虚拟触觉设计Freeform在产品开发设计中的应用研究

胡瑞波, 徐人平, 向极鼎

(1.昆明理工大学艺术与传媒学院， 云南 昆明 650093; 2.湖北民族学院艺术学院, 湖北 恩施 445000)

0 引 言

虚拟技术的出现，为人们更充分地获取和理解信息提供了关键的技术支撑.虚拟设计技术也是基于快速原型技术平台的快速产品开发中知识发酵体系的重要组成部分，其与RP相结合主要完成知识创新功能系统中虚拟原型与物理原型隐形知识和显性知识的反复转换.虚拟设计能有效促进知识消化、知识转化、知识增长和知识扩散，得到富含新思想、新知识的物理原型.在知识发酵体系中，运用虚拟概念设计、虚拟触觉设计、虚拟装配设计、三维立体图像、三维虚拟声响、接触力量反馈、三维实时交互等功能，设计师可以在具有自主性、交互性和沉浸感的虚拟现实环境中对产品进行各种设计、分析、评价和仿真，从定性和定量的综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发创意[1-3]，因此研究该技术是进行产品设计开发的一种有效途径.

1 虚拟触觉设计的概念及特征

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是一种可改善人与计算机的交互方式、提高计算机可操作性的人机界面综合技术，它利用多媒体计算机仿真技术构成了一个特殊的环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然的交互，从而体验比现实世界更丰富的感受，其设计过程有3个基本特征：自主性、交互性、沉浸感(如图1所示).其中，3个“I”基本特征沉浸感最引人注目，这种环境给人以极大的想象空间，使人的创造性思维得到极大的发挥.所谓力反馈(Force Feedback)，实际上是一种虚拟现实技术，它运用先进的技术手段将虚拟物体的空间运动变成周边物理设备的机械运动，使用户能够体验到真实的力度感和方向感，从而提供一个崭新的人机交互界面.通俗地讲，力反馈实际上就是运用“作用力与反作用力”的原理来欺骗人们的触觉，达到传递力度和方向信息的目的.它有两个基本特征：接触反馈与力量反馈，当人与物交互时得到的触觉信息有两种：一种是表面信息，即皮肤与物接触所感受到的信息；另一种是肌肉知觉信息，即通过四肢的位置与运动的方向所产生的力量.虚拟触觉系统中操作者的大脑向手发出指令，做出不同的手势动作并进行各种操作，启动数据手套，由PHONTOM系统操作杆中的传感器将手的动作数据传递给计算机，计算机通过一定的算法来指挥雕刻刀进行雕刻.此外，计算机对虚拟手或雕刻刀与虚拟物体进行碰撞检测，而后将位置、力量信号反馈给数据手套或操作杆.而数据手套和操作杆可根据这些信息启动触觉执行机构，通过对手进行各种按摩动作、阻碍运动的方式，使用户体会到各种触觉感知.另外，用户也可以通过视觉、听觉等对手或者雕刻刀的动作得到附加反馈(如图2所示).

图1 虚拟现实的3I图 图2 虚拟触觉系统的构成

1.2 触觉式虚拟设计

触觉式虚拟设计Freeform的出现彻底改变了人机界面，使设计过程充满了智慧和创意，而无需再受传统模型制作工具的种种限制，它的诞生标志着造型设计进入了一个新时期.随着经济全球化的发展、市场竞争的加剧，要求企业大幅提高产品开发的速度和提升产品多功能的需求，以应对产品生产周期不断缩短的挑战.对于产品设计师来说，传统的设计思路和设计方法已不能适应现代IT产业的要求.虽然CAD/CAE/CAM等系统可以代替一部分手工劳动，但是由于CAX系统的局限而使得设计师难以对设计的产品进行验证和及时的修改，不能够让制造商、客户充分的理解设计思维.因此，触觉式虚拟设计便在这种环境下得以产生和发展.

1.2.1 自由雕塑

虚拟现实中力的反馈技术的出现给设计界带来了极大的鼓舞.在造型设计过程中人们希望看到和听到屏幕上的数字模型，并且可以“触摸”到这个模型和感受到它的存在.更进一步来说，人们希望计算机屏幕上的那个模型就像实际中的黏土一样，设计师可以利用PHONTOM的硬件设备进行自由的雕刻和刻画，当刀具接触到要雕刻的素材(Clay，数字黏土)时，会有一个力量反馈到手臂上，让操作者有“触摸”到模型的感觉.利用这一不可思议的工具，设计师完全可以“触摸”、“操作”和“创作”计算机中数字虚拟的实体，而不受制于键盘和鼠标的束缚.从一定意义上来说，这样的造型设计就被称之为“自由雕刻”.在现代的产品设计过程中，这项技术可以为设计师创造一个自由的设计空间，充分发挥设计师的设计思维，帮助设计师在虚拟环境中创建虚拟模型，完成设计师对不同设计的要求.

