基于彩色ER/RP的卡通筆快速設計

李瑞鋒 宋明忠 周偉召 馬海彥

摘 要：為克服采用單色三維掃描得到的數字化模型顏色和紋理缺失的不足，提出一種基于彩色ER/RP的卡通筆快速設計方案。該方案先用三維彩色掃描儀對卡通玩偶進行三維掃描并獲取數據，結合逆向工程（RE）技術對獲取的點云數據進行數據處理、曲面重構與造型優化;然后利用Geomagic Design X把玩偶的三維模型與筆的三維模型進行拼接，并對拼接模型中不足之處進行人工校正，得到一個紋理特征清晰的彩色數字化三維模型。最后用彩色3D打印技術把核心部件——卡通筆帽打印出來。實驗表明：構建的彩色數字模型較單色模型更加形象直觀，打印的彩色樣件較單色樣件更加生動，提高了產品的設計開發效率。

關鍵詞：卡通筆;逆向工程;快速成型;快速開發

中圖分類號：TQ320.66?????? 文獻標識碼：B 文章編號：1001-5922（2022）03-0080-05

Rapid design of cartoon pen based on color ER/RP technology

LI Ruifeng1，2， SONG Mingzhong1， ZHOU Weizhao3， MA Haiyan1

（1.Department of Intelligence Manufacturing，Shaanxi Institute of Mechatronic Technology，

Baoji 721001， Shaanxi China;2.Shaanxi Qizhi Jude Intelligent Equipment Co.， Ltd， Baoji 721001，Shaanxi

China;3.Shaanxi Bodin Rapid Precision Casting Technology Co.，Ltd.，Weinan 714000，Shaanxi China）

Abstract：

In order to overcome the deficiency of the lack of color and texture in the digital model obtained by monochrome 3D scanning， a fast design scheme of cartoon pen based on color ER / RP was proposed. Firstly， 3D color scanner was used to scan cartoon dolls and obtain data， and Reverse Engineering （RE） technology was used for data processing， surface reconstruction and modeling optimization. Then the color digital 3D model of the doll was spliced with the pen by Geomagic? Design X， and the shortcomings of the model were manually corrected to get a color digital 3D model with clear texture features. Finally， the cartoon pen cap sample was printed by color 3D printing technology. Experiments showed that the color digital model was more visual than the monochrome model， the? model of the printed color physical model was more vivid than the monochrome model， the clear texture and bright color pen sample was convenient for designers to improve the digital model， which improved the efficiency of product design and development.

Key words：

cartoon? pen; reverse engineering; rapid prototyping; rapid development

近幾年，伴隨著逆向工程（RE）技術的不斷完善，使這一需求的實現過程變得十分容易。所謂的逆向工程也被某些學者稱為“反求工程”，它是一項能夠根據實物快速準確建立其三維數字化模型的新技術[1]。隨著該技術的不斷發展，目前先進的逆向工程還能建立具有紋理特征的彩色數字化模型。

有學者采用EinScan SP三維掃描儀對巧虎玩偶進行三維掃描，然后把得到的數字化模型應用到兒童牙刷手柄的設計開發中，取得了良好效果，縮短了產品開發周期[2]。

針對上述學者的設計的結果，在卡通筆設計過程中，增加更加先進的Discovery模塊對掃描效果進行加強，其主要優勢：數字化模型顏色還原度好，紋理細節逼真，便于進行紋理和顏色校正。研究對象花木蘭卡通玩偶實物，如圖1所示。其采用彩色三維掃描技術，對其表面紋理和色彩特征信息進行采集，然后建立彩色三維數字化模型，再結合美學和人機工程學，對花木蘭的數字模型的紋理和顏色行優化，并對局部造型進行再設計，進而得到色彩艷麗、紋理清晰的彩色數字化三維模型，最后筆桿直接借用原筆桿，構建出卡通筆帽數字模型。

3D打印是當今發展勢頭迅猛的先進制造技術之一。尤其是粘接型3D打印技術在航空、醫療和建筑等領域得到了大量應用[3]。這些都離不開粘結劑的快速發展。其中石膏3D打印中常見的粘結劑是二甘醇，一般還需要添加表面活性劑，有時為了達到最佳黏度還需要添加純凈水。

