基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設計開發(fā)

PAGE基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設計開發(fā)摘要：傳統(tǒng)的玩偶玩具設計建立于油泥雕刻的方法，本文研究了一種基于“虛擬油泥”和“力反饋技術”的全新三維建模工具——觸覺式虛擬設計系統(tǒng)FreeForm，概述了其基本設計原理和核心技術，詳述了使用FreeForm系統(tǒng)設計開發(fā)玩偶玩具的具體過程。最后對比傳統(tǒng)方法總結出FreeForm系統(tǒng)在玩具開發(fā)設計中顯示出的造型任意、人機交互良好，設計過程綠色化，設計過程可逆等諸多優(yōu)勢。關鍵詞：玩偶設計開發(fā)；虛擬現(xiàn)實技術;力反饋技術；觸覺式虛擬設計系統(tǒng)ThedesignanddevelopmentofdollbasedonFreeFormAbstract:Conventionalmethodofdoll’sdesignisbasedonclaysculpting.ThereisatoolcalledFreeFormwhichisbasedon“virtualclay”and“forcefeedback”hasbeenresearchedinthispaper，Itissummarizesthatthebasictheoryandtheessentialtechnologyinthecontent,ItisexpandsthespecificprocessofdesigningandmakingadollbyusingFreeFormaswell.Bycontrastoftheconventionalmethod,thepaperfinallysumsupsomeadvantagesbyusingFreeFormintheprocessofdoll’sdesignanddevelopment,whicharefreeformstyling,goodinteractivity,environmentalandreversibleprocessofdesignanddevelopment,etc.KeyWords:VirtualReality;Virtualclay;FreeFormsystem;Doll’sdesignanddevelopment.

0引言經(jīng)濟學家Little的研究表明，一種新產(chǎn)品推向市場晚6個月，將導致整個產(chǎn)品生命周期內利潤下降15%到35%。[1]玩偶玩具因其受眾廣、利潤高，具有很強的市場開發(fā)價值。傳統(tǒng)的玩偶玩具設計開發(fā)需要3個月以上的時間，開發(fā)過程需要的人力多、周期長、成本高，導致產(chǎn)品市場響應慢，已經(jīng)逐漸無法適應新的市場變化的需要，我虛擬觸覺設計系統(tǒng)FreeForm是基于虛擬現(xiàn)實技術的仿真建立虛擬實體模型的工具，其優(yōu)秀的人機交互利于提高設計師建模的速度和質量，其模型能夠對接快速成型機，在設計和制造兩方面提高效率。1觸覺式虛擬設計系統(tǒng)FreeForm1.1FreeForm概況FreeForm是一種以1990年美國麻省理工學院(MIT)的研究項目，全稱觸覺式虛擬設計系統(tǒng)。由美國SensAbleTechnologies公司制造。這套系統(tǒng)包含了硬件和軟件兩部分，基于PC平臺。其主要構成有PHANTOM、GHOST和Clay。PHANTOM是一個硬件接口（如圖1），其連接的連桿物件稱為操縱桿(Stylus)，具有6個方向的自由度，為使用者的核心硬件。GOHST是為FreeForm設計系統(tǒng)專門開發(fā)的核心軟件系統(tǒng)，負責處理復雜的交互運算，即時提供觸覺信號，同時把現(xiàn)實的操作信號處理后反映在顯示屏幕上。Clay是FreeForm系統(tǒng)處理的對象，稱為“虛擬黏土”，也是軟件系統(tǒng)。操作者在屏幕上看到的操作效果都是由虛擬黏土表現(xiàn)出來的。此外，這套系統(tǒng)中還提供了專用的操作軟件，包含豐富的操作工具,供編輯虛擬黏土。圖1PHANTOM1.2FreeForm系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，簡稱VR)技術是人們對計算機機器非常復雜的數(shù)據(jù)進行可視化及交互操作的一種方法。FreeForm最大特點在于操作過程的可觸性，其核心技術為反饋技術。Burdea?G.在1993年Electro國際會議上提出了“虛擬現(xiàn)實技術三角”，immersion(沉浸)、interaction（交互）、imagination（想象）三者相互依存。[2]力反饋技術大大提高交互性，從而提高了想象力和沉浸感。