基于彩色ER/RP的卡通笔快速设计

李瑞锋 宋明忠 周伟召 马海彦

摘 要：为克服采用单色三维扫描得到的数字化模型颜色和纹理缺失的不足，提出一种基于彩色ER/RP的卡通笔快速设计方案。该方案先用三维彩色扫描仪对卡通玩偶进行三维扫描并获取数据，结合逆向工程（RE）技术对获取的点云数据进行数据处理、曲面重构与造型优化;然后利用Geomagic Design X把玩偶的三维模型与笔的三维模型进行拼接，并对拼接模型中不足之处进行人工校正，得到一个纹理特征清晰的彩色数字化三维模型。最后用彩色3D打印技术把核心部件——卡通笔帽打印出来。实验表明：构建的彩色数字模型较单色模型更加形象直观，打印的彩色样件较单色样件更加生动，提高了产品的设计开发效率。

关键词：卡通笔;逆向工程;快速成型;快速开发

中图分类号：TQ320.66       文献标识码：B 文章编号：1001-5922（2022）03-0080-05

Rapid design of cartoon pen based on color ER/RP technology

LI Ruifeng1，2， SONG Mingzhong1， ZHOU Weizhao3， MA Haiyan1

（1.Department of Intelligence Manufacturing，Shaanxi Institute of Mechatronic Technology，

Baoji 721001， Shaanxi China;2.Shaanxi Qizhi Jude Intelligent Equipment Co.， Ltd， Baoji 721001，Shaanxi

China;3.Shaanxi Bodin Rapid Precision Casting Technology Co.，Ltd.，Weinan 714000，Shaanxi China）

Abstract：

In order to overcome the deficiency of the lack of color and texture in the digital model obtained by monochrome 3D scanning， a fast design scheme of cartoon pen based on color ER / RP was proposed. Firstly， 3D color scanner was used to scan cartoon dolls and obtain data， and Reverse Engineering （RE） technology was used for data processing， surface reconstruction and modeling optimization. Then the color digital 3D model of the doll was spliced with the pen by Geomagic  Design X， and the shortcomings of the model were manually corrected to get a color digital 3D model with clear texture features. Finally， the cartoon pen cap sample was printed by color 3D printing technology. Experiments showed that the color digital model was more visual than the monochrome model， the  model of the printed color physical model was more vivid than the monochrome model， the clear texture and bright color pen sample was convenient for designers to improve the digital model， which improved the efficiency of product design and development.

Key words：

cartoon  pen; reverse engineering; rapid prototyping; rapid development

近幾年，伴随着逆向工程（RE）技术的不断完善，使这一需求的实现过程变得十分容易。所谓的逆向工程也被某些学者称为“反求工程”，它是一项能够根据实物快速准确建立其三维数字化模型的新技术[1]。随着该技术的不断发展，目前先进的逆向工程还能建立具有纹理特征的彩色数字化模型。

有学者采用EinScan SP三维扫描仪对巧虎玩偶进行三维扫描，然后把得到的数字化模型应用到儿童牙刷手柄的设计开发中，取得了良好效果，缩短了产品开发周期[2]。

针对上述学者的设计的结果，在卡通笔设计过程中，增加更加先进的Discovery模块对扫描效果进行加强，其主要优势：数字化模型颜色还原度好，纹理细节逼真，便于进行纹理和颜色校正。研究对象花木兰卡通玩偶实物，如图1所示。其采用彩色三维扫描技术，对其表面纹理和色彩特征信息进行采集，然后建立彩色三维数字化模型，再结合美学和人机工程学，对花木兰的数字模型的纹理和颜色行优化，并对局部造型进行再设计，进而得到色彩艳丽、纹理清晰的彩色数字化三维模型，最后笔杆直接借用原笔杆，构建出卡通笔帽数字模型。

3D打印是当今发展势头迅猛的先进制造技术之一。尤其是粘接型3D打印技术在航空、医疗和建筑等领域得到了大量应用[3]。这些都离不开粘结剂的快速发展。其中石膏3D打印中常见的粘结剂是二甘醇，一般还需要添加表面活性剂，有时为了达到最佳黏度还需要添加纯净水。

彩色3D打印如何实现颜色的准确再现，一直是科研工作者孜孜不倦追求的终极目标。麻省理工学院的一个团队设计了一种RePaint系统[4]。该系统结合了3D打印技术和最火热的深度学习技术，较好地完成了绘画的复制。该团队将10种透明油墨，分成薄层后逐层打印，并且图像也分割为细小的彩色点而非连续的色调，从而打印出更加细致的绘画，颜色配比与原作品高度一致。由于该技术中AI调色和分层过于耗时，效率低下，该团队转而训练深度学习模型，进而预测油墨的最佳堆叠和细小的彩色点分割方式。但这种方式仅仅能打印出彩色绘画;石膏3D打印技术则可以打印彩色的立体模型。如果在打印过程中加入AI配色和深度学习等人工智能技术，石膏彩色3D打印技术将在刻画模型纹理和表达表面反射等有所突破。最后前期构建的卡通笔帽采用石膏彩色3D打印技术打印出来，进而达到快速开发产品的目的。

