基于彩色ER/RP的卡通筆快速設(shè)計(jì)

李瑞鋒 宋明忠 周偉召 馬海彥

摘 要：為克服采用單色三維掃描得到的數(shù)字化模型顏色和紋理缺失的不足，提出一種基于彩色ER/RP的卡通筆快速設(shè)計(jì)方案。該方案先用三維彩色掃描儀對(duì)卡通玩偶進(jìn)行三維掃描并獲取數(shù)據(jù)，結(jié)合逆向工程（RE）技術(shù)對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)與造型優(yōu)化;然后利用Geomagic Design X把玩偶的三維模型與筆的三維模型進(jìn)行拼接，并對(duì)拼接模型中不足之處進(jìn)行人工校正，得到一個(gè)紋理特征清晰的彩色數(shù)字化三維模型。最后用彩色3D打印技術(shù)把核心部件——卡通筆帽打印出來(lái)。實(shí)驗(yàn)表明：構(gòu)建的彩色數(shù)字模型較單色模型更加形象直觀(guān)，打印的彩色樣件較單色樣件更加生動(dòng)，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：卡通筆;逆向工程;快速成型;快速開(kāi)發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ320.66?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001-5922（2022）03-0080-05

Rapid design of cartoon pen based on color ER/RP technology

LI Ruifeng1，2， SONG Mingzhong1， ZHOU Weizhao3， MA Haiyan1

（1.Department of Intelligence Manufacturing，Shaanxi Institute of Mechatronic Technology，

Baoji 721001， Shaanxi China;2.Shaanxi Qizhi Jude Intelligent Equipment Co.， Ltd， Baoji 721001，Shaanxi

China;3.Shaanxi Bodin Rapid Precision Casting Technology Co.，Ltd.，Weinan 714000，Shaanxi China）

Abstract：

In order to overcome the deficiency of the lack of color and texture in the digital model obtained by monochrome 3D scanning， a fast design scheme of cartoon pen based on color ER / RP was proposed. Firstly， 3D color scanner was used to scan cartoon dolls and obtain data， and Reverse Engineering （RE） technology was used for data processing， surface reconstruction and modeling optimization. Then the color digital 3D model of the doll was spliced with the pen by Geomagic? Design X， and the shortcomings of the model were manually corrected to get a color digital 3D model with clear texture features. Finally， the cartoon pen cap sample was printed by color 3D printing technology. Experiments showed that the color digital model was more visual than the monochrome model， the? model of the printed color physical model was more vivid than the monochrome model， the clear texture and bright color pen sample was convenient for designers to improve the digital model， which improved the efficiency of product design and development.

Key words：

cartoon? pen; reverse engineering; rapid prototyping; rapid development

近幾年，伴隨著逆向工程（RE）技術(shù)的不斷完善，使這一需求的實(shí)現(xiàn)過(guò)程變得十分容易。所謂的逆向工程也被某些學(xué)者稱(chēng)為“反求工程”，它是一項(xiàng)能夠根據(jù)實(shí)物快速準(zhǔn)確建立其三維數(shù)字化模型的新技術(shù)[1]。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，目前先進(jìn)的逆向工程還能建立具有紋理特征的彩色數(shù)字化模型。

有學(xué)者采用EinScan SP三維掃描儀對(duì)巧虎玩偶進(jìn)行三維掃描，然后把得到的數(shù)字化模型應(yīng)用到兒童牙刷手柄的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，取得了良好效果，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期[2]。

