虚拟雕刻技术在人物模型设计中的应用研究

李建 陈海利 余艳 廖伟生 彭子睿 唐志豪

摘要：现代软件在工业设计的应用十分广泛，自由曲面建模的需求很大，但是传统的CAD等软件建模过程十分困难，尤其是对于无规则的曲面模型。人在现实生活进行雕刻会有很多不可控因素，如材料的浪费、人身安全问题等。文中主要介绍了Freeform系统的核心技术和系统的主要结构，通过详细的人物模型设计过程介绍了Freeform系统在人物模型设计中的应用。

关键词：freeform系统；自由建模；虚拟雕刻；曲面模型

一、虚拟雕刻的系统结构和核心技术

虚拟触觉式freeform系统是一套基于力反馈技术的虚拟造型设计系统。而它所应用的力反馈技术则是一种虚拟的雕刻技术，它利用先进的技术手段将现实环境中的物理设备的机械运动转变成虚拟空间中实时运动，使用户在雕刻过程中通过视觉、听觉和触觉的反馈体验到真实的力度感和方向感。

该系统由触觉设备PHANTOM、软件平台FreeForm Modeling Plus（如图1所示）和SDK开发包构成。

触觉设备PHANTOM是硬件接口，它通过“触控笔”借助精密的电路板提供了精确的坐标输入和准确的力回馈输出，让使用者能够感受到3D模型的硬度、摩擦力等。

软件平台FreeForm Modeling Plus中提供了数字黏土或虚拟油泥、雕刻刀和造型界面。使用户可以通过触控笔控制雕刻刀对数字黏土进行自由造型。

OHAE（OpenHaptics Academic Edition）是FreeForm系统的SDK开发包，用户可以对FreeForm的软件平台进行二次开发，增加新的模型外观、物理变化和力量效果等，以应对不同的应用需求。

功能强大的软件不仅体现在自身功能上，也表现在与其他软硬件系统的兼容性上。

FreeForm系统能够广泛接受2D数据。可以输入2D图片，如jpg、jpeg、bmp或IGES曲线，可以和平面或工业设计结合，直接输入Photoshop的.psd或Illustrator的.ai格式的数据。

系统运用的力反馈实际上就是运用“作用力与反作用力”的原理来欺骗人们的触觉，达到传递力度和方向信息的目的。虚拟触觉系统中操作者的大脑发出指令，做出不同的手势动作，启动数据手套，由PHONTOM系统操作杆中的传感器将手的动作数据传递给计算机，计算机通过一定的算法用智慧雕刻刀进行雕刻。

此外，计算机对虚拟手或雕刻刀与虚拟物体进行碰撞检测，而后将位置、力量信号反馈给数据手套或操作杆，根据这些信息启动触觉执行机构，通过对手进行各种阻碍运动的方式，使用户产生触觉感知。（如图2所示）。

二、基于freeform的人物模型设计

1、建立草模

草绘建模适用于这种随意模型的建模，能很好地捕捉设计师的灵感和创意，非常适用于虚拟产品的概念设计阶段。

2、大体的造型

打开Freeform系统软件，创建新的文件，利用添加黏土工具进行堆积。在人物模型设计的时候，先进行头型的设计。先用球形黏土进行黏土添加，然后使用冰淇淋蛋卷工具，在球形黏土的正面添加一条短的黏土块，这样就创建出了头部模型的脸和下巴。接着是身体部分的添加，同样应用添加黏土工具，调整黏土的大小来进行身体部分的创建，使用侧视图添加在相应的部位添加适当的黏土，能看出整体的模型。

3、进行精细雕刻

接下来需要对各部分进行细节雕刻，例如头部的雕刻。在做头部的细节雕刻时，可将其他部分隐藏，打开黏土的信息列表，将头部以外的部位设置为不可见。

使用球雕刻工具，雕刻出右眼的凹槽，或者使用雕刻黏土选项中的挤压工具，然后使用-键调整工具尺寸，雕刻出嘴的凹槽。现在只需简单的雕刻出五官的位置，无需担心最终的形状，因为最后会对重要的部分进行优化。接下来穿到黏土的内部，创造粗糙的下颌线和下巴，这时只需操作脸型的一半部分就可以。

