在线建模技术在大众创意设计中的应用①

边 静，魏 松，刘 莉

（山东山大华天软件有限公司，山东 济南 250101）

1 引言

在信息化消费社会的背景下，大众消费观念与消费文化发生了深刻变化，人们对于产品与服务的创意需求快速增长,创意设计正在渗透于消费领域的众多行业，其融合价值日益彰显。近年来，国内外纷纷投入力量研发创意设计软件，如国外的blender软件，具有丰富的创意设计功能，但其学习成本高、操作烦琐，不利于新人上手使用。针对目前市场上设计软件学习成本高、操作烦琐等问题，本文提出了一种适用于普通用户的轻量化在线建模系统，满足大众创意设计的需求。

2 创意设计概述

创意设计是借助三维建模软件在计算机中创建立体、有光、有色以及生动的三维立体模型，能够虚拟、逼真地表达出大脑中想象的模型效果。创意设计是一种新兴的生产力，它与消费品产业的融合渗透，成为新产品实现的基础和产业链的前端。目前，创意设计在家居家电、文化创意等个性化较强的领域有巨大的发展潜力。创意设计结合3D打印，将有效促进消费领域个性化制造及体验经济的发展，是推进大众创业、万众创新的利器。

然而国内消费用户的专业设计能力较弱，设计软件的复杂性和专业性是目前阻碍广大普通用户进行创意设计的瓶颈。针对创意设计软件“高端应用多、大众参与少”的发展现状，简化三维模型建模过程、降低技术应用门槛，为多层次用户提供能方便准确地进行创意表达的软件工具，可大幅度降低普通大众参与个性化设计的门槛，提高大众参与度，是促进创意设计应用普及的重要途径。

针对上述问题，本文通过研究在线建模技术，提出了一种适用于大众创新领域的轻量化在线建模系统，可极大地降低创意设计的技术门槛，能够提供在多终端上运行的创新创意表达工具，方便直观，满足大众随时随地设计的需求。

3 轻量化在线建模系统的设计

3.1 系统架构

本系统采用典型的三层架构，包括浏览器、服务器以及数据库。用户无须安装软件，可直接通过浏览器在网页上实现三维模型读取、显示、设计和协同交流等；采用SOA面向服务的体系架构，在技术上使用跨平台框架来构建，遵循构件化、模块化设计原则，各模块之间采用松耦合形式，增加整个系统的软硬件的扩展能力。

用户通过主流浏览器进行模型设计交互，用户请求发送到服务器端处理。服务器端应用服务与建模算法服务分离，通过非结构化数据库MongoDB进行数据传输。算法API服务器提供几何建模内核算法服务。轻量化在线建模系统架构如图1所示。

图1 轻量化在线建模系统架构图

3.2 技术分析

针对消费级创意设计的个性化要求高、用户专业化程度低和价格敏感度高等特点，提出了一种适用于大众创新领域的轻量化在线建模系统。该系统需具备轻量化转换技术，为大众用户提供丰富的数据来源，提高数据重复利用率；具备在线创意建模技术，解决普通大众的模型在线设计问题，为创意设计提供便捷工具；具备多终端在线实时协同设计技术，为设计交流、创意沟通和表达提供可视化工具；具备抽壳、微结构及三维纹理贴图等轻量化设计技术，简化复杂模型的细节表达，合理管控打印成本。该系统是集轻量化数据转换、在线创意建模、多终端在线设计及实时协同、轻量化设计于一体的轻量化在线建模系统，为创意设计在消费行业的普及应用提供软件支撑。轻量化在线建模系统的技术组成如图2所示。

（1）轻量化数据转换技术

三维模型轻量化数据转换技术，通过研究PRO/E、NX、CATIA、SolidWorks、Solidedge和Autodesk Inventor等十种主流CAD模型数据，分析优化模型中结构物理、数学和描述模型间的耦合关系，分析几何数据、几何属性数据和特征等的描述方法，通过数据直读的方式，读入现实多种主流CAD数模的几何数据、材质等信息。该技术实现了与其他建模软件的数据交流和共享，实现多种本地模型数据向云端可编辑、可打印模型数据的转换，解决模型数据的本地存储和管理问题。

轻量化数据转换技术，能够为大众用户提供丰富的数据来源，提高数据重复利用率。

（2）在线创意建模技术

在线创意建模技术，需同时具备创意构建技术和创意变形技术，既可以像NURBS 表面一样光滑，也可以像多边形一样任意地拓扑，为用户创意表达和设计提供技术支撑。

1）创意构建技术。该技术通过构建细分曲面物体，利用网格细分算法，将数字几何模型转化为更精准的网格数据。

图2 轻量化在线建模系统的技术组成

2）创意变形技术。创意变形技术利用自适应三角网格细分算法，即采用可调控的Loop细分方法，对网格进行细分。通过雕刻、拖拽、位移、旋转和缩放物体表面的网格对模型进行创意变形。根据变形量以及变形方式对模型进行动态多边形划分和调整，保证模型光顺性。结合丰富的模型库，可实现模型创意设计的自由表达，实现形状的精细级控制，非专业用户可以像“捏橡皮泥”一样自由地通过雕刻、拖拽等功能进行创意设计。

在线创意建模技术能够为大众用户提供创新创意的空间，通过简便易用的轻量化在线建模工具，实现用户创意思想的自由表达。创意设计效果如图3所示。

图3 创意设计效果

（3）多终端在线设计及实时协同技术

多终端在线设计技术，可满足在线建模系统在PC端和移动端等多终端上运行，并且用户无须安装软件，可直接通过浏览器在网页上实现三维模型读取、显示和设计等操作。实现大众用户随时随地、任何设备上的创意设计。