針對(duì)上述學(xué)者的設(shè)計(jì)的結(jié)果，在卡通筆設(shè)計(jì)過(guò)程中，增加更加先進(jìn)的Discovery模塊對(duì)掃描效果進(jìn)行加強(qiáng)，其主要優(yōu)勢(shì)：數(shù)字化模型顏色還原度好，紋理細(xì)節(jié)逼真，便于進(jìn)行紋理和顏色校正。研究對(duì)象花木蘭卡通玩偶實(shí)物，如圖1所示。其采用彩色三維掃描技術(shù)，對(duì)其表面紋理和色彩特征信息進(jìn)行采集，然后建立彩色三維數(shù)字化模型，再結(jié)合美學(xué)和人機(jī)工程學(xué)，對(duì)花木蘭的數(shù)字模型的紋理和顏色行優(yōu)化，并對(duì)局部造型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，進(jìn)而得到色彩艷麗、紋理清晰的彩色數(shù)字化三維模型，最后筆桿直接借用原筆桿，構(gòu)建出卡通筆帽數(shù)字模型。

3D打印是當(dāng)今發(fā)展勢(shì)頭迅猛的先進(jìn)制造技術(shù)之一。尤其是粘接型3D打印技術(shù)在航空、醫(yī)療和建筑等領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[3]。這些都離不開(kāi)粘結(jié)劑的快速發(fā)展。其中石膏3D打印中常見(jiàn)的粘結(jié)劑是二甘醇，一般還需要添加表面活性劑，有時(shí)為了達(dá)到最佳黏度還需要添加純凈水。

彩色3D打印如何實(shí)現(xiàn)顏色的準(zhǔn)確再現(xiàn)，一直是科研工作者孜孜不倦追求的終極目標(biāo)。麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種RePaint系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)結(jié)合了3D打印技術(shù)和最火熱的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，較好地完成了繪畫(huà)的復(fù)制。該團(tuán)隊(duì)將10種透明油墨，分成薄層后逐層打印，并且圖像也分割為細(xì)小的彩色點(diǎn)而非連續(xù)的色調(diào)，從而打印出更加細(xì)致的繪畫(huà)，顏色配比與原作品高度一致。由于該技術(shù)中AI調(diào)色和分層過(guò)于耗時(shí)，效率低下，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)油墨的最佳堆疊和細(xì)小的彩色點(diǎn)分割方式。但這種方式僅僅能打印出彩色繪畫(huà);石膏3D打印技術(shù)則可以打印彩色的立體模型。如果在打印過(guò)程中加入AI配色和深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，石膏彩色3D打印技術(shù)將在刻畫(huà)模型紋理和表達(dá)表面反射等有所突破。最后前期構(gòu)建的卡通筆帽采用石膏彩色3D打印技術(shù)打印出來(lái)，進(jìn)而達(dá)到快速開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的目的。

1 卡通筆設(shè)計(jì)思路

深受青少年喜愛(ài)的卡通簽字筆往往具有當(dāng)前流行卡通人物造型，除此之外還應(yīng)該用起來(lái)順手符合人機(jī)工程學(xué)，顏色也應(yīng)該搭配合理，并具有較高的美感，這樣才能獲得青少年的認(rèn)可和喜愛(ài)。因此，在卡通筆的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)初期，就要從外觀(guān)造型和使用舒適度上進(jìn)行全面考慮[2]。

1.1 外觀(guān)可愛(ài)，顏色艷麗

外觀(guān)可愛(ài)、顏色艷麗的卡通筆外形對(duì)青少年極具吸引力;合理搭配的色彩，逼真的紋理更能讓人愛(ài)不釋手。由于年齡和心理的不同，青少年之間對(duì)卡通人物的喜好有著巨大的差異。根據(jù)當(dāng)前流行的卡通形象，有學(xué)者將卡通玩偶與牙刷巧妙地設(shè)計(jì)成一個(gè)整體[5]。本文以卡通人物花木蘭為造型基礎(chǔ)，將筆與卡通玩偶花木蘭設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，合理調(diào)整頭發(fā)和彩帶、裙邊及四肢的比例和形態(tài)，保證人物的造型沒(méi)有明顯的棱角，與筆帽的曲線(xiàn)過(guò)渡協(xié)調(diào)，同時(shí)力求顏色搭配合理，保證筆與簽字筆的整體協(xié)調(diào)一致。