彩色3D打印如何實現顏色的準確再現，一直是科研工作者孜孜不倦追求的終極目標。麻省理工學院的一個團隊設計了一種RePaint系統[4]。該系統結合了3D打印技術和最火熱的深度學習技術，較好地完成了繪畫的復制。該團隊將10種透明油墨，分成薄層后逐層打印，并且圖像也分割為細小的彩色點而非連續的色調，從而打印出更加細致的繪畫，顏色配比與原作品高度一致。由于該技術中AI調色和分層過于耗時，效率低下，該團隊轉而訓練深度學習模型，進而預測油墨的最佳堆疊和細小的彩色點分割方式。但這種方式僅僅能打印出彩色繪畫;石膏3D打印技術則可以打印彩色的立體模型。如果在打印過程中加入AI配色和深度學習等人工智能技術，石膏彩色3D打印技術將在刻畫模型紋理和表達表面反射等有所突破。最后前期構建的卡通筆帽采用石膏彩色3D打印技術打印出來，進而達到快速開發產品的目的。

1 卡通筆設計思路

深受青少年喜愛的卡通簽字筆往往具有當前流行卡通人物造型，除此之外還應該用起來順手符合人機工程學，顏色也應該搭配合理，并具有較高的美感，這樣才能獲得青少年的認可和喜愛。因此，在卡通筆的設計開發初期，就要從外觀造型和使用舒適度上進行全面考慮[2]。

1.1 外觀可愛，顏色艷麗

外觀可愛、顏色艷麗的卡通筆外形對青少年極具吸引力;合理搭配的色彩，逼真的紋理更能讓人愛不釋手。由于年齡和心理的不同，青少年之間對卡通人物的喜好有著巨大的差異。根據當前流行的卡通形象，有學者將卡通玩偶與牙刷巧妙地設計成一個整體[5]。本文以卡通人物花木蘭為造型基礎，將筆與卡通玩偶花木蘭設計成一個整體，合理調整頭發和彩帶、裙邊及四肢的比例和形態，保證人物的造型沒有明顯的棱角，與筆帽的曲線過渡協調，同時力求顏色搭配合理，保證筆與簽字筆的整體協調一致。

1.2 筆帽抓取順手，不易滑脫

卡通筆的核心功能是書寫，因此在進行外觀設計的同時，還要保證書寫流暢，筆帽插拔方便順手[6]。簽字筆的設計過程中除了要關注書寫時的人機工程學，還需要關注筆帽插拔過程中的人機工程學。所以卡通筆的設計思路是筆帽采用流行卡通人物造型，同時還要考慮筆帽插拔過程的流暢性和抓取的舒適度。

2 點云數據的獲取和處理

2.1 點云數據獲取

點云數據獲取是指用三維掃描儀對實物進行掃描，進而獲得表面點的三維坐標值的過程[7-8]。花木蘭玩偶顏色艷麗，紋理清晰，造型復雜，所以采用EinScan SP彩色三維掃描儀進行掃描，為了得到較好的效果，增加Discovery模塊對掃描效果進行加強。為了得到完整的數字化模型，需要從多個角度進行掃描，掃描過程中圖如圖2所示。之后系統對多個掃描圖進行離散點的刪除，并進行自動拼接;拼接完成后就可以得到一個完整的由點云構成的花木蘭玩偶模型;然后以“*.OBJ”格式導出，該格式保留了玩偶的顏色和紋理特征。圖3為拼接完成的彩色花木蘭玩偶點云數據模型圖。

2.2 曲面模型構建

點云數據是由眾多的空間點構成的一個數字化模型，還需要用Geomagic Design X軟件將點云數據進一步處理。在Geomagic Design X軟件中對彩色花木蘭點云數據進行降噪處理、降低密度和點云封裝等一系列處理后[9]，就得到了一個相對完整的數字化模型。根據玩偶的外部輪廓的曲線特征，找到的主要輪廓特征線后，可以把掃描過程中產生的一些壞點、噪聲點去除掉，這就是所謂的降噪處理;降噪處理之后得到的點云數據仍然十分龐大，但這些數據對模型的精度影響有限，刪除不必要的重復點，花木蘭模型點云數據從2 235 066個降到了184 980個，在不影響模型的精細程度的前提下，大大降低了計算機的運算量;精簡之后的點云模型封裝即可得到的花木蘭曲面模型，結果如圖4所示。

