基于局部自適應細分的創(chuàng)意變形技術研究

谷香麗 魏威 楊欣

摘要：為了實現(xiàn)消費級非專業(yè)設計者，能在自由創(chuàng)意建模過程中實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)意的自由表達。本文通過研究三維點云結構、網格變形技術和細分算法，提出了新的基于自適應細分的創(chuàng)意變形技術，通過交互實現(xiàn)對三維模型的局部變形和細分，達到模型形變的精細級控制，使得非專業(yè)用戶可以像“捏橡皮泥”一樣自由地通過雕刻、拖拽等功能進行創(chuàng)意設計。

關鍵詞：自由變形；創(chuàng)意設計；局部自適應細分

1 引言①

隨著三維打印技術的普及，消費級三維打印在家具家電、智能可穿戴設備和文化創(chuàng)意（珠寶、玩具和動漫手辦）等個性化較強的領域，開始被廣大用戶關注并體驗，越來越多的大眾都有親手建模的需求，面對龐大人口基數(shù)的消費者市場，三維打印技術的市場潛力巨大。而目前大部分三維建模系統(tǒng)門檻高、難度大，且消費級用戶的專業(yè)設計能力較弱。如何簡單并直接地讓設計者的創(chuàng)意發(fā)揮出來一直是三維建模技術中的主要難題。針對該問題，需提出新的創(chuàng)意變形建模方法，用于創(chuàng)意設計。讓用戶像“捏橡皮泥”一樣自由地通過雕刻、拖拽等功能進行創(chuàng)意設計。

而目前大部分建模系統(tǒng)采用非均勻有理B樣條（NURBS）進行建模，一方面，采用NURBS曲面造型系統(tǒng)，使得建模門檻過高、學習難度大；另一方面，雖然NURBS在航空、汽車和航海上得以應用，但是NURBS在表達復雜自然形狀方面會遭遇拓撲問題，NURBS很難表達復雜的拓撲。因此人們提出曲面細分方法，該方法是基于網格細化的離散曲面表現(xiàn)形式，實現(xiàn)從任意拓撲網格構建光滑曲面。讓用戶在創(chuàng)意建模時，具有更高的靈活性，而不需要考慮復雜的技術細節(jié)。目前已有很多經典的細分變形方法，包括基于四邊形網格細分的Catmull-clark模式，基于三角形網格細分變形的Loop模式，基于任意多邊形網格細分變形的Doo-Sabin模型等。其中文獻[1]、文獻[2]和文獻[3]均基于Catmull-clark細分變形規(guī)則，提出基于四邊形網格的可調自適應細分方法，改善了傳統(tǒng)Catmull-clark均勻細分規(guī)則，加入調節(jié)控制因子，增加曲面細分造型的靈活性。文獻[2]又采用曲面上點的曲率控制細分次數(shù)，控制模型數(shù)據(jù)量的同時達到良好的曲面造型效果。文獻[3]引入尖銳邊概念，使光滑的細分曲面能夠表示尖銳特征，實現(xiàn)造型的多樣性。文獻[4]則以傳統(tǒng)Loop均勻細分方法為導向，提出基于三角形網格自適應細分方法，類比于文獻[2]中以曲率為控制細分因子，該文提出二面角準則控制模型細分次數(shù)，降低曲面片數(shù)量。文獻[5]將B樣條曲面的節(jié)點嵌入算法推廣到任意拓撲網格上，突破單一類型網格細分，實現(xiàn)任意的多邊形網格細分。

本文提出一種基于三角網格自適應曲面細分的自由變形方法，并應用到創(chuàng)意建模中。該方法總體分為三步，首先，構造新的基于交互的創(chuàng)意變形控制方法，控制交互拾取的網格頂點自然、光順變形；其次，引入以Loop細分模式為背景的可調細分規(guī)則，對網格變形區(qū)域進行細分，增加網格細分變形的靈活性；最后，提出新的細分控制規(guī)則以提高細分變形效率。本文提出的基于交互的細分變形方法，對要造型處理的部位進行曲面細分，實現(xiàn)形狀的精細級控制，支持用戶創(chuàng)意的表達，用于創(chuàng)意設計，降低創(chuàng)意設計操作門檻，打通萬眾創(chuàng)新與 3D 打印制造的對接通道，吸引廣大消費者的使用。該方法可以更高效靈活地、更準確地讓創(chuàng)作者的創(chuàng)意發(fā)揮出來。基于細分的創(chuàng)意建模流程圖如圖1所示。

2 創(chuàng)意變形建模技術

為了實現(xiàn)模型的創(chuàng)意變形，并降低創(chuàng)意建模門檻，讓新手能夠快速上手，本文提出了新的創(chuàng)意變形技術，該技術只需要設計者按照自己的設計意圖，像捏橡皮泥一般，在模型需要變形的區(qū)域拖動鼠標，即可達到選中區(qū)域變形，另外該方法實現(xiàn)了變形區(qū)域與非變形區(qū)域的光滑過度，使變形區(qū)域更加自然。

對于本文提出的創(chuàng)意變形方法，首先，遍歷創(chuàng)意變形曲面的局部三角形網格，然后對該區(qū)域內所有的三角形頂點依據(jù)如下規(guī)則進行自由變形。

1）設拾取半徑為r，偏移峰值為h。

如圖3所示，采用以上控制變形方法，在模型上拖動鼠標進行交互操作，實現(xiàn)對模型的局部自由變形。其中圖3a為初始三角網格模型，圖3b和圖3c則是采用 控制變形函數(shù)對模型進行局部變形結果，由變形結果可以看出，模型變形區(qū)域與非變形區(qū)域之間的過渡比較光順、自然。