1.2．2 Freeform系统的构成

Freeform造型设计系统(Freeform modeling system)采用3D Touch技术应用于台式机，其基本构成元素有3个:PHANTOM、GHOST和CLAY.“PHANTOM”是一个硬件接口，它是一个小巧、灰黑色的简单手臂式电子笔和操作系统(Stylus),利用一些雕刀工具进行数字黏土.GHOST是一个软件系统，如同“触觉引擎”，又像人体大脑的神经反映，可以称为Freeform系统的灵魂.CLAY也称“数字泥土”或者“虚拟泥土”，使用电子笔可以在上面雕刻，并在显示屏上看到其效果.

1.2 .3 3D Touch技术

Freeform造型设计系统采用3D Touch技术，并成功地将其应用于台式机.3D Touch是一种力反馈技术，经由操作者的手握着一支电子笔来旋转移动，计算机屏幕里的雕刻刀便跟着旋转和移动.当雕刻刀接触到模型时，会有力量反馈到手握的电子笔上，让操作者感受到接触时的力量，在雕刻之前用户还可以设定模型的软硬度，从而决定雕刻所需的力量.3D Touch技术的产生彻底改变了设计师在计算机面前进行3D绘图的工作方式，并能真实的模拟现实，直接使用精确的数字黏土，像真实的雕刻一样进行操作设计.3D Touch技术使得造型设计更自然、更有效和更直接，而且具有连续性和双向的互动.因此，这项技术能够带给使用者更有效、更精确及更有趣的工作体验.

1.2.4 Freeform的系统操作

到目前为止，Freeform系统被认为是最直观和高效的产品造型设计软件，它不但能够兼容CAD软件的操作方式，而且具有独特的产品设计手段，其自然和直观的操作方式以及多样的实体编辑方法大大拉近了设计对象与设计师之间的关系.Freeform的操作系统分为两部分：第一个部分是自然草绘，在Freeform系统中，绘制产品草图可以彻底摆脱鼠标与键盘的限制，设计师不必再花大量的时间去修改一条能反映产品外观造型的自由曲线，而只需要用手握着PHANTOM的电子笔进行绘制，就像用手拿着铅笔在纸上画画一样简单自然.第二部分是直观建模，为了方便设计师的建模方式，Freeform提供了与CAD软件相似的操作界面设计和方法，如拉伸(extend)、旋转(rotate)、凸台(emboss)、扫描(sweep)、放样(loft)、混合(blend)和凹槽(groove)等.此外，Freeform还提供了其他几种自然且方便操作的建模手段，如抓取(grab)、雕刻(carve)、拖拽(tug)、圆滑(smooth)、推挤(smudge)等.

2 虚拟触觉设计在产品开发设计中的应用实例

2.1 大体的造型突出骨骼

首先使用Skech工具栏下的Pencil工具，画出马的大体形状，然后使用Freehand curve工具画出二维线条，再使用Erase All Pencil Marks 工具将前面的铅笔稿擦干净，选择Construct Clay工具栏下的Inflate工具，得出一个膨胀的三维空间.最后，使用Sculpt Clay工具下的Smooth工具使之平滑，得出马的大体造型(如图3所示).大型造好之后，使用Sculpt Clay工具栏下的Carve with ball、Carve with cube、Carve with scraper等工具进行雕刻，完成之后再使用Freehand curve工具画出二维线条，画出脚趾的大概位置，然后使用Sculpt Clay工具栏下的Smooth Area工具，画出脚趾(如图4所示).

2.2 画出其他部位及进行细节雕刻

在上一步造型的基础上新建一个图层，使用Construct clay工具栏下的Basic Shapes工具中的圆锥形画出一个马的耳朵，再使用Sculpt Clay工具栏下的Carve with ball 、 Carve with cube 、Carve with scraper等工具进行雕刻，将马的耳朵的造型精细地造型好，最后使用mirror clay工具使之镜像，得出马耳朵的基本造型，马的脚和其他的造型可用同样的办法做出来.然后，使用Sculpt Clay 工具栏下的Smooth工具，根据实际需求画出马的眼睛、鼻子和嘴巴等细节，最后使用Deform clay工具栏下的Tug工具进行调整，最终完成马的基本造型(如图5所示).

图3 马的大体造型 图4 马身体的细部刻画 图5 马的最终效果

2.3 实体模型抽壳及分模线的检测

将雕刻好的实体模型根据需要进行抽壳，首先利用pieces下的create offset piece工具输入需要的厚度进行薄壳，完成这个步骤之后，实体模型处于空壳状态.此时需要注意的是产生的内核不能够直接使用，主要原因是有过多的毛刺和棱角.于是需要对内核进行平滑处理.修改内核平滑后，在negative offset piece工具栏下选择remove clay from将内核挖空，于是该模型呈现内空状态(如图6、7所示)，然后使用mold工具栏下的fix draft工具来检测分模面的合理度.在此，合理与不合理的区域分别用不同的颜色标注，由此用户可根据不同颜色的不同显示来调整合理度，最后利用mold工具栏下的parting line curve产生分模线，将模型分为两个部分，以满足模具的制作和批量化生产组装的需要.红色表示合理的状态，黄色表示不合理的状态，蓝色表示存在不合理的隐患(如图8所示).此时，运用直观的模型将其调整到合理状态(如图9所示).

