产品外观造型三维装饰图案自动生成技术

李 珂，王 刚，张伟社，陈世斌

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064)

产品造型外观设计是通过对产品外观的几何形态、色彩、材质和图饰等元素的综合设计予以实现的.而三维图案的触感及立体感则使其在产品设计中的应用日益广泛.装饰图案的计算机辅助自动化生成技术可以提高图案的创新性及效率，尤其是对于一些如织物上的复杂图案，同时可实现图饰设计的可视化［1］.

K.W.Chung等［2］应用动态系统对瓷砖上分型图案的自动生成进行了研究.Ouyang Peichang等［3］对双曲线图案的可视化进行了研究，提出一种将任一点转化为基本区域的快速算法并结合不变量映射方法的图案生成方法，使其可以简单有效地生成各种美学的双曲线图案.

虽然国内外学者都对图案生成的创新方法进行了一定的研究，但对三维图案的计算机辅助生成技术涉之甚少，文中基于Visual C++，UG和犀牛软件，提出一种集成设计方法，并开发出三维图案自动生成系统，对图案进行元素提取、创新并生成图案，最后将其映射到产品造型外观实体中.

1 图案的生成方法

1.1 构图元素的提取

构图元素的提取主要根据数字图象处理技术来实现.文中运用Visual C++编程环境编写图案元素提取程序，对图像进行以下处理:彩色图片变灰度图片、二值化处理、边缘检测与提取(一阶微分处理)［1，4］，由此可以得到图案清晰的二维轮廓，从而提取出构图元素.

1.2 构图规律确定方法

在开发的图案实体自动生成系统中，寻找图案的构成规律，对平面提取出二维图形的图案进行再设计.根据构图规律进行图案创新的方法有以下2种:

1)按正则韵律化创新图案.即将构图元素按照向上下、左右二方或上下左右4个方向进行重复，并生成新图案.应用正则韵律化生成的新图案，具有和谐统一的特点，适宜于大面积的装饰图案设计.

2)按循环规律生成新图案.即给构图元素增加一个形成新图案的规律，如递归循环规律，让构图元素以递归算法形成新的图案.

按上述方法生成的新图案如图1所示.

图1 构图元素按构图规律形成图案

由于三维图案自动生成系统中包含多种构图元素，因此除了上述针对一种构图元素的再造方法之外，还可以采用多种构图元素，用拓扑图表达构图规律，创新三维装饰图案［5］.

2 平面三维图案自动生成方法与技术

UG/Open是UG二次开发工具的总称，它通过C语言编译，调用函数等将UG与外部应用程序链接起来.创建自定义对话框时，自动生成相对应的.c和.h文件，使之连接更紧密且节省开发时间［6］.

2.1 Visual C++，UG的集成应用

在完成设计UG菜单和对话框之后，就可以在Visual C++6.0平台上，编写程序代码，创建与其对应的UG/Open API应用程序.由于UG/Open API是UG与外部应用程序之间的接口，它是UG提供的一系列函数和过程的集合，用户可以通过C语言编程调用这些函数或过程，将API函数无缝地集成到C++程序中.

通过建立工程文件，并进行工程文件设置，实现UG/Open API与Visual C++的动态链接，可以调用其库文件(见图2)，完成创建UG/Open API应用程序所必须的基础条件.然后可以根据用户需求增加多个工程文件，也就是对话框保存时生成的*.c和*.h文件，来实现信息库图案的绘制.

图2 在VC++中创建对应的UG/OpenAPI应用程序

2.2 开发UG/Open API图案自动绘制程序

完成创建对应的UG/Open API应用程序之后，要开发图案自动绘制程序，即在对话框生成的*.cpp和*.h文件中编写具体的图案程序.

*.h文件中编写的应用程序主要有完成定义对话框参数的数据结构和对话框回调函数声明2部分的编写.

*.cpp文件的程序编写可以完成对话框后的参数传递和绘图程序编写.首先，添加头文件;然后，通过修改回调函数名、回调函数数据名和空字改为指针字符3个参数，完成对话框回调函数的编写;接着，在对话框的*.c文件中定义“确定”按钮的回调函数，以便完成绘制分形函数参数的传递;最后，根据递归算法及图案的构图规律来编写图案绘制程序［7］.C曲线的递归程序设计如下:

程序的说明:在n＞0的情况，递归程序先算出(x3，y3)点坐标，将其代入自身递归的函数，之后绘制(x1，y1)到(x2，y2)的连线.也就是说在n＞0 的情况下每递归一次都画出新的(x1，y1)到(x2，y2)的连线，直到n≤0跳出递归程序，得出最终图案.

根据上述算法和绘图命令，绘制出的C曲线图案实体如图3所示.

图3 UG界面下的C曲线图案

2.3 在UG界面中生成三维分形图案

根据上述集成程序的开发设计，在UG用户界面中，可以通过对话框，输入各个参数，递归次数或方向等，对每种图案的自动生成算法的参数及样式进行控制，就可以自动生成多种三维图案，最后以STEP数据格式保存.图3为界面下自动生成的C曲线，图4所示为UG用户界面下生成的龙纹图案.

图4 UG界面下的龙纹图案

3 三维图案到目标曲面的映射

在实际应用中，STEP和 IGES类型的数据格式均可以实现各种CAD软件的数据交换，并能比较好地保留模型信息.但IGES类型的数据本身数据过于复杂、信息量大，在转换中耗时长且易丢失信息，无法分解其中的零件和子组件.而STEP类型的数据能弥补IGES格式的缺点.由于建立的图案是平面三维模型，需要将其映射到产品实体模型上，在UG或是Pro/E中均不能解决曲面或非平面的问题.因此，可以应用(Rhino)犀牛软件，将图案文件存为STEP格式的数据文件对产品实体模型和图案实体模型进行操作，实现贴图功能，从而完成对产品实体模型的映射变换［8-10］.

首先，将产品实体模型和在UG软件中自动生成的三维图案模型均以STEP数据格式保存;然后，以插入的形式将2个STEP文件调入，通过UG展开功能展开产品实体模型，建立图案放置的平面;最后，将图案实体模型放置到建立的平面上，并调整其大小、比例、位置、方向等，调整合适后以曲面流动的方式将三维图案模型结合在产品实体模型的曲面上.

图5为龙纹图案在建立平面上的布局，图6为龙纹图案在产品实体上的映射，图7是其自动生成出来的C图案和龙纹图案分别映射到玉镯造型设计中的渲染效果.

图5 龙纹图案在展开平面上的布局

图6 龙纹图案在产品实体上的映射

图7 玉镯三维龙纹图案装饰

4 结论

集成Visual C++，UG和犀牛软件等数字化工具，开发三维实体图案自动生成系统是一种有效方法，应用该方法所开发的系统实现了在UG中自动生成复杂的三维图案，利用现有织物与文物等产品造型上的图案构图元素与构图规律，构思新的构图规律及其表达方法与技术，以扩展三维图案自动生成系统生成图案的多样性.

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［3］Ouyang Peichang，Cheng Dongsheng.The visualization ofhyperbolic patternsfrom invariant mapping method［J］.Computer＆Graphics，2012，36:101-110.

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