然而，直接對模型進行創(chuàng)意變形，難以貼合設計師的創(chuàng)作意圖，會使變形模型顯示粗糙，在模型變形的過程中增加曲面細分技術，可提高模型的光順性，提升模型的美觀。因此本文提出以Loop細分模式為背景，并加入細分控制因子，構造新的細分規(guī)則實現(xiàn)對初始網格的自適應細分，以適用該章節(jié)提出的基于交互的自由變形方法。

3 曲面細分方法

曲線細分的基本思想是每次細分都在每條邊上插入一個新的頂點，如圖4所示。可以看到隨著細分次數(shù)的增加，折線逐漸變成一條光滑的曲線。

類比于曲線細分思想，曲面細分則需要有幾何規(guī)則和拓撲規(guī)則（鑒于文獻[6]），幾何規(guī)則用于計算新頂點的位置，拓撲規(guī)則用于確定新頂點的連接關系。下面介紹基于Loop細分模式的三角形網格細分方法。

Loop細分算法分為傳統(tǒng)Loop細分方法和可調控Loop細分方法。對于傳統(tǒng)細分方法，Loop細分算法由Charles Loop提出，該算法先后采用網格拓撲規(guī)則和幾何規(guī)則完成細分。其中拓撲規(guī)則就是在三角形每條邊上添加點，并將新添加的點兩兩相連，由一個三角形分裂為4個新的三角形，即4倍細分，如圖5所示。那么幾何規(guī)則是在添加新頂點后，按照一定規(guī)則更新網格中所有頂點位置，在更新過程中使新的網格更加光順。由于細分一次，三角形的個數(shù)增長為原來的4倍，那么隨著細分深度的增加網格數(shù)量急劇增長，另一方面，傳統(tǒng)的Loop細分方法采用固定的細分模式，在細分過程中我們無法對細分曲面進行有效的形狀控制。

在自適應細分方法中，采用三角形最大邊長？A（f ） 作為控制因子，來判斷當前三角形是否滿足給定閾值？，如果滿足則不再進入下一次細分；否則繼續(xù)采用給定細分方法細分。其中對于非活動面，不在其邊上插入新的頂點，對于活動面，采用可調Loop細分規(guī)則進行插入新點和更新已有頂點。對于新創(chuàng)建的面繼續(xù)采用式（6）進行判斷，并更新網格直至所有三角面滿足式（6）。該方法可以有效控制曲面細分次數(shù)，在達到有效表達創(chuàng)意者意圖的同時，減少細分變形區(qū)域的面片量。

4 基于細分曲面的自由變形技術應用

基于細分曲面的自由造型方法，實現(xiàn)通過拖拽物體表面元素來編輯細分曲面物體的創(chuàng)意變形。根據(jù)變形量以及變形方式對模型進行動態(tài)劃分和調整，保證模型光順性，實現(xiàn)模型創(chuàng)意設計的自由表達。本文采用？作為三角形邊長的控制參數(shù)，來判斷三角形的邊長是否滿足給定的閾值？，如果三角形的邊長小于給定閾值則不繼續(xù)細分，否則繼續(xù)用給定的細分規(guī)則進行細分。

本文提出的自適應細分變形方法進行曲面創(chuàng)意造形規(guī)則。

4）在需要細分的三角形的邊上采點，將三角形采用可調的自適應Loop細分方法進行采點細分。

5）找到分割邊的鄰接三角形，補充新的邊，修復網格。

6）平滑新產生的點。

該細分曲面造型方法提高了模型顯示的光順性，更加貼合創(chuàng)作者的設計意圖。

如圖7所示，展示了采用不同方式對原始模型進行變形，圖7b展示了為采用細分方法直接對模型進行創(chuàng)意造形結果，從左上方的細節(jié)圖可以看出，變形后的區(qū)域出現(xiàn)狹長三角形，當變形過大時，變形三角形會更加狹長，甚至出現(xiàn)面片的自相交現(xiàn)象。圖7d是運用傳統(tǒng)Loop細分方法對模型進行創(chuàng)意變形，從細節(jié)圖中可以看出，參與變形的三角形進行了細分，但面片數(shù)量明顯增加。圖7c是運用本文提出的可調自適應Loop細分方法對模型進行創(chuàng)意變形，可見，細節(jié)圖中面片數(shù)量明顯少于圖7d中的面片數(shù)量。

通過實驗結果對比可以看出，本文提出的方法更具有豐富的表現(xiàn)力，在達到創(chuàng)作者意圖的同時，降低操作門檻，簡化操作流程，提高模型的創(chuàng)意效率。另外，在進行模型細分變形時，可以有效降低網格面片增長數(shù)量。

5 結束語

本文將細分曲面技術和自由變形兩大關鍵技術應用到創(chuàng)意建模中，提出了基于細分曲面的創(chuàng)意建模技術，實現(xiàn)三維模型自由設計。其中自由變形技術采用新的自由變形規(guī)則，實現(xiàn)了變形區(qū)域與非變形區(qū)域的光滑過度，使變形區(qū)域更加自然；另外曲面細分采用傳統(tǒng)Loop細分方法，并引入自適應細分方法和形狀控制因子來控制變形區(qū)域模型的細分層次，優(yōu)化變形區(qū)域。該技術簡潔高效，可在基于web的三維建模工具中實現(xiàn)三維模型實時的創(chuàng)意設計。

參考文獻

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