基于FreeForm系统的玩偶设计开发

陈 龙， 王坤茜， 徐人平， 王浩军

(1.昆明理工大学艺术与传媒学院, 云南 昆明 650093；2.北京化工大学北方学院艺术院, 河北 廊坊 065201)

0 引言

经济学家Little的研究表明，一种新产品推向市场晚6个月，将导致整个产品生命周期内利润下降15%到35%[1].玩偶玩具因其受众广、利润高，因此具有很强的市场开发价值.传统的玩偶玩具设计开发需要3个月以上的时间，开发过程需要的人力多、周期长、成本高，导致产品市场响应慢，已经逐渐无法适应新的市场变化的需要.虚拟触觉设计系统FreeForm是基于虚拟现实技术的仿真建立虚拟实体模型的工具，其优秀的人机交互利于提高设计师建模的速度和质量，其模型能够对接快速成型机，从而在设计和制造两方面提高效率.

图1 PHANTOM

1 触觉式虚拟设计系统FreeForm

1．1 FreeForm概况

FreeForm是以1990年美国麻省理工学院(MIT)开发的研究项目，全称触觉式虚拟设计系统，由美国SensAble Technologies公司制造.该系统包含了硬件和软件两部分，基于PC平台，其主要构成有PHANTOM、GHOST和Clay.PHANTOM是一个硬件接口(如图1所示)，其连接的连杆物件称为操纵杆(Stylus)，具有6个方向的自由度，为使用者的核心硬件.GOHST是为FreeForm设计系统专门开发的核心软件系统，负责处理复杂的交互运算，即时提供触觉信号，同时把现实的操作信号处理后反映在显示屏幕上.Clay是FreeForm系统处理的对象，称为“虚拟黏土”，也是软件系统，操作者在屏幕上看到的操作效果都是由虚拟黏土表现出来的.

此外，这套系统中还提供了专用的操作软件，包含丰富的操作工具,供编辑虚拟黏土.

1．2 FreeForm系统中的虚拟现实技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是人们对计算机机器非常复杂的数据进行可视化及交互操作的一种方法.

FreeForm的最大特点在于操作过程的可触性，其核心技术为反馈技术.Burdea.G.1993年在Electro国际会议上提出了“虚拟现实技术三角”，即immersion(沉浸)、interaction(交互)、imagination(想像)三者相互依存[2].力反馈技术大大提高了交互性，从而提高了想像力和沉浸感.

图2 FreeForm设计系统操作原理

1.2.1 FreeForm中的虚拟现实设计原理

图2给出了FreeForm操作系统中各要素是如何发生关系，并最终完成人机虚拟环境的交互的.

参与者在虚拟环境中的活动经历有两种形式：一种是主观参与( First-person activities)，另一种是客观参与(Second-person activities).主观参与时，参与者是整个经历的中心，一切围绕参与者进行；客观参与时，参与者则可以在虚拟环境中看到自身与其他物体的交互.Freeform的设计依据被动性设计原理，让操作者在接触到虚拟黏土时，计算机才实时发出信号给予电子杆一个与法平面相反的力，让人感受到虚拟实体的存在.

1.2.2 力反馈技术的应用

所谓的力反馈技术(Force Feedback)实际上是一种让人感知真实或虚拟环境中力的作用的虚拟现实技术，目前此技术应用已逐渐广泛，在医疗、机器人、游戏、模拟航天航空飞行训练等领域都发挥了重要作用.FreeForm设计系统通过Phantom提供给操纵杆精确的力反馈，当虚拟空间的雕刀触及虚拟油泥时，现实空间的连杆物件会发出一个法向相反的力，使得设计师的雕刻过程真实可触.

1.3 FreeForm的使用

使用者使用的核心硬件是PHANTOM上的一个具有6个自由度的操作杆(Stylus),配合键盘进行模拟真实油泥雕刻的设计过程，PHANTOM提供了精确的力反馈输出，让使用者在“雕刻”过程中实时感受到“油泥”的硬度、纹理、摩擦力等.