2.3 曲面快速重構與優化

2.3.1 曲面快速重構

就當前技術而言，逆向工程中的關鍵環節和重點環節仍然是曲面重構[10]。由于花木蘭外形十分復雜，故采用Geomagic Design X軟件對數字模型進行NURBS曲面快速重構。對花木蘭模型頭發、裙角、飄帶等大曲率部位進行自動探測輪廓線，為了兼顧效率和質量曲率敏感性設定為80，但由于是軟件自動探測，得到的輪廓線較為粗糙，與實際需求存在較大偏差，通過手動方式對不合理的地方進行優化;小心地對模型中裙邊等小曲率區域的輪廓線進行手動調整。為保證模型細節的準確性，多次調整優化后得到的快速曲面重構曲面分塊，結果如圖5所示。

根據上一步編輯完成的多個輪廓線構建NURBS曲面片。當曲面構建完成之后，接著對各個曲面相交的地方進行優化，力求連接處曲面光滑、紋理清晰。采用斑馬紋對得到模型曲面進行光順品質檢查，對不太理想的局部曲面則通過曲面控制點作進一步調節，使曲面光順品質達到所需精度要求。重構后的花木蘭數字化模型如圖6所示。

在模型中導入簽字筆數字化模型，本著外觀優美、比例協調的原則，調整花木蘭數字化模型的大小;將兩個模型放置在同一條軸線上，花木蘭的頭頂與筆帽的頭頂對齊，結果如圖7所示。筆桿直接借用原筆桿，無需進行設計，下面僅介紹卡通筆帽的設計過程。

2.3.2 筆帽造型改進和與尺寸確定

為了保證卡通人物造型美觀大方，還需要從人機學的角度對筆帽的局部結構進行設計。所以對基于RE技術創建的卡通筆帽模型作局部優化和從人機學角度進行尺寸計算是十分必要的。造型優化前后對比圖，結果如圖8所示。

根據三維掃描技術初步構建的卡通筆帽如圖8（a）所示，掃描的花木蘭原型裙子下擺較大，與筆帽結合處呈現臺階狀，且大于筆帽5.2 mm;雖然該造型和真實的裙子下擺比較接近，但這一喇叭口過于鋒利，拇指和食指抓取筆帽時，存在割傷手指的隱患。因此需要對花木蘭裙子進行優化設計，將裙子下擺進行收縮，使其開口大小與筆帽直徑一致，最終保證裙子下擺與筆帽平滑過渡，把裙子下擺的喇叭口消除，結果如圖8（b）所示。這樣青少年在插拔筆帽時，不僅抓取方便，而且不會傷到手指。花木蘭造型的頭發是中空蓬松結構，額頭上的一縷頭發呈懸空結構，為防止使用過程意外折斷，需要對該縷頭發進行改進，將其剪除。裙子上的飄帶漂浮在空中過于突兀，容易在使用過程中折斷，故將其優化，保證飄帶緊緊貼在裙子上。經過優化后的卡通筆帽造型如圖8（c）所示。

為了保證筆帽與簽字筆的連接可靠，采用過盈配合。這就導致人手需要施加足夠的外力才可以將其從簽字筆上拔下，所以筆帽尺寸的設定過程中應充分考慮當今青少年手型和手指粗細。青少年手部尺寸參考[2]的數據，具體數據如表1所示。

根據表1中手部數據，結合青少年用筆習慣、筆帽插拔習慣，對表1中數據進行修訂。最終確定花木蘭筆帽的長度為160 mm，最大直徑為28 mm，最小直徑為12 mm，具體如圖9所示。

2.3.3 筆帽顏色和紋理的改進

采用了彩色三維掃描技術構建的模型，雖然其顏色和紋理都清晰展示出來，但是在在設計卡通筆帽過程中花木蘭玩偶被成比例縮小了，導致設計的卡通筆帽玩偶細小部分的細節沒有展現出來;所以必須對影響卡通玩偶美觀的紋理進行校正。在校正過程中重點刻畫玩偶的眼睛和嘴唇;同時對影響玩偶整體形象的裙子的褶皺也做了校正。