1.2 筆帽抓取順手，不易滑脫

卡通筆的核心功能是書(shū)寫(xiě)，因此在進(jìn)行外觀(guān)設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要保證書(shū)寫(xiě)流暢，筆帽插拔方便順手[6]。簽字筆的設(shè)計(jì)過(guò)程中除了要關(guān)注書(shū)寫(xiě)時(shí)的人機(jī)工程學(xué)，還需要關(guān)注筆帽插拔過(guò)程中的人機(jī)工程學(xué)。所以卡通筆的設(shè)計(jì)思路是筆帽采用流行卡通人物造型，同時(shí)還要考慮筆帽插拔過(guò)程的流暢性和抓取的舒適度。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取是指用三維掃描儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，進(jìn)而獲得表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值的過(guò)程[7-8]?；咎m玩偶顏色艷麗，紋理清晰，造型復(fù)雜，所以采用EinScan SP彩色三維掃描儀進(jìn)行掃描，為了得到較好的效果，增加Discovery模塊對(duì)掃描效果進(jìn)行加強(qiáng)。為了得到完整的數(shù)字化模型，需要從多個(gè)角度進(jìn)行掃描，掃描過(guò)程中圖如圖2所示。之后系統(tǒng)對(duì)多個(gè)掃描圖進(jìn)行離散點(diǎn)的刪除，并進(jìn)行自動(dòng)拼接;拼接完成后就可以得到一個(gè)完整的由點(diǎn)云構(gòu)成的花木蘭玩偶模型;然后以“*.OBJ”格式導(dǎo)出，該格式保留了玩偶的顏色和紋理特征。圖3為拼接完成的彩色花木蘭玩偶點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型圖。

2.2 曲面模型構(gòu)建

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由眾多的空間點(diǎn)構(gòu)成的一個(gè)數(shù)字化模型，還需要用Geomagic Design X軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。在Geomagic Design X軟件中對(duì)彩色花木蘭點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理、降低密度和點(diǎn)云封裝等一系列處理后[9]，就得到了一個(gè)相對(duì)完整的數(shù)字化模型。根據(jù)玩偶的外部輪廓的曲線(xiàn)特征，找到的主要輪廓特征線(xiàn)后，可以把掃描過(guò)程中產(chǎn)生的一些壞點(diǎn)、噪聲點(diǎn)去除掉，這就是所謂的降噪處理;降噪處理之后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然十分龐大，但這些數(shù)據(jù)對(duì)模型的精度影響有限，刪除不必要的重復(fù)點(diǎn)，花木蘭模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)從2 235 066個(gè)降到了184 980個(gè)，在不影響模型的精細(xì)程度的前提下，大大降低了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量;精簡(jiǎn)之后的點(diǎn)云模型封裝即可得到的花木蘭曲面模型，結(jié)果如圖4所示。

2.3 曲面快速重構(gòu)與優(yōu)化

2.3.1 曲面快速重構(gòu)

就當(dāng)前技術(shù)而言，逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重點(diǎn)環(huán)節(jié)仍然是曲面重構(gòu)[10]。由于花木蘭外形十分復(fù)雜，故采用Geomagic Design X軟件對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行NURBS曲面快速重構(gòu)。對(duì)花木蘭模型頭發(fā)、裙角、飄帶等大曲率部位進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)輪廓線(xiàn)，為了兼顧效率和質(zhì)量曲率敏感性設(shè)定為80，但由于是軟件自動(dòng)探測(cè)，得到的輪廓線(xiàn)較為粗糙，與實(shí)際需求存在較大偏差，通過(guò)手動(dòng)方式對(duì)不合理的地方進(jìn)行優(yōu)化;小心地對(duì)模型中裙邊等小曲率區(qū)域的輪廓線(xiàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。為保證模型細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性，多次調(diào)整優(yōu)化后得到的快速曲面重構(gòu)曲面分塊，結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)上一步編輯完成的多個(gè)輪廓線(xiàn)構(gòu)建NURBS曲面片。當(dāng)曲面構(gòu)建完成之后，接著對(duì)各個(gè)曲面相交的地方進(jìn)行優(yōu)化，力求連接處曲面光滑、紋理清晰。采用斑馬紋對(duì)得到模型曲面進(jìn)行光順品質(zhì)檢查，對(duì)不太理想的局部曲面則通過(guò)曲面控制點(diǎn)作進(jìn)一步調(diào)節(jié)，使曲面光順品質(zhì)達(dá)到所需精度要求。重構(gòu)后的花木蘭數(shù)字化模型如圖6所示。