1.2.1FreeForm中的虛擬現(xiàn)實圖2給出了FreeForm操作系統(tǒng)中各要素是如何發(fā)生關系，最終完成人于虛擬環(huán)境的交互的。圖2FreeForm設計系統(tǒng)操作原理參與者在虛擬環(huán)境中的活動經(jīng)歷有兩種形式：一種是主觀參與(First-personac-tivities)，另一種是客觀參與（Second-personactivities）。主觀參與時，參與者是整個經(jīng)歷的中心，一切圍繞參與者進行；客觀參與時，參與者則可以在虛擬環(huán)境中看到他自己與其他物體的交互。Freeform的設計依據(jù)被動性設計原理，讓操作者在接觸到虛擬黏土時，計算機才實時發(fā)出信號給與電子桿一個與法平面相反的力，讓人感受到虛擬實體的存在。1.2.2所謂的力反饋技術（ForceFeedback）實際上是一種讓人感知真實或虛擬環(huán)境中力的作用的虛擬現(xiàn)實技術。目前此技術應用已逐漸廣泛，在醫(yī)療，機器人，游戲，模擬航天航空飛行訓練等領域都發(fā)揮了重要作用。FreeForm設計系統(tǒng)通過Phantom提供給操縱桿精確的力反饋，當虛擬空間的雕刀觸及虛擬油泥時，現(xiàn)實空間的連桿物件會發(fā)出一個法向相反的力，使得設計師的雕刻過程真實可觸。1.3FreeForm的使用使用者使用的核心硬件是Phantom上的一個具有六個自由度的操作桿（Stylus）,配合鍵盤進行模擬真實油泥雕刻的設計過程，Phantom提供了精確的力反饋輸出，讓使用者在“雕刻”過程中實時感受到“油泥”的硬度、紋理、摩擦等力。FreeForm提供了Curve（線編輯）、Planes（平面編輯）、Sketch(草繪)、ConstructClay(構建黏土)、SculptClay（雕刻黏土）、DetailClay（細化黏土）、DeformClay(變形黏土)、Select/moveClay（選擇移動黏土）、Patches/Solids（曲面建模）、Rending（渲染）、Mold（模具）、Utility（顯示）12大工具欄，每個工具欄中包含眾多子工具。其中ConstructClay(構建黏土)、SculptClay（雕刻黏土）、DetailClay（細化黏土）、DeformClay(變形黏土)和Select/moveClay（選擇移動黏土）五種工具欄中的子工具對構建黏土模型十分重要。用戶能夠利用抓取、生長、鏡像等子工具方便的對數(shù)字黏土進行造型，其中還能利用三視圖準確建模，利用位圖浮雕（emboss）生成浮雕紋理，對于玩偶玩具中毛發(fā)的制作提供了簡便途徑。Patches/Solids（曲面建模）用來補充此系統(tǒng)對于NUBRS曲面建模的不足，利用其子工具能夠在數(shù)字黏土上產(chǎn)生連續(xù)性在G2以上的光滑曲面，并能夠轉換為三角網(wǎng)格，能良好的適應現(xiàn)代市場消費者對產(chǎn)品造型美感的要求。Mold（模具）工具欄下提供了PartingLine(產(chǎn)生分模線)、Curve、FixDraft（修正脫模角）、Shell（抽殼）、SplitJoint（產(chǎn)生止口）四個基本工具，對模型的快速成型和模具的制作有較大的幫助。2應用開發(fā)實例2.1草模建立方法選擇Plane工具欄下的createplane，sketch下的sketchonplane下import下image在左右頂前四個視圖輸入四視圖。使用curves下的freehandcurve畫出四視圖邊界線，改變圖片透明度，調整對齊視圖。采用分件制作的方法，在頂視圖使用curves下的freehandcurve畫出頭、軀干、耳朵、尾巴的大致輪廓閉合曲線。結合輔助視圖，利用constructclay下的addclay，選擇錐形增加做出頭部基本形,利用constructclay下的inflate選擇頂視圖上的各部分閉合曲線膨脹出基本形，并移動至合適位置。圖3對齊視圖建立各部分基本形體利用deformclay下的tug工具修改各部分大致與各視圖對齊。利用addclay球形增加模式配合各視圖制作出四肢，頸部。各部分使用不同的層級，以便能夠分別編輯修改互不影響。使用constructclay下的wirecutclay將模型地面剪裁平齊以便成品能夠穩(wěn)放平面。至此基本草模建立完成。圖4基本形態(tài)的建立2.2精細模型方法使用tug工具配合頂視圖塑造狗的五官，使用addclay加入眼球，利用微調工具塑造頭部細部特征。使用wirecut將四肢腳趾切出基本形態(tài)。圖5模型的細化使用sculptclay下的smudge制作鼻孔，平滑腳趾至自然狀態(tài)。使用curve下的drawcurve在模型上繪制嘴輪廓，執(zhí)行tugarea制作基本嘴輪廓，再用tug+smooth細化自然。Combine各個層級（部件），使用soomth工具整體平滑至理想狀態(tài)。