摘要 復(fù)雜形體是陶瓷設(shè)計(jì)中的常見對象，通常可采用曲面描述，但直接造型需耗費(fèi)大量時(shí)間。利用視覺與觸覺的感官功能，通過手眼協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，可避免基于數(shù)字描述方式而造成的缺乏直觀性、易用性的缺點(diǎn)。本文提出了一套視覺與觸覺相結(jié)合的數(shù)字設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以數(shù)碼相機(jī)和觸覺系統(tǒng)為工具，快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陶瓷形體的數(shù)字建模方法。

關(guān)鍵詞 陶瓷設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)視覺、觸覺設(shè)計(jì)

1前 言

歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)已取得了巨大成功，并迎來了數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造的時(shí)代。NURBS曲線曲面（非均勻有理B樣條）以其強(qiáng)大的形狀表示能力和配套的計(jì)算、編輯算法，已成為事實(shí)上的產(chǎn)品表示標(biāo)準(zhǔn)。細(xì)分曲面、隱式曲面是近年曲面造型研究的熱點(diǎn)，它們突破了NURBS在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的局限性，更容易表達(dá)某些復(fù)雜的形狀。

在陶瓷設(shè)計(jì)領(lǐng)域，經(jīng)常需要設(shè)計(jì)人體、動物等自然雕塑形體，現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)可采用NURBS曲面、細(xì)分曲面、隱式曲面等來描述這些復(fù)雜對象[1]，但如何能快速、精確地設(shè)計(jì)出來，目前尚無有效的數(shù)字化工具。人們認(rèn)識、改變外在事物時(shí)，主要利用視覺與觸覺的感官功能，通過手眼協(xié)調(diào)來設(shè)計(jì)出新的事物，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)新的對象時(shí)，也可如此操作。

近些年出現(xiàn)了一些價(jià)格較為便宜的觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如FreeForm系統(tǒng)，它抽取了大型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的單一觸覺功能，可提供真實(shí)感的數(shù)字雕塑工具。但一般設(shè)計(jì)人員使用后的效果并不理想，雖可以在局部修修補(bǔ)補(bǔ)，但缺乏對整體形態(tài)的把握[2]。

本文提出了一套視覺與觸覺相結(jié)合的數(shù)字設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以數(shù)碼相機(jī)和力感觸覺系統(tǒng)為工具，快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形體的數(shù)字建模。首先利用數(shù)碼相機(jī)拍照，攝取參考對象的圖像，通過一個(gè)專門設(shè)計(jì)的攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺集成系統(tǒng)重構(gòu)出參考對象的三維數(shù)字模型；然后將此模型輸入到觸覺設(shè)計(jì)系統(tǒng)，經(jīng)局部的修正，得到新的設(shè)計(jì)模型。以下詳述系統(tǒng)組成及原理，并給出設(shè)計(jì)實(shí)例予以驗(yàn)證。

2造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成

本文所提出的系統(tǒng)主要分為兩個(gè)模塊：視覺子系統(tǒng)與觸覺子系統(tǒng)。其中觸覺子系統(tǒng)是購置的，視覺子系統(tǒng)是獨(dú)立開發(fā)的[3]。相機(jī)采用奧林巴斯CL5050，拍攝的照片經(jīng)視覺反求系統(tǒng)處理后，得到VRML格式的三維模型，然后輸入FreeForm觸覺設(shè)計(jì)系統(tǒng)，進(jìn)行再設(shè)計(jì)，最終輸出改型設(shè)計(jì)后的數(shù)字模型。圖1所示是視覺系統(tǒng)實(shí)物，圖2是觸覺系統(tǒng)的實(shí)物照片。

2.1 視覺系統(tǒng)[4]

本文提出的系統(tǒng)中，視覺系統(tǒng)為自主開發(fā)的，先講述相關(guān)的主要原理。

本文采用的視覺系統(tǒng)結(jié)合了攝影測量法的高精度與計(jì)算機(jī)視覺法的靈活性。近年來由圖片生成3D模型是一個(gè)熱門的計(jì)算機(jī)視覺研究領(lǐng)域，并相應(yīng)提出了諸多的研究方法，其核心問題包括：相機(jī)標(biāo)定、對應(yīng)點(diǎn)匹配及3D重構(gòu)等；針對每個(gè)問題均有大量的研究算法，特別是相機(jī)標(biāo)定技術(shù)幾乎成為一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