在模型中導(dǎo)入簽字筆數(shù)字化模型，本著外觀(guān)優(yōu)美、比例協(xié)調(diào)的原則，調(diào)整花木蘭數(shù)字化模型的大小;將兩個(gè)模型放置在同一條軸線(xiàn)上，花木蘭的頭頂與筆帽的頭頂對(duì)齊，結(jié)果如圖7所示。筆桿直接借用原筆桿，無(wú)需進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面僅介紹卡通筆帽的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.3.2 筆帽造型改進(jìn)和與尺寸確定

為了保證卡通人物造型美觀(guān)大方，還需要從人機(jī)學(xué)的角度對(duì)筆帽的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以對(duì)基于RE技術(shù)創(chuàng)建的卡通筆帽模型作局部?jī)?yōu)化和從人機(jī)學(xué)角度進(jìn)行尺寸計(jì)算是十分必要的。造型優(yōu)化前后對(duì)比圖，結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)三維掃描技術(shù)初步構(gòu)建的卡通筆帽如圖8（a）所示，掃描的花木蘭原型裙子下擺較大，與筆帽結(jié)合處呈現(xiàn)臺(tái)階狀，且大于筆帽5.2 mm;雖然該造型和真實(shí)的裙子下擺比較接近，但這一喇叭口過(guò)于鋒利，拇指和食指抓取筆帽時(shí)，存在割傷手指的隱患。因此需要對(duì)花木蘭裙子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將裙子下擺進(jìn)行收縮，使其開(kāi)口大小與筆帽直徑一致，最終保證裙子下擺與筆帽平滑過(guò)渡，把裙子下擺的喇叭口消除，結(jié)果如圖8（b）所示。這樣青少年在插拔筆帽時(shí)，不僅抓取方便，而且不會(huì)傷到手指。花木蘭造型的頭發(fā)是中空蓬松結(jié)構(gòu)，額頭上的一縷頭發(fā)呈懸空結(jié)構(gòu)，為防止使用過(guò)程意外折斷，需要對(duì)該縷頭發(fā)進(jìn)行改進(jìn)，將其剪除。裙子上的飄帶漂浮在空中過(guò)于突兀，容易在使用過(guò)程中折斷，故將其優(yōu)化，保證飄帶緊緊貼在裙子上。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的卡通筆帽造型如圖8（c）所示。

為了保證筆帽與簽字筆的連接可靠，采用過(guò)盈配合。這就導(dǎo)致人手需要施加足夠的外力才可以將其從簽字筆上拔下，所以筆帽尺寸的設(shè)定過(guò)程中應(yīng)充分考慮當(dāng)今青少年手型和手指粗細(xì)。青少年手部尺寸參考[2]的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1中手部數(shù)據(jù)，結(jié)合青少年用筆習(xí)慣、筆帽插拔習(xí)慣，對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂。最終確定花木蘭筆帽的長(zhǎng)度為160 mm，最大直徑為28 mm，最小直徑為12 mm，具體如圖9所示。

2.3.3 筆帽顏色和紋理的改進(jìn)