将工具缩小，在嘴唇部位添加适当的添加黏土，尽量多添加，方便后续的雕刻。

在模型的内部继续使用挤压工具，放开触笔的按钮，进入黏土的内部，按住触笔按钮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，要注意稍微降低影响范围和工具尺寸。同时，我们可以通过侧视图来判断鼻子的厚度。

使用雕刻黏土选项板中的棒雕刻工具锐化下颌线，或使用刮刀雕刻工具进行处理模型。利用平滑区域工具，在下颌和脸的表面区域标记需要平滑的区域，点击运行按钮，查看效果，觉得满意后可停止使用这个工具，在嘴唇和眼眉位置也使用这个工具。

使用构建黏土选项板中的镜像黏土工具，在默认情况下，会在整体坐标系的中心位置显示，点击动态栏中的预览，设置动态栏中镜面的方向，点击运行按钮完成镜像成形。

在变形黏土选项板中点击拖拽工具，点击动态栏中的实时镜像按钮，保证在处理模型的一侧时，另一侧的镜像模型也会实时更新。将拖拽工具放在眉眼处，拖动工具，做成弯曲的眉形，将工具放在嘴角，向上拉。使用+键，扩大拖拽工具，将脸的下半部分向内拉，使得下巴变尖，然后使用-键，减小工具的尺寸，在模型的一侧只捕捉脸颊部分。扩大拖拽工具，制作人的头颅，减小工具尺寸，制作眼眶，推动鼻梁，调整眼睛之间的距离。

接下来需要创建人的五官，打开一个空白文件，先添加黏土工具，再用冰淇淋蛋卷工具，在耳朵处创建一个锥形的新添黏土形状，使用拖拽工具，完成耳朵的基本形状，再使用球雕刻工具，对耳朵的内部进行雕刻，添加细节并且使其平滑，完成一只耳朵后，使用镜像成形，生成另一只。使用移动工具将制作的耳朵放置在脸部模型的合适位置。

对进行人的眼睛的构建，添加一个横向的圆柱形黏土，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对眼睛部分进行精细打磨和雕刻。

对于身体部分也用同样的方式进行打磨，对称部分可使用镜像黏土工具。再通过一系列工具进行修改和打磨，形成最终的形态。

4、分区上色

将要上色的区域进行激活，使用黏土上色工具对已经激活的黏土块进行上色。有些细节部位不适合使用黏土上色工具的，可以选择喷枪喷颜色，因为喷枪作用的区域小，相对于黏土上色空间可控性较强。

三、总结

本文主要论述了虚拟触觉式freeform系统在人物模型设计过程的应用研究，在人物模型的设计造型中，对于对软件的设备与使用完全不能熟练掌握的非专业人员，需要从设备的开机开始入门，熟悉软件的操作界面，然后研究该从什么方向开始进入人物模型的设计。虚拟触觉式freeform系统的操作界面简洁，而且即使是我这样的非专业人员使用也是极其容易上手的。且它的兼容性能在设计过程中解决很多不必要的麻烦。虚拟触觉式freeform这种技术更加有利于产品设计的可持续发展，同时产生较高的经济效益与社会效益。在产品设计开发过程中，大大的缩短产品开发的周期。

参考文献：

[1]梁云芳；面向虚拟雕刻的几何建模的关键技术研究；南京航空航天大学研究生院；2012年1月

[2]樊婷婷；FreeForm三維雕刻技术在搜救英雄玩偶技术中的应用；北京印刷学院；2014年11月

[3]胡瑞波，张晓松、徐人平，索昕煜，胡媛；虚拟油泥技术FreeForm在产品曲面造型设计中的应用；贵州大学学报（自然科学版）；2013年2月

[4]刘莉；基于freeform的虚拟产品设计研究；石家庄铁道大学；2013