié)合主要完成知識(shí)創(chuàng)新功能系統(tǒng)中虛擬原型與物理原型隱形知識(shí)和顯性知識(shí)的反復(fù)轉(zhuǎn)換.虛擬設(shè)計(jì)能有效促進(jìn)知識(shí)消化、知識(shí)轉(zhuǎn)化、知識(shí)增長(zhǎng)和知識(shí)擴(kuò)散，得到富含新思想、新知識(shí)的物理原型.在知識(shí)發(fā)酵體系中，運(yùn)用虛擬概念設(shè)計(jì)、虛擬觸覺設(shè)計(jì)、虛擬裝配設(shè)計(jì)、三維立體圖像、三維虛擬聲響、接觸力量反饋、三維實(shí)時(shí)交互等功能，設(shè)計(jì)師可以在具有自主性、交互性和沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種設(shè)計(jì)、分析、評(píng)價(jià)和仿真，從定性和定量的綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而幫助深化概念和萌發(fā)創(chuàng)意[1-3]，因此研究該技術(shù)是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的一種有效途徑.

1 虛擬觸覺設(shè)計(jì)的概念及特征

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是一種可改善人與計(jì)算機(jī)的交互方式、提高計(jì)算機(jī)可操作性的人機(jī)界面綜合技術(shù)，它利用多媒體計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)成了一個(gè)特殊的環(huán)境，用戶可以通過各種傳感系統(tǒng)與這種環(huán)境進(jìn)行自然的交互，從而體驗(yàn)比現(xiàn)實(shí)世界更豐富的感受，其設(shè)計(jì)過程有3個(gè)基本特征：自主性、交互性、沉浸感(如圖1所示).其中，3個(gè)“I”基本特征沉浸感最引人注目，這種環(huán)境給人以極大的想象空間，使人的創(chuàng)造性思維得到極大的發(fā)揮.所謂力反饋(Force Feedback)，實(shí)際上是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它運(yùn)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，從而提供一個(gè)嶄新的人機(jī)交互界面.通俗地講，力反饋實(shí)際上就是運(yùn)用“作用力與反作用力”的原理來欺騙人們的觸覺，達(dá)到傳遞力度和方向信息的目的.它有兩個(gè)基本特征：接觸反饋與力量反饋，當(dāng)人與物交互時(shí)得到的觸覺信息有兩種：一種是表面信息，即皮膚與物接觸所感受到的信息；另一種是肌肉知覺信息，即通過四肢的位置與運(yùn)動(dòng)的方向所產(chǎn)生的力量.虛擬觸覺系統(tǒng)中操作者的大腦向手發(fā)出指令，做出不同的手勢(shì)動(dòng)作并進(jìn)行各種操作，啟動(dòng)數(shù)據(jù)手套，由PHONTOM系統(tǒng)操作桿中的傳感器將手的動(dòng)作數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過一定的算法來指揮雕刻刀進(jìn)行雕刻.此外，計(jì)算機(jī)對(duì)虛擬手或雕刻刀與虛擬物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)，而后將位置、力量信號(hào)反饋給數(shù)據(jù)手套或操作桿.而數(shù)據(jù)手套和操作桿可根據(jù)這些信息啟動(dòng)觸覺執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過對(duì)手進(jìn)行各種按摩動(dòng)作、阻礙運(yùn)動(dòng)的方式，使用戶體會(huì)到各種觸覺感知.另外，用戶也可以通過視覺、聽覺等對(duì)手或者雕刻刀的動(dòng)作得到附加反饋(如圖2所示).

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)的3I圖 圖2 虛擬觸覺系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2 觸覺式虛擬設(shè)計(jì)

觸覺式虛擬設(shè)計(jì)Freeform的出現(xiàn)徹底改變了人機(jī)界面，使設(shè)計(jì)過程充滿了智慧和創(chuàng)意，而無需再受傳統(tǒng)模型制作工具的種種限制，它的誕生標(biāo)志著造型設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期.隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，要求企業(yè)大幅提高產(chǎn)品開發(fā)的速度和提升產(chǎn)品多功能的需求，以應(yīng)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)周期不斷縮短的挑戰(zhàn).對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師來說，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代IT產(chǎn)業(yè)的要求.雖然CAD/CAE/CAM等系統(tǒng)可以代替一部分手工勞動(dòng)，但是由于CAX系統(tǒng)的局限而使得設(shè)計(jì)師難以對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證和及時(shí)的修改，不能夠讓制造商、客戶充分的理解設(shè)計(jì)思維.因此，觸覺式虛擬設(shè)計(jì)便在這種環(huán)境下得以產(chǎn)生和發(fā)展.