利用提前制作好的灰階毛發(fā)圖片使用detailclay下的embossarea制作毛發(fā)紋理基本形態(tài)，使用sculptclay下的smudge細部修改毛發(fā)至自然狀態(tài)。至此模型外觀制作完畢。圖6最終實體模型和渲染效果圖2.3實體模型抽殼和分模線檢測最終的實體模型根據(jù)需要可以利用mold下的shell工具輸入需要的厚度進行薄殼，完成的模型將為空殼狀態(tài)。使用mold下的fixdraft工具可以檢測分模面合理度，并用不同顏色區(qū)分合理與不合理區(qū)域。用戶可以在此狀態(tài)下根據(jù)顏色的將模型修改至合理狀態(tài)，并利用mold下的partinglinecurve產(chǎn)生分模線，將模型分為兩個部分，便于模具的制作和批量化生產(chǎn)組裝的需要。2.4通過RP和RT制作模具并批量生產(chǎn)FreeForm提供了多種接口，（.stl、.step、.iges、.bmp、.jpg等），這里選擇容易讓快速成型機識別的stl格式對模型進行LOM制作原型。鑒于玩偶玩具形狀的復雜性，制模時使用硅膠模具。此種方法數(shù)小時便能制作成型，并進行批量生產(chǎn)。3FreeForm系統(tǒng)的優(yōu)勢對比FreeForm憑借其成熟“3DTouch”技術在玩具行業(yè)設計、生產(chǎn)不可或缺的工具之一。很多世界名廠商部是其客戶。如Disney、McDonlad、Ha11mark、MIC以及Mattel等。[3]總結了以下幾點優(yōu)勢：3.1優(yōu)越的造型能力傳統(tǒng)CAD軟件的操作是基于“特征”的概念進行造型設計的，典型的特征語義有槽、孔、加強筋等，此類軟件不能滿足生物模型的建立需要。現(xiàn)代的CAD/CAM系統(tǒng)為適應產(chǎn)品在外觀上的需求，已經(jīng)支持“曲面特征”，如Bezier曲面、B-樣條曲面、Beta曲面、NURBS曲面等，但都要通過繁瑣的控制點來調節(jié)面的形態(tài)。FreeForm造型基于“虛擬黏土（clay）”，造型過程模擬真實油泥雕刻過程，兼有曲面造型模塊。即滿足了精確的工業(yè)產(chǎn)品級造型的需求。攫取了黏土的可塑性及豐富的表現(xiàn)方式等特性，并且消除了在設計時對幾何參數(shù)的顧慮，盡量地在計算機中做以前不敢做的設計與變動。3.2易被初學者掌握借著直接和Model的互動，并且通過熟悉的工具(數(shù)字筆)，利用FreeForm不需像學習其他3Model軟件一樣，要用數(shù)月左右的時間才能精通設計、操作的方式。設計者也不需要不斷的練習來維持對軟件的熟悉度。FreeForm完全符合今日產(chǎn)品計潮流及制造的流程，它彌補了“2D繪圖”與“三維產(chǎn)品設計間”的鴻溝，補充了實體模型的不足，至取代實體模型。[4]3.3良好的人機交互傳統(tǒng)的任何一個造型設計軟件沒有觸覺感知，F(xiàn)reeForm設計系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于其基于力反饋原理的3Dtuoch技術，Paririck曾在實驗中證明，若在有視頻的人機交互中加入觸覺感知，其操作準確率能比之前增加10%。由此可知，F(xiàn)reeForm設計系統(tǒng)在人機交互方面較傳統(tǒng)CAD軟件能很好的提高操作者的準確率。3.4開發(fā)時間短、成本低廉傳統(tǒng)的玩偶玩具需要經(jīng)過工藝雕塑師雕刻油泥，利用雕刻好的油泥制作硅膠模具，利用模具進行批量生產(chǎn)三個過程，一般至少耗時3個月，投資萬元以上。使用FreeForm系統(tǒng)開發(fā)設計玩具合并了設計和生產(chǎn)的過程，從原型的設計完成到批量生產(chǎn)只要1星期，成本在能控制在千元級別，減少成本一般在50%以上。3.5設計過程可逆設計過程的可逆性是指設計師能夠將掃描好實體的數(shù)據(jù)模型輸入到FreeForm系統(tǒng)中，將其數(shù)字模型轉化為虛擬黏土，對其修補和修改，再以全新的模型進行制造的過程。此種方法已經(jīng)應用文物檔案的建立，反求工程等領域。英國某博物館已經(jīng)成功應用其修復已掃描好的殘缺的文物三維數(shù)字模型，建立了完成的數(shù)字文物樣本。3.6設計過程綠色化傳統(tǒng)的玩偶制造玩具樣品定型后如果需要修改，只能重新制作。開發(fā)設計過程中雕刻用油泥是一次性的，用后丟棄。FreeForm設計系統(tǒng)全數(shù)字化操作，沒有任何“三廢”排除，使得開發(fā)設計過程完全綠色化。4小節(jié)(1)分析出FreeForm的特點：利用力反饋實現(xiàn)操作過程的可觸性，使用“虛擬黏土”的概念仿真真實黏土雕刻，其仿真度高。（2）在玩偶設計的實例中總結了玩偶設計的一般設計