1 卡通笔设计思路

深受青少年喜爱的卡通签字笔往往具有当前流行卡通人物造型，除此之外还应该用起来顺手符合人机工程学，颜色也应该搭配合理，并具有较高的美感，这样才能获得青少年的认可和喜爱。因此，在卡通笔的设计开发初期，就要从外观造型和使用舒适度上进行全面考虑[2]。

1.1 外观可爱，颜色艳丽

外观可爱、颜色艳丽的卡通笔外形对青少年极具吸引力;合理搭配的色彩，逼真的纹理更能让人爱不释手。由于年龄和心理的不同，青少年之间对卡通人物的喜好有着巨大的差异。根据当前流行的卡通形象，有学者将卡通玩偶与牙刷巧妙地设计成一个整体[5]。本文以卡通人物花木兰为造型基础，将笔与卡通玩偶花木兰设计成一个整体，合理调整头发和彩带、裙边及四肢的比例和形态，保证人物的造型没有明显的棱角，与笔帽的曲线过渡协调，同时力求颜色搭配合理，保证笔与签字笔的整体协调一致。

1.2 笔帽抓取顺手，不易滑脱

卡通笔的核心功能是书写，因此在进行外观设计的同时，还要保证书写流畅，笔帽插拔方便顺手[6]。签字笔的设计过程中除了要关注书写时的人机工程学，还需要关注笔帽插拔过程中的人机工程学。所以卡通笔的设计思路是笔帽采用流行卡通人物造型，同时还要考虑笔帽插拔过程的流畅性和抓取的舒适度。

2 点云数据的获取和处理

2.1 点云数据获取

点云数据获取是指用三维扫描仪对实物进行扫描，进而获得表面点的三维坐标值的过程[7-8]。花木兰玩偶颜色艳丽，纹理清晰，造型复杂，所以采用EinScan SP彩色三维扫描仪进行扫描，为了得到较好的效果，增加Discovery模块对扫描效果进行加强。为了得到完整的数字化模型，需要从多个角度进行扫描，扫描过程中图如图2所示。之后系统对多个扫描图进行离散点的删除，并进行自动拼接;拼接完成后就可以得到一个完整的由点云构成的花木兰玩偶模型;然后以“*.OBJ”格式导出，该格式保留了玩偶的颜色和纹理特征。图3为拼接完成的彩色花木兰玩偶点云数据模型图。

2.2 曲面模型构建

点云数据是由众多的空间点构成的一个数字化模型，还需要用Geomagic Design X软件将点云数据进一步处理。在Geomagic Design X软件中对彩色花木兰点云数据进行降噪处理、降低密度和點云封装等一系列处理后[9]，就得到了一个相对完整的数字化模型。根据玩偶的外部轮廓的曲线特征，找到的主要轮廓特征线后，可以把扫描过程中产生的一些坏点、噪声点去除掉，这就是所谓的降噪处理;降噪处理之后得到的点云数据仍然十分庞大，但这些数据对模型的精度影响有限，删除不必要的重复点，花木兰模型点云数据从2 235 066个降到了184 980个，在不影响模型的精细程度的前提下，大大降低了计算机的运算量;精简之后的点云模型封装即可得到的花木兰曲面模型，结果如图4所示。

2.3 曲面快速重构与优化

2.3.1 曲面快速重构

就当前技术而言，逆向工程中的关键环节和重点环节仍然是曲面重构[10]。由于花木兰外形十分复杂，故采用Geomagic Design X软件对数字模型进行NURBS曲面快速重构。对花木兰模型头发、裙角、飘带等大曲率部位进行自动探测轮廓线，为了兼顾效率和质量曲率敏感性设定为80，但由于是软件自动探测，得到的轮廓线较为粗糙，与实际需求存在较大偏差，通过手动方式对不合理的地方进行优化;小心地对模型中裙边等小曲率区域的轮廓线进行手动调整。为保证模型细节的准确性，多次调整优化后得到的快速曲面重构曲面分块，结果如图5所示。

根据上一步编辑完成的多个轮廓线构建NURBS曲面片。当曲面构建完成之后，接着对各个曲面相交的地方进行优化，力求连接处曲面光滑、纹理清晰。采用斑马纹对得到模型曲面进行光顺品质检查，对不太理想的局部曲面则通过曲面控制点作进一步调节，使曲面光顺品质达到所需精度要求。重构后的花木兰数字化模型如图6所示。

在模型中导入签字笔数字化模型，本着外观优美、比例协调的原则，调整花木兰数字化模型的大小;将两个模型放置在同一条轴线上，花木兰的头顶与笔帽的头顶对齐，结果如图7所示。笔杆直接借用原笔杆，无需进行设计，下面仅介绍卡通笔帽的设计过程。