1.2.1 自由雕塑

虛擬現(xiàn)實(shí)中力的反饋技術(shù)的出現(xiàn)給設(shè)計(jì)界帶來了極大的鼓舞.在造型設(shè)計(jì)過程中人們希望看到和聽到屏幕上的數(shù)字模型，并且可以“觸摸”到這個(gè)模型和感受到它的存在.更進(jìn)一步來說，人們希望計(jì)算機(jī)屏幕上的那個(gè)模型就像實(shí)際中的黏土一樣，設(shè)計(jì)師可以利用PHONTOM的硬件設(shè)備進(jìn)行自由的雕刻和刻畫，當(dāng)?shù)毒呓佑|到要雕刻的素材(Clay，數(shù)字黏土)時(shí)，會(huì)有一個(gè)力量反饋到手臂上，讓操作者有“觸摸”到模型的感覺.利用這一不可思議的工具，設(shè)計(jì)師完全可以“觸摸”、“操作”和“創(chuàng)作”計(jì)算機(jī)中數(shù)字虛擬的實(shí)體，而不受制于鍵盤和鼠標(biāo)的束縛.從一定意義上來說，這樣的造型設(shè)計(jì)就被稱之為“自由雕刻”.在現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，這項(xiàng)技術(shù)可以為設(shè)計(jì)師創(chuàng)造一個(gè)自由的設(shè)計(jì)空間，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思維，幫助設(shè)計(jì)師在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建虛擬模型，完成設(shè)計(jì)師對(duì)不同設(shè)計(jì)的要求.

1.2．2 Freeform系統(tǒng)的構(gòu)成

Freeform造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Freeform modeling system)采用3D Touch技術(shù)應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)，其基本構(gòu)成元素有3個(gè):PHANTOM、GHOST和CLAY.“PHANTOM”是一個(gè)硬件接口，它是一個(gè)小巧、灰黑色的簡(jiǎn)單手臂式電子筆和操作系統(tǒng)(Stylus),利用一些雕刀工具進(jìn)行數(shù)字黏土.GHOST是一個(gè)軟件系統(tǒng)，如同“觸覺引擎”，又像人體大腦的神經(jīng)反映，可以稱為Freeform系統(tǒng)的靈魂.CLAY也稱“數(shù)字泥土”或者“虛擬泥土”，使用電子筆可以在上面雕刻，并在顯示屏上看到其效果.

1.2 .3 3D Touch技術(shù)

Freeform造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用3D Touch技術(shù)，并成功地將其應(yīng)用于臺(tái)式機(jī).3D Touch是一種力反饋技術(shù)，經(jīng)由操作者的手握著一支電子筆來旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，計(jì)算機(jī)屏幕里的雕刻刀便跟著旋轉(zhuǎn)和移動(dòng).當(dāng)?shù)窨痰督佑|到模型時(shí)，會(huì)有力量反饋到手握的電子筆上，讓操作者感受到接觸時(shí)的力量，在雕刻之前用戶還可以設(shè)定模型的軟硬度，從而決定雕刻所需的力量.3D Touch技術(shù)的產(chǎn)生徹底改變了設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)面前進(jìn)行3D繪圖的工作方式，并能真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)，直接使用精確的數(shù)字黏土，像真實(shí)的雕刻一樣進(jìn)行操作設(shè)計(jì).3D Touch技術(shù)使得造型設(shè)計(jì)更自然、更有效和更直接，而且具有連續(xù)性和雙向的互動(dòng).因此，這項(xiàng)技術(shù)能夠帶給使用者更有效、更精確及更有趣的工作體驗(yàn).

1.2.4 Freeform的系統(tǒng)操作

到目前為止，F(xiàn)reeform系統(tǒng)被認(rèn)為是最直觀和高效的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)軟件，它不但能夠兼容CAD軟件的操作方式，而且具有獨(dú)特的產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段，其自然和直觀的操作方式以及多樣的實(shí)體編輯方法大大拉近了設(shè)計(jì)對(duì)象與設(shè)計(jì)師之間的關(guān)系.Freeform的操作系統(tǒng)分為兩部分：第一個(gè)部分是自然草繪，在Freeform系統(tǒng)中，繪制產(chǎn)品草圖可以徹底擺脫鼠標(biāo)與鍵盤的限制，設(shè)計(jì)師不必再花大量的時(shí)間去修改一條能反映產(chǎn)品外觀造型的自由曲線，而只需要用手握著PHANTOM的電子筆進(jìn)行繪制，就像用手拿著鉛筆在紙上畫畫一樣簡(jiǎn)單自然.第二部分是直觀建模，為了方便設(shè)計(jì)師的建模方式，F(xiàn)reeform提供了與CAD軟件相似的操作界面設(shè)計(jì)和方法，如拉伸(extend)、旋轉(zhuǎn)(rotate)、凸臺(tái)(emboss)、掃描(sweep)、放樣(loft)、混合(blend)和凹槽(groove)等.此外，F(xiàn)reeform還提供了其他幾種自然且方便操作的建模手段，如抓取(grab)、雕刻(carve)、拖拽(tug)、圓滑(smooth)、推擠(smudge)等.

