基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設(shè)計(jì)開發(fā)

PAGE基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設(shè)計(jì)開發(fā)摘要：傳統(tǒng)的玩偶玩具設(shè)計(jì)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(shù)”的全新三維建模工具——觸覺(jué)式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)FreeForm，概述了其基本設(shè)計(jì)原理和核心技術(shù)，詳述了使用FreeForm系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)玩偶玩具的具體過(guò)程。最后對(duì)比傳統(tǒng)方法總結(jié)出FreeForm系統(tǒng)在玩具開發(fā)設(shè)計(jì)中顯示出的造型任意、人機(jī)交互良好，設(shè)計(jì)過(guò)程綠色化，設(shè)計(jì)過(guò)程可逆等諸多優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：玩偶設(shè)計(jì)開發(fā)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);力反饋技術(shù)；觸覺(jué)式虛擬設(shè)計(jì)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(jì)學(xué)家Little的研究表明，一種新產(chǎn)品推向市場(chǎng)晚6個(gè)月，將導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)利潤(rùn)下降15%到35%。[1]玩偶玩具因其受眾廣、利潤(rùn)高，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)開發(fā)價(jià)值。傳統(tǒng)的玩偶玩具設(shè)計(jì)開發(fā)需要3個(gè)月以上的時(shí)間，開發(fā)過(guò)程需要的人力多、周期長(zhǎng)、成本高，導(dǎo)致產(chǎn)品市場(chǎng)響應(yīng)慢，已經(jīng)逐漸無(wú)法適應(yīng)新的市場(chǎng)變化的需要，我虛擬觸覺(jué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)FreeForm是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真建立虛擬實(shí)體模型的工具，其優(yōu)秀的人機(jī)交互利于提高設(shè)計(jì)師建模的速度和質(zhì)量，其模型能夠?qū)涌焖俪尚蜋C(jī)，在設(shè)計(jì)和制造兩方面提高效率。1觸覺(jué)式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)FreeForm1.1FreeForm概況FreeForm是一種以1990年美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究項(xiàng)目，全稱觸覺(jué)式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由美國(guó)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(tái)。其主要構(gòu)成有PHANTOM、GHOST和Clay。PHANTOM是一個(gè)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(gè)方向的自由度，為使用者的核心硬件。GOHST是為FreeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)專門開發(fā)的核心軟件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理復(fù)雜的交互運(yùn)算，即時(shí)提供觸覺(jué)信號(hào)，同時(shí)把現(xiàn)實(shí)的操作信號(hào)處理后反映在顯示屏幕上。Clay是FreeForm系統(tǒng)處理的對(duì)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(lái)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(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是人們對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)器非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化及交互操作的一種方法。FreeForm最大特點(diǎn)在于操作過(guò)程的可觸性，其核心技術(shù)為反饋技術(shù)。Burdea?G.在1993年Electro國(guó)際會(huì)議上提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角”，immersion(沉浸)、interaction（交互）、imagination（想象）三者相互依存。[2]力反饋技術(shù)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(shí)圖2給出了FreeForm操作系統(tǒng)中各要素是如何發(fā)生關(guān)系，最終完成人于虛擬環(huán)境的交互的。圖2FreeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)操作原理參與者在虛擬環(huán)境中的活動(dòng)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(shí)，參與者是整個(gè)經(jīng)歷的中心，一切圍繞參與者進(jìn)行；客觀參與時(shí)，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(shè)計(jì)依據(jù)被動(dòng)性設(shè)計(jì)原理，讓操作者在接觸到虛擬黏土?xí)r，計(jì)算機(jī)才實(shí)時(shí)發(fā)出信號(hào)給與電子桿一個(gè)與法平面相反的力，讓人感受到虛擬實(shí)體的存在。1.2.2所謂的力反饋技術(shù)（ForceFeedback）實(shí)際上是一種讓人感知真實(shí)或虛擬環(huán)境中力的作用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。目前此技術(shù)應(yīng)用已逐漸廣泛，在醫(yī)療，機(jī)器人，游戲，模擬航天航空飛行訓(xùn)練等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。FreeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)Phantom提供給操縱桿精確的力反饋，當(dāng)虛擬空間的雕刀觸及虛擬油泥時(shí)，現(xiàn)實(shí)空間的連桿物件會(huì)發(fā)出一個(gè)法向相反的力，使得設(shè)計(jì)師的雕刻過(guò)程真實(shí)可觸。1.3FreeForm的使用使用者使用的核心硬件是Phantom上的一個(gè)具有六個(gè)自由度的操作桿（Stylus）,配合鍵盤進(jìn)行模擬真實(shí)油泥雕刻的設(shè)計(jì)過(guò)程，Phantom提供了精確的力反饋輸出，讓使用者在“雕刻”過(guò)程中實(shí)時(shí)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(gòu)建黏土)、SculptClay（雕刻黏土）、DetailClay（細(xì)化黏土）、DeformClay(變形黏土)、Select/moveClay（選擇移動(dòng)黏土）、Patches/Solids（曲面建模）、Rending（渲染）、Mold（模具）、Utility（顯示）12大工具欄，每個(gè)工具欄中包含眾多子工具。其中ConstructClay(構(gòu)建黏土)、SculptClay（雕刻黏土）、DetailClay（細(xì)化黏土）、DeformClay(變形黏土)和Select/moveClay（選擇移動(dòng)黏土）五種工具欄中的子工具對(duì)構(gòu)建黏土模型十分重要。用戶能夠利用抓取、生長(zhǎng)、鏡像等子工具方便的對(duì)數(shù)字黏土進(jìn)行造型，其中還能利用三視圖準(zhǔn)確建模，利用位圖浮雕（emboss）生成浮雕紋理，對(duì)于玩偶玩具中毛發(fā)的制作提供了簡(jiǎn)便途徑。