彩色三維模型的另外一個特點就是可以逼真的顯示其原型的顏色。但是，由于在構建卡通筆帽過程中花木蘭玩偶被成比例地縮小了，顏色搭配也隨之發生了變化，所以需要對顏色進行校正，保證模型顏色艷麗，符合青少年的審美。顏色校正后的卡通筆帽模型如圖8（c）所示。

3 卡通筆的快速成型

快速成型（RP），是結合新材料，伺服技術和CAD/CAM技術等先進技術的一門綜合性新技術。它先把建立的數字化模型進行切割，按照一定的順序將分層切割的數字模型進行逐層堆積。當所有的分層都制造完成后，即可得到和數字模型一致的實體零件[11-12]。這種技術可以快速的制造出尺寸準確、外觀形象的三維實體模型，與傳統的原型制造相比，具有精度高，速度快，成本低的特點。

卡通筆桿直接借用原筆桿，筆桿形狀規則無需打印出樣件，下面僅介紹卡通筆帽的3D打印過程。

卡通筆帽采用安徽某三維科技有限公司生產的Mint-I打印機，選用乳白、青藍、紅、黃等4種顏色石膏復合粉末和1種透明石膏復合粉末作為打印材料進行彩色3D打印。具體操作過程：將花木蘭筆帽模型以OBJ文件格式導入打印設備;兼顧打印效率、打印精度和減少臺階效應，把數字化筆帽設置成水平方向，并且放置在打印平臺中心位置;將3D打印機初始化后，然后校對噴頭位置;工藝參數設置：層厚0.103 mm、輪廓寬度10 px。如圖10（a）所示，經過認真核對后啟動打印機。打出零件后，去除玩偶上附著的石膏粉末，并對零件表面進行簡單修整得到花木蘭玩偶筆帽，具體如圖10（b）所示。根據3D打印出來的樣件，對其造型、美學和人機工程學尺寸進行審查，對不合理的局部進行修正，直到花木蘭筆帽完全符合設計要求為止。

4 結語

為了設計一款深受青少年喜愛的卡通筆，提出一種基于彩色RE/RP技術的卡通筆設計方案。該方案采用彩色三維掃描技術和彩色3D打印技術進行建模和快速成型，建立的數字化模型和打印的樣件不僅尺寸精確，而且顏色艷麗、紋理清晰，較單色數字化模型更加形象生動，極大地提高了設計人員的效率，進而縮短卡通筆設計周期，降低開發成本，對搶占瞬息萬變的卡通周邊產品市場具有重要意義，對于相似的卡通人物的塑料產品快速開發與上市也有一定的參考價值。

【參考文獻】

[1] 李婷婷，左華江，唐春怡，等. 粘接成型3D打印用膠粘劑的研究進展[J].中國膠粘劑，2020，29（12）：59-63.

[2] 俞榮標，王華興，吳飛燁，等.基于 ER/RP技術的兒童牙刷柄快速設計開發[J].塑料工業，2019，47（8）： 65-68.

[3] 陳晨. 油畫的三維數字化及3D打印復制研究[D].廣州：華南理工大學，2016.

[4] 王海雄，王軍力，黃啟欣.電吹風手柄后蓋逆向工程建模與模具設計[J].中國塑料，2018（11）：131-135.

[5] 滕佳華， 顧云瑤， 祝燕琴.基于HID理念的兒童智能電牙刷設計[J].設計， 2019 （2）：? 132-134.

[6] 劉懷敏.人體工程應用與實訓[M].上海：東方出版中心，2008.

[7] 程美，朱旭暉，歐陽波儀.基于RE與RP技術的F200卡車燈座零件的快速開發[J].模具制造技術，2016（4）：76-79.

[8] 趙讓乾，劉豫喜.基于反求工程的剃須刀造型設計[J].河工程學院學報（自然科學版），2014（9）：38-43.

[9] 張毅，張夢旖，王莎，等.飛行員座椅靠背模型重構與快速成型[J].塑料工業，2017，5（6）：43-49.

[10] 鄧佳文，張政厲，丹彤，等.基于逆向工程與快速原型的三維模型重構[J].塑料工業，2015，43（5）：35-38.

[11] 陳成，閆華，潘中永，等.基于RE和RP技術的紙漿泵葉輪快速開發[J].機械設計與制造，2009（1）：208 -210.

[12] 袁曉東.基于逆向工程與3D打印技術的產品創新設計研[J].機械設計，2015（10）：105-108.