類似于測量系統(tǒng)控制網(wǎng)的概念，我們設(shè)計(jì)了一套控制特征點(diǎn)，相機(jī)直接根據(jù)控制特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，可得到精度較高的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)。圖3所示是控制點(diǎn)分布的實(shí)物圖。

我們對控制點(diǎn)分布采取了特殊設(shè)計(jì)，使任意角度下拍照，均有10個(gè)（通常要求至少6個(gè)）以上特征點(diǎn)被攝取。對特征點(diǎn)，采用了高精度的專業(yè)攝影測量系統(tǒng)Aicon加以標(biāo)定，其空間坐標(biāo)保存于一個(gè)數(shù)據(jù)文件中，以備相機(jī)標(biāo)定時(shí)采用。

有了高精度的相機(jī)參數(shù)，就可以利用成熟的計(jì)算機(jī)視覺方法重構(gòu)3D模型。我們采用了遮擋輪廓法[1]及空間剝離法[2]這兩種對環(huán)境要求較低、算法較為穩(wěn)定的方法，處理標(biāo)定過的圖像，得到三維模型主要形態(tài)，可作為觸覺設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2.2 觸覺系統(tǒng)

觸覺子系統(tǒng)采用FreeForm觸覺式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通常也亦稱為3D Touch系統(tǒng)，采用了力回饋技術(shù)，手握觸覺筆在空間旋轉(zhuǎn)移動，屏幕里相應(yīng)的雕刻刀便隨之移動；當(dāng)?shù)窨痰督佑|到模型時(shí)，會有力回饋到握筆的手上，讓使用者感受到接觸時(shí)的力量。在雕刻時(shí)可設(shè)定模型的軟硬度，進(jìn)而調(diào)整雕刻所需的力。常規(guī)的實(shí)物雕刻操作，在系統(tǒng)內(nèi)均有對應(yīng)的虛擬工具，無論是雕刻效果，還是虛擬雕刻過程中的感受，與實(shí)際雕刻幾乎一樣，提供了十分逼真的雕刻環(huán)境。

3陶瓷狗的造型設(shè)計(jì)

在陶瓷設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要參考某種實(shí)物樣品。本實(shí)驗(yàn)以圖1中的玩具狗作為參考對象，借助視覺、觸覺集成系統(tǒng)進(jìn)行了兩次造型、建模試驗(yàn)。視覺系統(tǒng)從不同角度攝取了10幅圖片，由這10幅圖片生成一個(gè)三維模型（見圖4）。整個(gè)建模過程僅需十幾分鐘，方便快捷。輸出的模型包含了參考對象的主要形態(tài)，稍加修整，即可得到新的改型設(shè)計(jì)。

以視覺系統(tǒng)的輸出為骨架，在FreeForm系統(tǒng)中進(jìn)行細(xì)部的修整與再設(shè)計(jì)，并可添加修飾色彩，得到新的設(shè)計(jì)結(jié)果，見圖5。

在試驗(yàn)中，如果僅依靠觸覺設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即使熟練的操作人員，要設(shè)計(jì)出比例協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)合理的模型，也需要花費(fèi)一天或數(shù)天時(shí)間。視覺系統(tǒng)的輸入極大地簡化了主體形態(tài)的構(gòu)造，使不太熟練的設(shè)計(jì)人員也能利用觸覺系統(tǒng)，很快設(shè)計(jì)出新的作品。

4總 結(jié)

本文提出了視覺、觸覺相結(jié)合的方法，利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)幫助設(shè)計(jì)人員觀察、感知設(shè)計(jì)對象，并把結(jié)果以數(shù)字形式保存起來；觸覺系統(tǒng)直接利用已有的觀察結(jié)果，通過手眼協(xié)調(diào)完成最終設(shè)計(jì)。這種混合系統(tǒng)彌補(bǔ)了非專業(yè)人員所缺乏的空間形體洞察力及操縱力，使他們不用經(jīng)過長期的專業(yè)訓(xùn)練，也可快速地設(shè)計(jì)出新的作品。本文給出的實(shí)例已驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。

本文揭示了虛擬雕刻過程所忽略的視覺思維環(huán)節(jié)，并設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)來加以彌補(bǔ)，取得了良好的結(jié)果，這套視、觸覺結(jié)合的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可用于陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造，可大幅度提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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images[J]．Computer VisionGraphics Image Processing，1987，40(1):1～29

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3馬頌德，王連成．計(jì)算機(jī)視覺-計(jì)算理論與算法基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，1998

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