2 虛擬觸覺設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 大體的造型突出骨骼

首先使用Skech工具欄下的Pencil工具，畫出馬的大體形狀，然后使用Freehand curve工具畫出二維線條，再使用Erase All Pencil Marks 工具將前面的鉛筆稿擦干凈，選擇Construct Clay工具欄下的Inflate工具，得出一個(gè)膨脹的三維空間.最后，使用Sculpt Clay工具下的Smooth工具使之平滑，得出馬的大體造型(如圖3所示).大型造好之后，使用Sculpt Clay工具欄下的Carve with ball、Carve with cube、Carve with scraper等工具進(jìn)行雕刻，完成之后再使用Freehand curve工具畫出二維線條，畫出腳趾的大概位置，然后使用Sculpt Clay工具欄下的Smooth Area工具，畫出腳趾(如圖4所示).

2.2 畫出其他部位及進(jìn)行細(xì)節(jié)雕刻

在上一步造型的基礎(chǔ)上新建一個(gè)圖層，使用Construct clay工具欄下的Basic Shapes工具中的圓錐形畫出一個(gè)馬的耳朵，再使用Sculpt Clay工具欄下的Carve with ball 、 Carve with cube 、Carve with scraper等工具進(jìn)行雕刻，將馬的耳朵的造型精細(xì)地造型好，最后使用mirror clay工具使之鏡像，得出馬耳朵的基本造型，馬的腳和其他的造型可用同樣的辦法做出來.然后，使用Sculpt Clay 工具欄下的Smooth工具，根據(jù)實(shí)際需求畫出馬的眼睛、鼻子和嘴巴等細(xì)節(jié)，最后使用Deform clay工具欄下的Tug工具進(jìn)行調(diào)整，最終完成馬的基本造型(如圖5所示).

圖3 馬的大體造型 圖4 馬身體的細(xì)部刻畫 圖5 馬的最終效果

2.3 實(shí)體模型抽殼及分模線的檢測(cè)

將雕刻好的實(shí)體模型根據(jù)需要進(jìn)行抽殼，首先利用pieces下的create offset piece工具輸入需要的厚度進(jìn)行薄殼，完成這個(gè)步驟之后，實(shí)體模型處于空殼狀態(tài).此時(shí)需要注意的是產(chǎn)生的內(nèi)核不能夠直接使用，主要原因是有過多的毛刺和棱角.于是需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行平滑處理.修改內(nèi)核平滑后，在negative offset piece工具欄下選擇remove clay from將內(nèi)核挖空，于是該模型呈現(xiàn)內(nèi)空狀態(tài)(如圖6、7所示)，然后使用mold工具欄下的fix draft工具來檢測(cè)分模面的合理度.在此，合理與不合理的區(qū)域分別用不同的顏色標(biāo)注，由此用戶可根據(jù)不同顏色的不同顯示來調(diào)整合理度，最后利用mold工具欄下的parting line curve產(chǎn)生分模線，將模型分為兩個(gè)部分，以滿足模具的制作和批量化生產(chǎn)組裝的需要.紅色表示合理的狀態(tài)，黃色表示不合理的狀態(tài)，藍(lán)色表示存在不合理的隱患(如圖8所示).此時(shí)，運(yùn)用直觀的模型將其調(diào)整到合理狀態(tài)(如圖9所示).

