虛擬雕刻技術(shù)在人物模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

李建 陳海利 余艷 廖偉生 彭子睿 唐志豪

摘要：現(xiàn)代軟件在工業(yè)設(shè)計(jì)的應(yīng)用十分廣泛，自由曲面建模的需求很大，但是傳統(tǒng)的CAD等軟件建模過程十分困難，尤其是對(duì)于無規(guī)則的曲面模型。人在現(xiàn)實(shí)生活進(jìn)行雕刻會(huì)有很多不可控因素，如材料的浪費(fèi)、人身安全問題等。文中主要介紹了Freeform系統(tǒng)的核心技術(shù)和系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，通過詳細(xì)的人物模型設(shè)計(jì)過程介紹了Freeform系統(tǒng)在人物模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：freeform系統(tǒng)；自由建模；虛擬雕刻；曲面模型

一、虛擬雕刻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)

虛擬觸覺式freeform系統(tǒng)是一套基于力反饋技術(shù)的虛擬造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。而它所應(yīng)用的力反饋技術(shù)則是一種虛擬的雕刻技術(shù)，它利用先進(jìn)的技術(shù)手段將現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物理設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成虛擬空間中實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，使用戶在雕刻過程中通過視覺、聽覺和觸覺的反饋體驗(yàn)到真實(shí)的力度感和方向感。

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

觸覺設(shè)備PHANTOM是硬件接口，它通過“觸控筆”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)字黏土或虛擬油泥、雕刻刀和造型界面。使用戶可以通過觸控筆控制雕刻刀對(duì)數(shù)字黏土進(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。

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。

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)。

系統(tǒng)運(yùn)用的力反饋實(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。虛擬觸覺系統(tǒng)中操作者的大腦發(fā)出指令，做出不同的手勢(shì)動(dòng)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)通過一定的算法用智慧雕刻刀進(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，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)行各種阻礙運(yùn)動(dòng)的方式，使用戶產(chǎn)生觸覺感知。（如圖2所示）。

二、基于freeform的人物模型設(shè)計(jì)

1、建立草模

草繪建模適用于這種隨意模型的建模，能很好地捕捉設(shè)計(jì)師的靈感和創(chuàng)意，非常適用于虛擬產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段。

2、大體的造型

打開Freeform系統(tǒng)軟件，創(chuàng)建新的文件，利用添加黏土工具進(jìn)行堆積。在人物模型設(shè)計(jì)的時(shí)候，先進(jìn)行頭型的設(shè)計(jì)。先用球形黏土進(jìn)行黏土添加，然后使用冰淇淋蛋卷工具，在球形黏土的正面添加一條短的黏土塊，這樣就創(chuàng)建出了頭部模型的臉和下巴。接著是身體部分的添加，同樣應(yīng)用添加黏土工具，調(diào)整黏土的大小來進(jìn)行身體部分的創(chuàng)建，使用側(cè)視圖添加在相應(yīng)的部位添加適當(dāng)?shù)酿ね?，能看出整體的模型。

3、進(jìn)行精細(xì)雕刻

接下來需要對(duì)各部分進(jìn)行細(xì)節(jié)雕刻，例如頭部的雕刻。在做頭部的細(xì)節(jié)雕刻時(shí)，可將其他部分隱藏，打開黏土的信息列表，將頭部以外的部位設(shè)置為不可見。

使用球雕刻工具，雕刻出右眼的凹槽，或者使用雕刻黏土選項(xiàng)中的擠壓工具，然后使用-鍵調(diào)整工具尺寸，雕刻出嘴的凹槽?，F(xiàn)在只需簡(jiǎn)單的雕刻出五官的位置，無需擔(dān)心最終的形狀，因?yàn)樽詈髸?huì)對(duì)重要的部分進(jìn)行優(yōu)化。接下來穿到黏土的內(nèi)部，創(chuàng)造粗糙的下頜線和下巴，這時(shí)只需操作臉型的一半部分就可以。

將工具縮小，在嘴唇部位添加適當(dāng)?shù)奶砑羽ね?，盡量多添加，方便后續(xù)的雕刻。

在模型的內(nèi)部繼續(xù)使用擠壓工具，放開觸筆的按鈕，進(jìn)入黏土的內(nèi)部，按住觸筆按鈕并向外拉出鼻子的黏土材料，然后在眼睛上面位置拉出眉毛的黏土材料，在眉毛部分，要注意稍微降低影響范圍和工具尺寸。同時(shí)，我們可以通過側(cè)視圖來判斷鼻子的厚度。

