基于FreeForm的玩具模型设计

刘 莉，赵正旭，王中义，刘世洋

（石家庄铁道大学 信息科学与技术学院，河北 石家庄 050043）

在实际建模过程中，有很多模型的曲面自由、复杂，这些曲面是在自由曲线的基础上生成的，属于自由曲面，如人脸类生物模型、飞机机翼、汽车车身、轮船船体等的曲线和曲面，他们无法用初等解析函数清楚地表达。由于自由曲面的不规则性使得其分析、建模、制造一直是工程建模领域的一个难题。目前，自由曲面设计已经成为研究主题［1］。虽然现在的CAD软件能够完成复杂的自由曲面建模，但是使用者在建模过程中完全被局限在键盘和鼠标上，而且大部分是基于特征和参数建模，设计出来的产品是可视虚拟模型［2］，建模过程复杂而且无法象手工建模那样充分展现个人的设计风格。FreeForm触觉式设计系统应运而生，该系统设计出来的产品可视、可听、可触。

1 FreeForm系统概述

FreeForm触觉式设计系统是一套基于力反馈技术的虚拟造型系统。“力反馈技术”是一种虚拟现实技术，它利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［2］。该系统可以让使用者融合视觉、听觉和触觉来完成复杂3D模型建构，为用户提供了沉浸感良好的人机交互界面。

1.1 系统结构

该系统由触觉设备PHANTOM、软件平台FreeForm Modeling Plus和SDK开发包构成。系统工作原理如图1所示。

图1 FreeForm系统工作原理

触觉设备PHANTOM是硬件接口，它通过“触控笔（stylus）”借助精密的电路板提供了精确的坐标输入和准确的力回馈输出，让使用者能够感受到3D模型的硬度、摩擦力等。

软件平台FreeForm Modeling Plus中提供了数字粘土（或虚拟油泥）、雕刻刀和造型界面。数字粘土采用了基于点数据的数据模式，由数万个三角网格构成，这一特性使用户可以通过触控笔控制雕刻刀对数字粘土进行自由造型。

OHAE（OpenHaptics Academic Edition）是FreeForm系统的SDK开发包，用户可以对FreeForm的软件平台进行二次开发，增加新的模型外观、物理变化和力量效果等，以应对不同的应用需求。

1.2 与其它软硬件的配合

功能强大的软件不仅体现在自身功能上，也表现在与其他软硬件系统的兼容性上［3］。

FreeForm系统能够广泛接受2D数据。可以输入2D图片（如.jpg.jpeg.bmp）或IGES曲线；可以和平面或工业设计结合，直接输入Photoshop的.psd或Illustrator的.ai格式的数据；可以和逆向工程结合，输入扫描数据或切片数据。

FreeForm系统能够和其他CAD／CAM软件、RP设备实现无缝链接。可以直接输出数据给CAD／CAM软件进行机构设计、模具设计或CNC加工；也可以输出给RP做快速原型；还可以输出到动画软件做动画的处理。

2 模型设计实例

下面以小狗为例实现模型设计。

2.1 建立草模

2.1.1 导入视图

图2 五视图

2.1.2 建立基本形体

配合辅助视窗，采用分件制作的方法［4］创建小狗的基本形体。使用Construct Clay工具栏下“add clay”指令创建小狗的头和腿。使用“inflate”指令依据顶视图和侧视图上的轮廓线膨胀出耳朵、尾巴并将其移动到合适的位置，注意，该指令适于创建和基本形状相差较远、曲面形状比较自由的形体。小狗的基本形体创建完成后，使用Sculpt Clay工具栏下“smooth”指令和Deform Clay工具栏下“tug”指令调整形体的大概形状完成草模（如图3）。

图3 草模

注意，在形体的创建过程中，要将不同的形体部分放在不同的图层，以便于后续的制作和修改。

2.2 草模细化

使用Curves工具栏下“copy from sketch”指令将顶视图和前视图上眼睛、鼻子、嘴巴的2D草图投影到头部并进行微调，注意，为了避免微调以后的3D轮廓线脱离实体，微调以后要使用“fit curve”指令将其重新贴附到头部。使用Deform Clay工具栏下“tug area”指令作出嘴巴的基本形状。使用Con－struct Clay工具栏下“add clay”指令增加眼珠、鼻子、舌头，使用Sculpt Clay工具栏下“Smudge”指令挖出鼻孔。最后使用“smooth”＋“tug”＋“tug area”指令调整各部分细节。

形体的各个部位调整好以后将各个图层合并，合并以后还要使用“smooth”＋“tug”＋“tug area”指令调整个部位的接缝处。最后，使用Construct Clay工具栏下“wire cut clay”指令将形体底面剪平时模型能够平稳着地。