圖6 平滑內(nèi)核 圖7 空殼效果 圖8 分模型的檢測(cè)

圖9 各種顏色分模型檢測(cè)的效果

3 虛擬觸覺設(shè)計(jì)Freeform在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性

3.1 直觀和良好的人機(jī)交互性

自從Freeform軟件誕生以來，就以簡(jiǎn)單的操作取代了令人頭痛的計(jì)算機(jī)復(fù)雜程序，把數(shù)位工具所獨(dú)具的彈性及其功能帶到了實(shí)體的模型上.它不需要像學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的三維建模軟件那樣，需要花上很多時(shí)間才能熟悉其功能和操作的方式；也不需要不斷地練習(xí)來維持對(duì)軟件的熟悉度，F(xiàn)reeform系統(tǒng)就像設(shè)計(jì)師平時(shí)拿著一支筆使用一樣的容易，它使工程師能夠利用觸覺來拖拽、繪畫和建模，并且可以雕刻模型的內(nèi)外表面，使用者能夠通過自然的方式去完成他們的數(shù)字模型，效率比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法高得多.Freeform軟件的操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的建模方式相比較，其優(yōu)點(diǎn)是相當(dāng)突出的，有利于發(fā)揮藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師的藝術(shù)構(gòu)思、藝術(shù)沖動(dòng)、藝術(shù)技巧和設(shè)計(jì)靈感.

3.2 兼容性好并符合工作流程

Freeform的兼容性也非常好，可以輸入pds 、ai 、obj、 ply 、stl 、step、 iges、 bmp、 jpg和 ai等文件格式，同時(shí)也可以輸出stl、 iges、 step 、bmp 、zcp、 ply等文件格式.Freeform系統(tǒng)可以利用所包含的表面工具創(chuàng)建并輸出IGES表面，兼容第三方表面解決方案，其輸出的STL文件可以直接輸入到快速原型機(jī)中進(jìn)行加工，生成產(chǎn)品原型，或者進(jìn)行裝配與制造，加快了產(chǎn)品開發(fā)速度.

3.3 良好的曲面造型

盡管現(xiàn)在的CAD/CAM系統(tǒng)已經(jīng)能夠支持曲面造型，如B-樣條曲面、Beta曲面、NURBS曲面、Bezier曲面等，但復(fù)雜的操作和繁瑣的控制點(diǎn)來調(diào)節(jié)面的特性壓抑了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)能力，不利于設(shè)計(jì)師創(chuàng)造出更合理、人性化的產(chǎn)品設(shè)計(jì).自從Freefrom誕生以來，就以簡(jiǎn)單的操作、隨意造型的曲面以及自由添加黏土的優(yōu)勢(shì)搶抓了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高峰.設(shè)計(jì)師可以根據(jù)自己不同的想法和創(chuàng)意設(shè)計(jì)出不同的造型，利用其簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)發(fā)揮自己獨(dú)特的創(chuàng)意.

3.4 易于擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的束縛

虛擬觸覺式軟件Freeform的誕生使產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程煥然一新，主要表現(xiàn)在：一是易于被設(shè)計(jì)師學(xué)習(xí)和應(yīng)用.它以簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)程序代替了令人頭痛的計(jì)算機(jī)程序，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員必須專門進(jìn)行培訓(xùn)再上崗的程序，通過“虛擬泥土”和“力反饋”以及良好的人機(jī)界面給設(shè)計(jì)師創(chuàng)造了逼真的模擬空間.二是易于擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的束縛.在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師只能通過鼠標(biāo)和鍵盤在熟悉工具的情況下，一個(gè)命令、一個(gè)命令地進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)結(jié)果顯得非常的生硬.而Freeform以其良好的人機(jī)界面、自用的曲面等功能受到了設(shè)計(jì)師的喜愛和歡迎.三是易于發(fā)揮設(shè)計(jì)師的智慧.通過真實(shí)的模擬和良好的人機(jī)界面，在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)師就好像真實(shí)的設(shè)計(jì)一樣，易于形成富有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法.

3.5 易于快速生產(chǎn)和降低損失

虛擬觸覺式軟件Freeform的兼容性非常好，它能輸入輸出多中不同格式的文件，并能與當(dāng)前大部分的設(shè)計(jì)制圖軟件結(jié)合運(yùn)用，也能從設(shè)計(jì)制圖到模型制作再到最后的成品結(jié)合起來設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到最后成品一條龍的生產(chǎn).同時(shí)，它也適合用于小批量的生產(chǎn)，而且設(shè)計(jì)成本低廉，適合于中小企業(yè)采用.這樣的成品設(shè)計(jì)有利于贏得廣大消費(fèi)者的歡心和愉悅，因而容易走向市場(chǎng)，獲得利潤(rùn)和回報(bào).

4 結(jié)束語

虛擬觸覺設(shè)計(jì)無疑是21世紀(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，自從其誕生以來就以良好的用戶界面、寬廣的兼容性、自由的操作系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)而很快贏得了設(shè)計(jì)界的好評(píng)，并被廣泛地應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中去.它的運(yùn)用有利于設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維的展現(xiàn)和快速生產(chǎn)，并有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展，可以產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益.

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