2.3.2 笔帽造型改进和与尺寸确定

为了保证卡通人物造型美观大方，还需要从人机学的角度对笔帽的局部结构进行设计。所以对基于RE技术创建的卡通笔帽模型作局部优化和从人机学角度进行尺寸计算是十分必要的。造型优化前后对比图，结果如图8所示。

根据三维扫描技术初步构建的卡通笔帽如图8（a）所示，扫描的花木兰原型裙子下摆较大，与笔帽结合处呈现台阶状，且大于笔帽5.2 mm;虽然该造型和真实的裙子下摆比较接近，但这一喇叭口过于锋利，拇指和食指抓取笔帽时，存在割伤手指的隐患。因此需要对花木兰裙子进行优化设计，将裙子下摆进行收缩，使其开口大小与笔帽直径一致，最终保证裙子下摆与笔帽平滑过渡，把裙子下摆的喇叭口消除，结果如图8（b）所示。这样青少年在插拔笔帽时，不仅抓取方便，而且不会伤到手指。花木兰造型的头发是中空蓬松结构，额头上的一缕头发呈悬空结构，为防止使用过程意外折断，需要对该缕头发进行改进，将其剪除。裙子上的飘带漂浮在空中过于突兀，容易在使用过程中折断，故将其优化，保证飘带紧紧贴在裙子上。经过优化后的卡通笔帽造型如图8（c）所示。

为了保证笔帽与签字笔的连接可靠，采用过盈配合。这就导致人手需要施加足够的外力才可以将其从签字笔上拔下，所以笔帽尺寸的设定过程中应充分考虑当今青少年手型和手指粗细。青少年手部尺寸参考[2]的数据，具体数据如表1所示。

根据表1中手部数据，结合青少年用笔习惯、笔帽插拔习惯，对表1中数据进行修订。最终确定花木兰笔帽的长度为160 mm，最大直径为28 mm，最小直径为12 mm，具体如图9所示。

2.3.3 笔帽颜色和纹理的改进

采用了彩色三维扫描技术构建的模型，虽然其颜色和纹理都清晰展示出来，但是在在设计卡通笔帽过程中花木兰玩偶被成比例缩小了，导致设计的卡通笔帽玩偶细小部分的细节没有展现出来;所以必须对影响卡通玩偶美观的纹理进行校正。在校正过程中重点刻画玩偶的眼睛和嘴唇;同时对影响玩偶整体形象的裙子的褶皱也做了校正。

彩色三维模型的另外一个特点就是可以逼真的显示其原型的颜色。但是，由于在构建卡通笔帽过程中花木兰玩偶被成比例地缩小了，颜色搭配也随之发生了变化，所以需要对颜色进行校正，保证模型颜色艳丽，符合青少年的审美。颜色校正后的卡通笔帽模型如图8（c）所示。

3 卡通笔的快速成型

快速成型（RP），是结合新材料，伺服技术和CAD/CAM技术等先进技术的一门综合性新技术。它先把建立的数字化模型进行切割，按照一定的顺序将分层切割的数字模型进行逐层堆积。当所有的分层都制造完成后，即可得到和数字模型一致的实体零件[11-12]。这种技术可以快速的制造出尺寸准确、外观形象的三维实体模型，与传统的原型制造相比，具有精度高，速度快，成本低的特点。

卡通笔杆直接借用原笔杆，笔杆形状规则无需打印出样件，下面仅介绍卡通笔帽的3D打印过程。

卡通笔帽采用安徽某三维科技有限公司生产的Mint-I打印机，选用乳白、青蓝、红、黄等4种颜色石膏复合粉末和1种透明石膏复合粉末作为打印材料进行彩色3D打印。具体操作过程：将花木兰笔帽模型以OBJ文件格式导入打印设备;兼顾打印效率、打印精度和减少台阶效应，把数字化笔帽设置成水平方向，并且放置在打印平台中心位置;将3D打印机初始化后，然后校对喷头位置;工艺参数设置：层厚0.103 mm、轮廓宽度10 px。如图10（a）所示，经过认真核对后启动打印机。打出零件后，去除玩偶上附着的石膏粉末，并对零件表面进行简单修整得到花木兰玩偶笔帽，具体如图10（b）所示。根据3D打印出来的样件，对其造型、美学和人机工程学尺寸进行审查，对不合理的局部进行修正，直到花木兰笔帽完全符合设计要求为止。

4 结语

为了设计一款深受青少年喜爱的卡通笔，提出一种基于彩色RE/RP技術的卡通笔设计方案。该方案采用彩色三维扫描技术和彩色3D打印技术进行建模和快速成型，建立的数字化模型和打印的样件不仅尺寸精确，而且颜色艳丽、纹理清晰，较单色数字化模型更加形象生动，极大地提高了设计人员的效率，进而缩短卡通笔设计周期，降低开发成本，对抢占瞬息万变的卡通周边产品市场具有重要意义，对于相似的卡通人物的塑料产品快速开发与上市也有一定的参考价值。

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