視觸覺結合的陶瓷造型設計

摘要 復雜形體是陶瓷設計中的常見對象，通常可采用曲面描述，但直接造型需耗費大量時間。利用視覺與觸覺的感官功能，通過手眼協調設計，可避免基于數字描述方式而造成的缺乏直觀性、易用性的缺點。本文提出了一套視覺與觸覺相結合的數字設計系統，以數碼相機和觸覺系統為工具，快速實現復雜陶瓷形體的數字建模方法。

關鍵詞 陶瓷設計，計算機視覺、觸覺設計

1前 言

歷經數十年發展，CAD/CAM技術已取得了巨大成功，并迎來了數字化設計、數字化制造的時代。NURBS曲線曲面（非均勻有理B樣條）以其強大的形狀表示能力和配套的計算、編輯算法，已成為事實上的產品表示標準。細分曲面、隱式曲面是近年曲面造型研究的熱點，它們突破了NURBS在拓撲結構上的局限性，更容易表達某些復雜的形狀。

在陶瓷設計領域，經常需要設計人體、動物等自然雕塑形體，現有的CAD系統可采用NURBS曲面、細分曲面、隱式曲面等來描述這些復雜對象[1]，但如何能快速、精確地設計出來，目前尚無有效的數字化工具。人們認識、改變外在事物時，主要利用視覺與觸覺的感官功能，通過手眼協調來設計出新的事物，設計師在設計新的對象時，也可如此操作。

近些年出現了一些價格較為便宜的觸覺式設計系統，如FreeForm系統，它抽取了大型虛擬現實系統的單一觸覺功能，可提供真實感的數字雕塑工具。但一般設計人員使用后的效果并不理想，雖可以在局部修修補補，但缺乏對整體形態的把握[2]。

本文提出了一套視覺與觸覺相結合的數字設計系統，以數碼相機和力感觸覺系統為工具，快速實現復雜形體的數字建模。首先利用數碼相機拍照，攝取參考對象的圖像，通過一個專門設計的攝影測量與計算機視覺集成系統重構出參考對象的三維數字模型；然后將此模型輸入到觸覺設計系統，經局部的修正，得到新的設計模型。以下詳述系統組成及原理，并給出設計實例予以驗證。

2造型設計系統的組成

本文所提出的系統主要分為兩個模塊：視覺子系統與觸覺子系統。其中觸覺子系統是購置的，視覺子系統是獨立開發的[3]。相機采用奧林巴斯CL5050，拍攝的照片經視覺反求系統處理后，得到VRML格式的三維模型，然后輸入FreeForm觸覺設計系統，進行再設計，最終輸出改型設計后的數字模型。圖1所示是視覺系統實物，圖2是觸覺系統的實物照片。

2.1 視覺系統[4]

本文提出的系統中，視覺系統為自主開發的，先講述相關的主要原理。

本文采用的視覺系統結合了攝影測量法的高精度與計算機視覺法的靈活性。近年來由圖片生成3D模型是一個熱門的計算機視覺研究領域，并相應提出了諸多的研究方法，其核心問題包括：相機標定、對應點匹配及3D重構等；針對每個問題均有大量的研究算法，特別是相機標定技術幾乎成為一個關鍵環節。

類似于測量系統控制網的概念，我們設計了一套控制特征點，相機直接根據控制特征點進行標定，可得到精度較高的相機內外參數。圖3所示是控制點分布的實物圖。

我們對控制點分布采取了特殊設計，使任意角度下拍照，均有10個（通常要求至少6個）以上特征點被攝取。對特征點，采用了高精度的專業攝影測量系統Aicon加以標定，其空間坐標保存于一個數據文件中，以備相機標定時采用。

有了高精度的相機參數，就可以利用成熟的計算機視覺方法重構3D模型。我們采用了遮擋輪廓法[1]及空間剝離法[2]這兩種對環境要求較低、算法較為穩定的方法，處理標定過的圖像，得到三維模型主要形態，可作為觸覺設計的基礎。

2.2 觸覺系統

觸覺子系統采用FreeForm觸覺式虛擬設計系統，通常也亦稱為3D Touch系統，采用了力回饋技術，手握觸覺筆在空間旋轉移動，屏幕里相應的雕刻刀便隨之移動；當雕刻刀接觸到模型時，會有力回饋到握筆的手上，讓使用者感受到接觸時的力量。在雕刻時可設定模型的軟硬度，進而調整雕刻所需的力。常規的實物雕刻操作，在系統內均有對應的虛擬工具，無論是雕刻效果，還是虛擬雕刻過程中的感受，與實際雕刻幾乎一樣，提供了十分逼真的雕刻環境。

3陶瓷狗的造型設計

在陶瓷設計中，經常需要參考某種實物樣品。本實驗以圖1中的玩具狗作為參考對象，借助視覺、觸覺集成系統進行了兩次造型、建模試驗。視覺系統從不同角度攝取了10幅圖片，由這10幅圖片生成一個三維模型（見圖4）。整個建模過程僅需十幾分鐘，方便快捷。輸出的模型包含了參考對象的主要形態，稍加修整，即可得到新的改型設計。

以視覺系統的輸出為骨架，在FreeForm系統中進行細部的修整與再設計，并可添加修飾色彩，得到新的設計結果，見圖5。

在試驗中，如果僅依靠觸覺設計系統，即使熟練的操作人員，要設計出比例協調、結構合理的模型，也需要花費一天或數天時間。視覺系統的輸入極大地簡化了主體形態的構造，使不太熟練的設計人員也能利用觸覺系統，很快設計出新的作品。

4總 結

本文提出了視覺、觸覺相結合的方法，利用計算機視覺系統幫助設計人員觀察、感知設計對象，并把結果以數字形式保存起來；觸覺系統直接利用已有的觀察結果，通過手眼協調完成最終設計。這種混合系統彌補了非專業人員所缺乏的空間形體洞察力及操縱力，使他們不用經過長期的專業訓練，也可快速地設計出新的作品。本文給出的實例已驗證了這一觀點。

本文揭示了虛擬雕刻過程所忽略的視覺思維環節，并設計出計算機視覺系統來加以彌補，取得了良好的結果，這套視、觸覺結合的設計系統可用于陶瓷產品的設計制造，可大幅度提高設計效率和設計質量。

參考文獻

1 Potemesil M.Generating octree model of 3D objects from their silhouetttes in a sequence of

images[J]．Computer VisionGraphics Image Processing，1987，40(1):1～29

2 K.Kutulakos and S.Seitz. A theory of shape by space carving[J]. International Journal of Computer

Vision，2000， 38(3):199～218

3馬頌德，王連成．計算機視覺-計算理論與算法基礎[M]．北京：高等教育出版社，1998

4 Purnomo，E.Haptic devices.http://www.cs.auckland.ac.nz，January 2004.