图6 平滑内核 图7 空壳效果 图8 分模型的检测

图9 各种颜色分模型检测的效果

3 虚拟触觉设计Freeform在产品开发设计中的优越性

3.1 直观和良好的人机交互性

自从Freeform软件诞生以来，就以简单的操作取代了令人头痛的计算机复杂程序，把数位工具所独具的弹性及其功能带到了实体的模型上.它不需要像学习传统的三维建模软件那样，需要花上很多时间才能熟悉其功能和操作的方式；也不需要不断地练习来维持对软件的熟悉度，Freeform系统就像设计师平时拿着一支笔使用一样的容易，它使工程师能够利用触觉来拖拽、绘画和建模，并且可以雕刻模型的内外表面，使用者能够通过自然的方式去完成他们的数字模型，效率比传统的设计方法高得多.Freeform软件的操作系统与传统的建模方式相比较，其优点是相当突出的，有利于发挥艺术家和设计师的艺术构思、艺术冲动、艺术技巧和设计灵感.

3.2 兼容性好并符合工作流程

Freeform的兼容性也非常好，可以输入pds 、ai 、obj、 ply 、stl 、step、 iges、 bmp、 jpg和 ai等文件格式，同时也可以输出stl、 iges、 step 、bmp 、zcp、 ply等文件格式.Freeform系统可以利用所包含的表面工具创建并输出IGES表面，兼容第三方表面解决方案，其输出的STL文件可以直接输入到快速原型机中进行加工，生成产品原型，或者进行装配与制造，加快了产品开发速度.

3.3 良好的曲面造型

尽管现在的CAD/CAM系统已经能够支持曲面造型，如B-样条曲面、Beta曲面、NURBS曲面、Bezier曲面等，但复杂的操作和繁琐的控制点来调节面的特性压抑了设计师的设计能力，不利于设计师创造出更合理、人性化的产品设计.自从Freefrom诞生以来，就以简单的操作、随意造型的曲面以及自由添加黏土的优势抢抓了产品设计的高峰.设计师可以根据自己不同的想法和创意设计出不同的造型，利用其简单的操作系统发挥自己独特的创意.

3.4 易于摆脱传统设计的束缚

虚拟触觉式软件Freeform的诞生使产品开发设计过程焕然一新，主要表现在：一是易于被设计师学习和应用.它以简易的设计程序代替了令人头痛的计算机程序，简化了设计人员必须专门进行培训再上岗的程序，通过“虚拟泥土”和“力反馈”以及良好的人机界面给设计师创造了逼真的模拟空间.二是易于摆脱传统设计的束缚.在传统的设计过程中，设计师只能通过鼠标和键盘在熟悉工具的情况下，一个命令、一个命令地进行设计，而且设计结果显得非常的生硬.而Freeform以其良好的人机界面、自用的曲面等功能受到了设计师的喜爱和欢迎.三是易于发挥设计师的智慧.通过真实的模拟和良好的人机界面，在设计过程中设计师就好像真实的设计一样，易于形成富有创造性的设计思路和设计方法.

3.5 易于快速生产和降低损失

虚拟触觉式软件Freeform的兼容性非常好，它能输入输出多中不同格式的文件，并能与当前大部分的设计制图软件结合运用，也能从设计制图到模型制作再到最后的成品结合起来设计，使产品从设计到最后成品一条龙的生产.同时，它也适合用于小批量的生产，而且设计成本低廉，适合于中小企业采用.这样的成品设计有利于赢得广大消费者的欢心和愉悦，因而容易走向市场，获得利润和回报.

4 结束语

虚拟触觉设计无疑是21世纪产品设计的一个转折点，自从其诞生以来就以良好的用户界面、宽广的兼容性、自由的操作系统等优点而很快赢得了设计界的好评，并被广泛地应用到产品设计中去.它的运用有利于设计师创造性设计思维的展现和快速生产，并有利于产品设计的可持续发展，可以产生较高的经济效益与社会效益.

参考文献

[1] 徐人平.快速原型开发与快速设计开发[M].北京：化学工业出版社， 2008.

[2] Renping Xu, Kunqian Wang, Xiaoyuan Yang,etal. Regarding the Research of the Development and Application of “Colorfully Engraved Black Pottery’s” Rapid Prototype Technology[C].Proceeding 2009 IEEE 10th International Conference on Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design，2009: 310-315.

[3] 徐人平.工业设计工程基础[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

[4] Ruibo Hu, Renping Xu, Kunqian Wang,etal. The Research of Virtual Tactile Design Application in Dongba Sculpture[C] .Machinery, Materials Science and Engineering Applications,2011: 185-190.

[5] Ruibo Hu, Renping Xu, Kunqian Wang,etal. The Research of Developing and Constructing Tourist Attractions in Dong Jiahe[C].Advanced Building Materials,2011:3 885-3 888.

[6] Ruibo Hu, Renping Xu, Kunqian Wang,etal. On Ecology Esthetic Mold in Campus Landscape Design of Mountainous Area[C].Applied Social Science,2011: 385-390.

[7] Ruibo Hu, Jingyuan Li ,Liyan Chen,etal. Application study of Conceptual Design in the Product Design[C] .Applied Mechanics and Materials, 2011.