使用雕刻黏土選項(xiàng)板中的棒雕刻工具銳化下頜線，或使用刮刀雕刻工具進(jìn)行處理模型。利用平滑區(qū)域工具，在下頜和臉的表面區(qū)域標(biāo)記需要平滑的區(qū)域，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，查看效果，覺得滿意后可停止使用這個(gè)工具，在嘴唇和眼眉位置也使用這個(gè)工具。

使用構(gòu)建黏土選項(xiàng)板中的鏡像黏土工具，在默認(rèn)情況下，會(huì)在整體坐標(biāo)系的中心位置顯示，點(diǎn)擊動(dòng)態(tài)欄中的預(yù)覽，設(shè)置動(dòng)態(tài)欄中鏡面的方向，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕完成鏡像成形。

在變形黏土選項(xiàng)板中點(diǎn)擊拖拽工具，點(diǎn)擊動(dòng)態(tài)欄中的實(shí)時(shí)鏡像按鈕，保證在處理模型的一側(cè)時(shí)，另一側(cè)的鏡像模型也會(huì)實(shí)時(shí)更新。將拖拽工具放在眉眼處，拖動(dòng)工具，做成彎曲的眉形，將工具放在嘴角，向上拉。使用+鍵，擴(kuò)大拖拽工具，將臉的下半部分向內(nèi)拉，使得下巴變尖，然后使用-鍵，減小工具的尺寸，在模型的一側(cè)只捕捉臉頰部分。擴(kuò)大拖拽工具，制作人的頭顱，減小工具尺寸，制作眼眶，推動(dòng)鼻梁，調(diào)整眼睛之間的距離。

接下來需要?jiǎng)?chuàng)建人的五官，打開一個(gè)空白文件，先添加黏土工具，再用冰淇淋蛋卷工具，在耳朵處創(chuàng)建一個(gè)錐形的新添黏土形狀，使用拖拽工具，完成耳朵的基本形狀，再使用球雕刻工具，對(duì)耳朵的內(nèi)部進(jìn)行雕刻，添加細(xì)節(jié)并且使其平滑，完成一只耳朵后，使用鏡像成形，生成另一只。使用移動(dòng)工具將制作的耳朵放置在臉部模型的合適位置。

對(duì)進(jìn)行人的眼睛的構(gòu)建，添加一個(gè)橫向的圓柱形黏土，使用球雕刻工具雕刻出眼球部分的凹槽部分，然后使用拖拽工具和光滑工具對(duì)眼睛部分進(jìn)行精細(xì)打磨和雕刻。

對(duì)于身體部分也用同樣的方式進(jìn)行打磨，對(duì)稱部分可使用鏡像黏土工具。再通過一系列工具進(jìn)行修改和打磨，形成最終的形態(tài)。

4、分區(qū)上色

將要上色的區(qū)域進(jìn)行激活，使用黏土上色工具對(duì)已經(jīng)激活的黏土塊進(jìn)行上色。有些細(xì)節(jié)部位不適合使用黏土上色工具的，可以選擇噴槍噴顏色，因?yàn)閲姌屪饔玫膮^(qū)域小，相對(duì)于黏土上色空間可控性較強(qiáng)。

三、總結(jié)

本文主要論述了虛擬觸覺式freeform系統(tǒng)在人物模型設(shè)計(jì)過程的應(yīng)用研究，在人物模型的設(shè)計(jì)造型中，對(duì)于對(duì)軟件的設(shè)備與使用完全不能熟練掌握的非專業(yè)人員，需要從設(shè)備的開機(jī)開始入門，熟悉軟件的操作界面，然后研究該從什么方向開始進(jìn)入人物模型的設(shè)計(jì)。虛擬觸覺式freeform系統(tǒng)的操作界面簡(jiǎn)潔，而且即使是我這樣的非專業(yè)人員使用也是極其容易上手的。且它的兼容性能在設(shè)計(jì)過程中解決很多不必要的麻煩。虛擬觸覺式freeform這種技術(shù)更加有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，大大的縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期。

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