多终端实时协同技术，在多用户同时编辑场景下，通过对项目文档的锁定、冲突解决和同步机制，记录建模操作的事件溯源，保存建模结果并记录各个成员在不同时间引起状态变化的事件，保证设计成果的可靠延续。

多终端在线设计及实时协同技术，能够满足大众用户同时设计、分享交流和项目管理等多层次需求，为设计交流、创意沟通和表达提供可视化工具。多终端协同设计效果如图4所示。

图4 多终端协同设计效果

（4）轻量化设计技术

轻量化设计技术，包含抽壳、微结构及三维纹理贴图技术。精度越高的模型越复杂，用于表达模型细节的面片越多，建模和打印的难度越大。使用轻量化设计技术，可降低彩色模型建模难度，提升模型的展示性能，减少打印材料消耗。

模型抽壳技术，可对三维模型数据进行统一分析和数据读取解析；通过三维空间划分数据结构，实现三维模型数据的快速检索，提升模型抽壳的效率；通过模型表面偏置技术，构建偏置模型；将偏置模型与原始模型融合，形成最终的打印模型。

微结构设计技术，可建立蜂窝、中空等微结构描述体系；通过拓扑优化算法和多分辨率技术，可在满足约束的条件下，寻求结构的布局、拓扑连接关系、孔洞数量和位置等的最佳匹配方案，从而在设计的角度减小模型的实心部分体积。

三维模型纹理贴图技术，通过纹理映射方案和渲染技术，可定义三维凹凸纹理数据结构，确保三维数据在模型表达、数据存储和切片打印中的数据解析的正确性和高效性。采用纹理表达模型凹凸和彩色信息，降低模型面片数，输出高品质的彩色模型，为设计精细复杂模型提供便捷工具，提高用户体验。

抽壳、微结构及三维纹理贴图技术，能够解决三维复杂模型的轻量化数据表达问题，在确保模型打印细节精度的基础上，降低模型复杂度；能够在保证打印模型强度的前提下，降低整体打印成本。抽壳、微结构及贴图效果如图5所示。

图5 抽壳、微结构及贴图效果

4 在线建模技术在创意设计中的应用

通过轻量化在线建模系统进行创意设计，可方便地导入模型，在模型上雕刻、涂色和局部变形，绘制三维凹凸纹理，支持在PC、iPad等多终端设备上进行设计。

4.1 通过PC端进行创意设计

（1）在PC端进行雕刻设计

通过PC端设备登录轻量化在线建模系统，使用鼠标可灵活自如地在模型上刻字或雕刻图案，为模型增添个人属性，增加了模型的灵动造型。如图6所示，通过轻量化在线建模系统进行了功夫熊猫肚脐眼的设计。

图6 雕刻图案的效果对比

（2）在PC端进行涂色设计

通过PC端设备登录轻量化在线建模系统，使用鼠标可灵活自如地在模型上进行涂色，为模型增添色彩。如图7所示，通过轻量化在线建模系统对功夫熊猫的耳朵及双手进行了涂色。

图7 涂色的效果对比

（3）在PC端进行局部变形设计

通过PC端设备登录轻量化在线建模系统，使用鼠标可灵活自如地在模型上以拖拽的方式进行局部变形，像“捏橡皮泥”一样创意设计。如图8所示，通过轻量化在线建模系统对功夫熊猫的毛发及耳朵造型进行了设计。

图8 局部变形的效果对比

4.2 通过iPad移动端进行创意设计

（1）通过iPad移动端进行雕刻设计

通过平板设备登录轻量化在线建模系统，使用触控笔或手指，可灵活自如地在模型上刻字或雕刻图案，为模型增添个人属性，增加了模型的灵动造型。如图9所示，通过轻量化在线建模系统在模型上添加了“ht”字样的设计。

图9 刻字的效果对比

（2）通过iPad移动端进行涂色设计

通过平板设备登录轻量化在线建模系统，使用触控笔或手指，可灵活自如地在模型上进行涂色，为模型增添色彩。如图10所示，通过轻量化在线建模系统对模型进行了涂色设计，先整体涂成绿色，再将两个装饰物分别涂成黄色和红色。

图10 涂色的效果对比

（3）通过iPad移动端进行局部变形设计

通过平板设备登录轻量化在线建模系统，使用触控笔或手指，可灵活自如地在模型上以拖拽的方式进行局部变形，像“捏橡皮泥”一样创意设计。如图11所示，通过轻量化在线建模系统对模型中的松树及星星的边角造型进行局部变形设计。

图11 局部变形的效果对比

4.3 其他创意设计

轻量化在线建模系统，可对模型进行三维纹理设计。如图12所示，通过轻量化在线建模系统对牙齿支架进行了花纹设计。

图12 三维纹理设计的效果对比

5 结束语

本文通过研究在线建模技术，提出了一种适用于大众创新的轻量化在线建模系统，可极大地降低创意设计的技术门槛，提供多终端协同的设计工具，可方便直观地进行创新创意表达，将人们头脑中复杂想法变为现实作品，满足了大众随时随地设计的需求，为创客及教育活动提供了技术支撑，搭建了大众与3D打印技术的对接通道，可推进创意设计在消费市场的快速普及应用及产业体系的发展，为产业化应用与大众化推广奠定基础。