FreeForm提供了Curve(线编辑)、Planes(平面编辑)、Sketch(草绘)、Construct Clay(构建黏土)、Sculpt Clay(雕刻黏土)、Detail Clay(细化黏土)、Deform Clay(变形黏土)、 Select/move Clay(选择移动黏土)、Patches/Solids(曲面建模)、Rending(渲染)、Mold(模具)、Utility(显示)12大工具栏，每个工具栏中包含众多子工具.其中Construct Clay(构建黏土)、Sculpt Clay(雕刻黏土)、Detail Clay(细化黏土)、Deform Clay(变形黏土)和Select/move Clay(选择移动黏土)5种工具栏中的子工具对构建黏土模型十分重要.用户能够利用抓取、生长、镜像等子工具方便地对数字黏土进行造型，其中还能利用三视图准确建模，利用位图浮雕(emboss)生成浮雕纹理，这对于玩偶玩具中毛发的制作提供了简便途径.Patches/Solids(曲面建模)用来补充此系统对于NUBRS曲面建模的不足，利用其子工具能够在数字黏土上产生连续性在G2以上的光滑曲面，并能够转换为三角网格，从而较好的适应现代市场消费者对产品造型美感的要求.Mold(模具)工具栏下提供了Parting Line(产生分模线)、 Curve、Fix Draft(修正脱模角)、Shell(抽壳)、Split Joint(产生止口)4个基本工具，对模型的快速成型和模具的制作有较大的帮助.

2 应用开发实例

2.1 草模建立方法选择

使用Plane工具栏下的create plane及sketch 下的sketch on plane、import下的image，在左右顶前3个视图输入三视图.使用curves下的freehand curve画出三视图边界线，改变图片透明度，调整对齐视图.采用分件制作的方法，在顶视图使用curves下的freehand curve画出头、躯干、耳朵大致轮廓闭合曲线.结合辅助视图，利用construct clay下的add clay，选择锥形增加做出头部基本形,利用construct clay下的inflate选择顶视图上的各部分闭合曲线膨胀出基本形，并移动至合适位置(如图3所示).

图3 对齐视图建立各部分基本形体 图4 基本形态的建立

图5 模型的细化

利用deform clay下的tug工具修改各部分并大致与各视图对齐.利用add clay球形增加模式配合各视图制作出四肢及颈部.各部分使用不同的层级，以便能够分别编辑修改互不影响.使用construct clay下的wire cut clay将模型地面剪裁平齐以便成品能够稳放平面.至此基本草模建立完成(如图4所示).

图6 最终实体模型和渲染效果图

2.2 精细模型方法

使用tug工具配合顶视图塑造动漫形象的五官，使用add clay加入眼球，利用微调工具塑造头部细部特征，使用carve with corn dog切出手指基本形态(如图5所示).

使用sculpt clay下的smudge制作头部羊毛丰富的特征，平滑犄角至自然状态.使用curve下的 draw curve在模型上绘制嘴轮廓，执行tug area制作基本嘴轮廓，再用tug+smooth细化自然.Combine各个层级(部件)，使用soomth工具整体平滑至理想状态.使用sculpt clay下的smudge细部修改毛发至自然状态.至此模型外观制作完毕.

2.3 实体模型抽壳

最终的实体模型根据需要可以利用pieces下的create offset piece工具输入需要的厚度进行薄壳，完成的模型将为空壳状态.这里要注意所产生的内核不能够直接使用，因为有过多的毛刺和棱角，因此要对内核进行平滑处理，修改内核平滑后，在negative offset piece下选择remove clay from，将内核挖空，至此模型呈现中空状态，如图6～图8所示.

图7 将内核调整至平滑，以产生光滑的内壁 图8 抽壳后的模型

2.4 分模线检测

mold下的fix draft工具可以检测分模面合理度，并用不同颜色区分合理与不合理区域，用户可以在此状态下根据颜色将模型修改至合理状态，并利用mold下的parting line curve产生分模线，将模型分为两个部分，便于模具的制作和批量化生产组装的需要.蓝色表示合理，黄色表示存在不合理隐患，红色表示不合理.运用此方法能够直观地将模型修改至拔模需要的合理状态.此外，软件还能够提供有效的拔模角方案(如图9所示).

2.5 通过RP和RT制作模具并批量生产

FreeForm提供了多种接口(.stl、.step、.iges、.bmp、.jpg等)，这里选择容易让快速成型机识别的stl格式对模型进行LOM制作原型.鉴于玩偶玩具形状的复杂性，制模时使用硅胶模具,此种方法数小时便能制作成型，并进行批量生产.

