虛擬雕刻技術在人物模型設計中的應用研究

李建 陳海利 余艷 廖偉生 彭子睿 唐志豪

摘要：現代軟件在工業設計的應用十分廣泛，自由曲面建模的需求很大，但是傳統的CAD等軟件建模過程十分困難，尤其是對于無規則的曲面模型。人在現實生活進行雕刻會有很多不可控因素，如材料的浪費、人身安全問題等。文中主要介紹了Freeform系統的核心技術和系統的主要結構，通過詳細的人物模型設計過程介紹了Freeform系統在人物模型設計中的應用。

關鍵詞：freeform系統；自由建模；虛擬雕刻；曲面模型

一、虛擬雕刻的系統結構和核心技術

虛擬觸覺式freeform系統是一套基于力反饋技術的虛擬造型設計系統。而它所應用的力反饋技術則是一種虛擬的雕刻技術，它利用先進的技術手段將現實環境中的物理設備的機械運動轉變成虛擬空間中實時運動，使用戶在雕刻過程中通過視覺、聽覺和觸覺的反饋體驗到真實的力度感和方向感。

該系統由觸覺設備PHANTOM、軟件平臺FreeForm Modeling Plus（如圖1所示）和SDK開發包構成。

觸覺設備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輸入和準確的力回饋輸出，讓使用者能夠感受到3D模型的硬度、摩擦力等。

軟件平臺FreeForm Modeling Plus中提供了數字黏土或虛擬油泥、雕刻刀和造型界面。使用戶可以通過觸控筆控制雕刻刀對數字黏土進行自由造型。

OHAE（OpenHaptics Academic Edition）是FreeForm系統的SDK開發包，用戶可以對FreeForm的軟件平臺進行二次開發，增加新的模型外觀、物理變化和力量效果等，以應對不同的應用需求。

功能強大的軟件不僅體現在自身功能上，也表現在與其他軟硬件系統的兼容性上。

FreeForm系統能夠廣泛接受2D數據。可以輸入2D圖片，如jpg、jpeg、bmp或IGES曲線，可以和平面或工業設計結合，直接輸入Photoshop的.psd或Illustrator的.ai格式的數據。

系統運用的力反饋實際上就是運用“作用力與反作用力”的原理來欺騙人們的觸覺，達到傳遞力度和方向信息的目的。虛擬觸覺系統中操作者的大腦發出指令，做出不同的手勢動作，啟動數據手套，由PHONTOM系統操作桿中的傳感器將手的動作數據傳遞給計算機，計算機通過一定的算法用智慧雕刻刀進行雕刻。

此外，計算機對虛擬手或雕刻刀與虛擬物體進行碰撞檢測，而后將位置、力量信號反饋給數據手套或操作桿，根據這些信息啟動觸覺執行機構，通過對手進行各種阻礙運動的方式，使用戶產生觸覺感知。（如圖2所示）。

二、基于freeform的人物模型設計

1、建立草模

草繪建模適用于這種隨意模型的建模，能很好地捕捉設計師的靈感和創意，非常適用于虛擬產品的概念設計階段。

2、大體的造型

打開Freeform系統軟件，創建新的文件，利用添加黏土工具進行堆積。在人物模型設計的時候，先進行頭型的設計。先用球形黏土進行黏土添加，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，同樣應用添加黏土工具，調整黏土的大小來進行身體部分的創建，使用側視圖添加在相應的部位添加適當的黏土，能看出整體的模型。

3、進行精細雕刻

接下來需要對各部分進行細節雕刻，例如頭部的雕刻。在做頭部的細節雕刻時，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中的擠壓工具，然后使用-鍵調整工具尺寸，雕刻出嘴的凹槽。現在只需簡單的雕刻出五官的位置，無需擔心最終的形狀，因為最后會對重要的部分進行優化。接下來穿到黏土的內部，創造粗糙的下頜線和下巴，這時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的添加黏土，盡量多添加，方便后續的雕刻。

在模型的內部繼續使用擠壓工具，放開觸筆的按鈕，進入黏土的內部，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，我們可以通過側視圖來判斷鼻子的厚度。

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

使用構建黏土選項板中的鏡像黏土工具，在默認情況下，會在整體坐標系的中心位置顯示，點擊動態欄中的預覽，設置動態欄中鏡面的方向，點擊運行按鈕完成鏡像成形。

在變形黏土選項板中點擊拖拽工具，點擊動態欄中的實時鏡像按鈕，保證在處理模型的一側時，另一側的鏡像模型也會實時更新。將拖拽工具放在眉眼處，拖動工具，做成彎曲的眉形，將工具放在嘴角，向上拉。使用+鍵，擴大拖拽工具，將臉的下半部分向內拉，使得下巴變尖，然后使用-鍵，減小工具的尺寸，在模型的一側只捕捉臉頰部分。擴大拖拽工具，制作人的頭顱，減小工具尺寸，制作眼眶，推動鼻梁，調整眼睛之間的距離。

接下來需要創建人的五官，打開一個空白文件，先添加黏土工具，再用冰淇淋蛋卷工具，在耳朵處創建一個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，對耳朵的內部進行雕刻，添加細節并且使其平滑，完成一只耳朵后，使用鏡像成形，生成另一只。使用移動工具將制作的耳朵放置在臉部模型的合適位置。

對進行人的眼睛的構建，添加一個橫向的圓柱形黏土，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眼睛部分進行精細打磨和雕刻。

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

4、分區上色

將要上色的區域進行激活，使用黏土上色工具對已經激活的黏土塊進行上色。有些細節部位不適合使用黏土上色工具的，可以選擇噴槍噴顏色，因為噴槍作用的區域小，相對于黏土上色空間可控性較強。

三、總結

本文主要論述了虛擬觸覺式freeform系統在人物模型設計過程的應用研究，在人物模型的設計造型中，對于對軟件的設備與使用完全不能熟練掌握的非專業人員，需要從設備的開機開始入門，熟悉軟件的操作界面，然后研究該從什么方向開始進入人物模型的設計。虛擬觸覺式freeform系統的操作界面簡潔，而且即使是我這樣的非專業人員使用也是極其容易上手的。且它的兼容性能在設計過程中解決很多不必要的麻煩。虛擬觸覺式freeform這種技術更加有利于產品設計的可持續發展，同時產生較高的經濟效益與社會效益。在產品設計開發過程中，大大的縮短產品開發的周期。

參考文獻：

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