采用了彩色三維掃描技術(shù)構(gòu)建的模型，雖然其顏色和紋理都清晰展示出來(lái)，但是在在設(shè)計(jì)卡通筆帽過(guò)程中花木蘭玩偶被成比例縮小了，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的卡通筆帽玩偶細(xì)小部分的細(xì)節(jié)沒(méi)有展現(xiàn)出來(lái);所以必須對(duì)影響卡通玩偶美觀(guān)的紋理進(jìn)行校正。在校正過(guò)程中重點(diǎn)刻畫(huà)玩偶的眼睛和嘴唇;同時(shí)對(duì)影響玩偶整體形象的裙子的褶皺也做了校正。

彩色三維模型的另外一個(gè)特點(diǎn)就是可以逼真的顯示其原型的顏色。但是，由于在構(gòu)建卡通筆帽過(guò)程中花木蘭玩偶被成比例地縮小了，顏色搭配也隨之發(fā)生了變化，所以需要對(duì)顏色進(jìn)行校正，保證模型顏色艷麗，符合青少年的審美。顏色校正后的卡通筆帽模型如圖8（c）所示。

3 卡通筆的快速成型

快速成型（RP），是結(jié)合新材料，伺服技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的一門(mén)綜合性新技術(shù)。它先把建立的數(shù)字化模型進(jìn)行切割，按照一定的順序?qū)⒎謱忧懈畹臄?shù)字模型進(jìn)行逐層堆積。當(dāng)所有的分層都制造完成后，即可得到和數(shù)字模型一致的實(shí)體零件[11-12]。這種技術(shù)可以快速的制造出尺寸準(zhǔn)確、外觀(guān)形象的三維實(shí)體模型，與傳統(tǒng)的原型制造相比，具有精度高，速度快，成本低的特點(diǎn)。

卡通筆桿直接借用原筆桿，筆桿形狀規(guī)則無(wú)需打印出樣件，下面僅介紹卡通筆帽的3D打印過(guò)程。

卡通筆帽采用安徽某三維科技有限公司生產(chǎn)的Mint-I打印機(jī)，選用乳白、青藍(lán)、紅、黃等4種顏色石膏復(fù)合粉末和1種透明石膏復(fù)合粉末作為打印材料進(jìn)行彩色3D打印。具體操作過(guò)程：將花木蘭筆帽模型以O(shè)BJ文件格式導(dǎo)入打印設(shè)備;兼顧打印效率、打印精度和減少臺(tái)階效應(yīng)，把數(shù)字化筆帽設(shè)置成水平方向，并且放置在打印平臺(tái)中心位置;將3D打印機(jī)初始化后，然后校對(duì)噴頭位置;工藝參數(shù)設(shè)置：層厚0.103 mm、輪廓寬度10 px。如圖10（a）所示，經(jīng)過(guò)認(rèn)真核對(duì)后啟動(dòng)打印機(jī)。打出零件后，去除玩偶上附著的石膏粉末，并對(duì)零件表面進(jìn)行簡(jiǎn)單修整得到花木蘭玩偶筆帽，具體如圖10（b）所示。根據(jù)3D打印出來(lái)的樣件，對(duì)其造型、美學(xué)和人機(jī)工程學(xué)尺寸進(jìn)行審查，對(duì)不合理的局部進(jìn)行修正，直到花木蘭筆帽完全符合設(shè)計(jì)要求為止。

4 結(jié)語(yǔ)

為了設(shè)計(jì)一款深受青少年喜愛(ài)的卡通筆，提出一種基于彩色RE/RP技術(shù)的卡通筆設(shè)計(jì)方案。該方案采用彩色三維掃描技術(shù)和彩色3D打印技術(shù)進(jìn)行建模和快速成型，建立的數(shù)字化模型和打印的樣件不僅尺寸精確，而且顏色艷麗、紋理清晰，較單色數(shù)字化模型更加形象生動(dòng)，極大地提高了設(shè)計(jì)人員的效率，進(jìn)而縮短卡通筆設(shè)計(jì)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，對(duì)搶占瞬息萬(wàn)變的卡通周邊產(chǎn)品市場(chǎng)具有重要意義，對(duì)于相似的卡通人物的塑料產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)與上市也有一定的參考價(jià)值。

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