图9 分模线的检测

3 玩具设计开发中FreeForm系统的优势

FreeForm凭借其成熟“3D Touch”技术成为玩具行业设计、生产不可或缺的工具之一，很多世界名厂商都是其客户，如Disney、McDonlad、Ha11mark、MIC以及Mattel等[3]，它具有以下几点优势：

(1)良好的造型功能.传统CAD软件的操作是基于“特征”的概念进行造型设计的，典型的特征语义有槽、孔、加强筋等，此类软件不能满足生物模型的建立需要.

现代的CAD/CAM系统为适应产品在外观上的需求，已经支持“曲面特征”，如Bezier曲面、B-样条曲面、Beta曲面、NURBS曲面等，但都要通过繁琐的控制点来调节面的形态.

FreeForm造型基于“虚拟黏土(clay)”，造型过程模拟真实油泥雕刻过程，兼有曲面造型模块，满足了精确的工业产品级造型的需求，具有攫取了黏土的可塑性及丰富的表现方式等特性，并且消除了在设计时对几何参数的顾虑，能够任意地在计算机中做以前不敢做的设计与变动.

(2)易于学习和掌握.借着直接和 Model的互动 ，并且通过熟悉的工具(数字笔)，利用 FreeForm 不需像学习其他3Model软件那样要用数月左右的时间才能精通设计、操作的方式，设计者也不需要通过不断的练习来维持对软件的熟悉度.FreeForm完全符合现代产品设计潮流及制造的流程，它弥补了“2D绘图”与“3维产品设计间”的鸿沟，补充了实体模型的不足，并可取代实体模型[4].

(3)良好的人机交互.传统的任何一个造型设计软件均没有触觉感知，FreeForm设计系统最大的优势在于其基于力反馈原理的3Dtuoch技术.Paririck曾在实验中证明，若在有视频的人机交互中加入触觉感知，其操作准确率可比之前增加10%.由此可知，FreeForm设计系统在人机交互方面较传统的CAD软件能更好的提高操作者的准确率.

(4)开发时间短、成本低廉.传统的玩偶玩具需要经过工艺雕塑师雕刻油泥、利用雕刻好的油泥制作硅胶模具再利用模具进行批量生产3个过程，一般至少耗时3个月，投资万元以上.

使用FreeForm系统开发设计玩具合并了设计和生产的过程，从原型的设计完成到批量生产只要1个星期，成本可控制在千元左右，减少成本一般在50%以上.

(5)设计过程可逆.设计过程的可逆性是指设计师能够将扫描好实体的数据模型输入到FreeForm系统中，将其数字模型转化为clay，对其修补和修改，再以全新的模型进行制造的过程.此种方法已经应用于文物档案的建立及反求工程等领域.英国某博物馆已经成功应用其修复已扫描好的残缺的文物三维数字模型，建立了完整的数字文物样本.

(6)设计过程绿色化.传统的玩偶制造玩具样品定型后如果需要修改，则只能重新制作.开发设计过程中雕刻用油泥是一次性的，用后丢弃.FreeForm设计系统全数字化操作，没有任何“三废”排除，使得开发设计过程完全绿色化.

4 结束语

(1) FreeForm的特点：利用力反馈可以实现操作过程的可触性，使用“虚拟黏土”的概念仿真真实黏土雕刻，其仿真度高.

(2)在玩偶设计的实例中总结了玩偶设计的一般设计开发流程，即导入四视图→分件制作草模→精细模型→抽壳→分模→导出相应格式的RP和RT.

(3)对比传统CAD软件和传统玩偶制作方法指出了FreeForm系统良好的造型能力、易于学习和掌握、设计过程实现绿色化和可逆化等6大优势.

[1]徐人平.快速原型开发与快速设计开发[M].北京:化学工业出版社,第一版, 2008.

[2]Aukstakalnis.Silicon Mirage: the Art and Science of Virtual Reality[Z].1992

[3]马路科技顾问股份有限公司.整合产品开发新创举——FreeForm触觉式虚拟设计系统[J].CAD/CAM与制造业信息化，2006，(1)：44-46.

[4]马路科技顾问股份有限公司. 最新设计工具——FreeForm 触 觉 式 设 计 系 统[J]. CAD/CAM与制造业信息化,2003,(2):57-60.

[5]张家祥.基于MATLAB 6.x的系统分析与设计——虚拟现实[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[6]李 洋.工业造型设计中的建模技术研究[J].机械工程师，2007,(4)：94-96.