2.3 制作皮毛并着色

在三维建模过程中，生物模型的毛发最难表现，FreeForm系统提供了制作毛发的得力功能——浮雕功能。首先使用Curves工具栏下“draw curve”定义浮雕的3D区域，使用Detail clay工具栏下“em－boss with wrapped image”指令依图片花纹制作纹理，用Sculpt clay工具栏下“carve with ball”指令调整纹理接头处以使纹理看起来自然。

也可以直接使用“carve with ball”指令一点点地制作出毛发，这样做能够更好的发挥设计师的风格，但是制作过程稍微复杂一点。另外，结合Select／move clay工具栏下“mask”指令和Deform Clay工具栏下“tug”指令同样能完成毛发的制作。使用者可以根据自己的习惯选择其中的一种或多种毛发的制作方法。

为了使毛发更光顺自然，本文使用“smooth”＋“smooth area”指令对毛发进行了处理。

图4 模型前视图

2.4 模型渲染

物体的外观颜色会因为光照的强弱而异，甚至照射到物体上的光的颜色也会对物体的外观颜色产生影响［5］，所以灯光的设置在很大程度上影响着渲染的效果。系统提供的灯光效果有：点光、聚光、日光，文中根据需求使用“custom lighting”指令设定灯光效果为“spot light”，并且设置灯光的颜色、调整光源和照射范围。

图5 渲染效果图

2.5 模型抽壳

执行pieces→create offset piece，设置薄壳的厚度为4mm，选择“offset to the inside”选项，执行以后产生新的内胆图层，使用Sculpt Clay工具栏下“smooth area”指令使用反选的方法删除内胆中的孤立点，以便于后续加工。在内胆图层上执行“remove clay from”指令将内胆从小狗模型中挖空，至此模型呈现中空状态，执行view→cutaway view→define cutaway view，通过辅助视窗察看模型的中空状态（如图6）。

2.6 产生分模线

将模型的STL格式数据输出到RP机器就可以制作原型了。

3 系统优势

FreeForm系统凭借其“3DTouch”技术已经成功应用于玩具、珠宝、鞋底、工艺品、汽车、医疗、家具等设计领域，并且已经成为这些领域的主流设计工具。该系统具有以下几点优势：第一，系统属于非曲面架构式软件，其基于点数据的特性能够充分展现产品的细节和细腻度。第二，有利于产品的逆向修改。扫描实体得到的数据模型被输入到FreeForm系统后可以进行逆向修改，目前此方法已经应用于文物修复等领域。第三，系统使用虚拟油泥替代了传统油泥，避免了不必要的重复工作和材料的浪费，使得设计过程卫生环保，降低了设计成本。第四，产品设计阶段就是3D数据，可以充分发挥数字资料的优势，减少设计师和工程师之间的沟通，缩短研发周期，提高生产效率。第五，易于学习和掌握。

图6 模型抽壳

4 结论

FreeForm完全符合现代产品设计潮流及制造的流程，它弥补了“2D”绘图与“3D产品设计”间的鸿沟，补充了实体模型的不足，并可取代实体模型［6］。对比现有CAD软件，FreeForm系统在模型的细节处理、建模的随心所欲、视听触觉的融合上处于领先地位，但还存在一些不足，比如，FreeForm系统建模不是严谨的基于特征和参数建模［7］，所以在产品开发过程中熟练将FreeForm系统和其他CAD软件（如Pro／E、Maya、3Ds Max等）结合使用将更能体现出系统优势并大大缩短产品的开发周期。

［1］ 高雪瑶，孙立镌.自由曲面设计中的特征模型重构［J］.哈尔滨理工大学学报，2006，11（4）：34－37.

［2］ 李洋，石宗金，杨国先.工业造型设计中的建模技术研究［J］.机械工程师，2007，（4）：94－96.

［3］ 刘溪，候增选，闫锋欣，等.虚拟油泥造型系统的STL数据输出接口设计与实现［J］.计算机应用研究，2008，25（2）：634－636.

［4］ 陈龙，王坤茜，徐人平，等.基于FreeForm系统的玩偶设计开发［J］.陕西科技大学学报，2010，28（2）：149－153.

［5］ ［美］Richard S.Wright，Jr.Benjamin Lipchak著，徐波 译.OpenGL超级宝典（第三版）［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［6］ 马路科技顾问有限公司.最新设计工具——FreeForm触觉式设计系统［J］.CAD／CAM 与制造业信息化，2003，（2）：57－60.

［7］ 吴艳奇，成思源，张湘伟，等.基于FreeForm的CAD模型细节添加与修改［J］.机械设计与制造，2010，（5）：93－95.