Patches/Solids（曲面建模）用來(lái)補(bǔ)充此系統(tǒng)對(duì)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(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格，能良好的適應(yīng)現(xiàn)代市場(chǎng)消費(fèi)者對(duì)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(gè)基本工具，對(duì)模型的快速成型和模具的制作有較大的幫助。2應(yīng)用開發(fā)實(shí)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(gè)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(diào)整對(duì)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(jié)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(dòng)至合適位置。圖3對(duì)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(duì)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(jí)，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(xì)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(diào)工具塑造頭部細(xì)部特征。使用wirecut將四肢腳趾切出基本形態(tài)。圖5模型的細(xì)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(xì)化自然。Combine各個(gè)層級(jí)（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(xì)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(shí)體模型和渲染效果圖2.3實(shí)體模型抽殼和分模線檢測(cè)最終的實(shí)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(jìn)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(cè)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(gè)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(guò)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(jī)識(shí)別的stl格式對(duì)模型進(jìn)行LOM制作原型。鑒于玩偶玩具形狀的復(fù)雜性，制模時(shí)使用硅膠模具。此種方法數(shù)小時(shí)便能制作成型，并進(jìn)行批量生產(chǎn)。3FreeForm系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)對(duì)比FreeForm憑借其成熟“3DTouch”技術(shù)在玩具行業(yè)設(shè)計(jì)、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(jié)了以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：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(jìn)行造型設(shè)計(jì)的，典型的特征語(yǔ)義有槽、孔、加強(qiáng)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(yīng)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(guò)繁瑣的控制點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)面的形態(tài)。FreeForm造型基于“虛擬黏土（clay）”，造型過(guò)程模擬真實(shí)油泥雕刻過(guò)程，兼有曲面造型模塊。即滿足了精確的工業(yè)產(chǎn)品級(jí)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(shè)計(jì)時(shí)對(duì)幾何參數(shù)的顧慮，盡量地在計(jì)算機(jī)中做以前不敢做的設(shè)計(jì)與變動(dòng)。3.2易被初學(xué)者掌握借著直接和Model的互動(dòng)，并且通過(guò)熟悉的工具(數(shù)字筆)，利用FreeForm不需像學(xué)習(xí)其他3Model軟件一樣，要用數(shù)月左右的時(shí)間才能精通設(shè)計(jì)、操作的方式。設(shè)計(jì)者也不需要不斷的練習(xí)來(lái)維持對(duì)軟件的熟悉度。FreeForm完全符合今日產(chǎn)品計(jì)潮流及制造的流程，它彌補(bǔ)了“2D繪圖”與“三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)間”的鴻溝，補(bǔ)充了實(shí)體模型的不足，至取代實(shí)體模型。[4]3.3良好的人機(jī)交互傳統(tǒng)的任何一個(gè)造型設(shè)計(jì)軟件沒(méi)有觸覺(jué)感知，F(xiàn)reeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于其基于力反饋原理的3Dtuoch技術(shù)，Paririck曾在實(shí)驗(yàn)中證明，若在有視頻的人機(jī)交互中加入觸覺(jué)感知，其操作準(zhǔn)確率能比之前增加10%。由此可知，F(xiàn)reeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)在人機(jī)交互方面較傳統(tǒng)CAD軟件能很好的提高操作者的準(zhǔn)確率。3.4開發(fā)時(shí)間短、成本低廉傳統(tǒng)的玩偶玩具需要經(jīng)過(guò)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(jìn)行批量生產(chǎn)三個(gè)過(guò)程，一般至少耗時(shí)3個(gè)月，投資萬(wàn)元以上。使用FreeForm系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)玩具合并了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過(guò)程，從原型的設(shè)計(jì)完成到批量生產(chǎn)只要1星期，成本在能控制在千元級(jí)別，減少成本一般在50%以上。3.5設(shè)計(jì)過(guò)程可逆設(shè)計(jì)過(guò)程的可逆性是指設(shè)計(jì)師能夠?qū)呙韬脤?shí)體的數(shù)據(jù)模型輸入到FreeForm系統(tǒng)中，將其數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為虛擬黏土，對(duì)其修補(bǔ)和修改，再以全新的模型進(jìn)行制造的過(guò)程。此種方法已經(jīng)應(yīng)用文物檔案的建立，反求工程等領(lǐng)域。英國(guó)某博物館已經(jīng)成功應(yīng)用其修復(fù)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(shè)計(jì)過(guò)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(shè)計(jì)過(guò)程中雕刻用油泥是一次性的，用后丟棄。FreeForm設(shè)計(jì)系統(tǒng)全數(shù)字化操作，沒(méi)有任何“三廢”排除，使得開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程完全綠色化。4小節(jié)(1)分析出FreeForm的特點(diǎn)：利用力反饋實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的可觸性，使用“虛擬黏土”的概念仿真真實(shí)黏土雕刻，其仿真度高。（2）在玩偶設(shè)計(jì)的實(shí)例中總結(jié)了玩偶設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)