胡瑞波, 徐人平, 向極鼎

(1.昆明理工大學藝術與傳媒學院， 云南 昆明 650093; 2.湖北民族學院藝術學院, 湖北 恩施 445000)

0 引 言

虛擬技術的出現(xiàn)，為人們更充分地獲取和理解信息提供了關鍵的技術支撐.虛擬設計技術也是基于快速原型技術平臺的快速產品開發(fā)中知識發(fā)酵體系的重要組成部分，其與RP相結合主要完成知識創(chuàng)新功能系統(tǒng)中虛擬原型與物理原型隱形知識和顯性知識的反復轉換.虛擬設計能有效促進知識消化、知識轉化、知識增長和知識擴散，得到富含新思想、新知識的物理原型.在知識發(fā)酵體系中，運用虛擬概念設計、虛擬觸覺設計、虛擬裝配設計、三維立體圖像、三維虛擬聲響、接觸力量反饋、三維實時交互等功能，設計師可以在具有自主性、交互性和沉浸感的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中對產品進行各種設計、分析、評價和仿真，從定性和定量的綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認識，從而幫助深化概念和萌發(fā)創(chuàng)意[1-3]，因此研究該技術是進行產品設計開發(fā)的一種有效途徑.

1 虛擬觸覺設計的概念及特征

1.1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)技術是一種可改善人與計算機的交互方式、提高計算機可操作性的人機界面綜合技術，它利用多媒體計算機仿真技術構成了一個特殊的環(huán)境，用戶可以通過各種傳感系統(tǒng)與這種環(huán)境進行自然的交互，從而體驗比現(xiàn)實世界更豐富的感受，其設計過程有3個基本特征：自主性、交互性、沉浸感(如圖1所示).其中，3個“I”基本特征沉浸感最引人注目，這種環(huán)境給人以極大的想象空間，使人的創(chuàng)造性思維得到極大的發(fā)揮.所謂力反饋(Force Feedback)，實際上是一種虛擬現(xiàn)實技術，它運用先進的技術手段將虛擬物體的空間運動變成周邊物理設備的機械運動，使用戶能夠體驗到真實的力度感和方向感，從而提供一個嶄新的人機交互界面.通俗地講，力反饋實際上就是運用“作用力與反作用力”的原理來欺騙人們的觸覺，達到傳遞力度和方向信息的目的.它有兩個基本特征：接觸反饋與力量反饋，當人與物交互時得到的觸覺信息有兩種：一種是表面信息，即皮膚與物接觸所感受到的信息；另一種是肌肉知覺信息，即通過四肢的位置與運動的方向所產生的力量.虛擬觸覺系統(tǒng)中操作者的大腦向手發(fā)出指令，做出不同的手勢動作并進行各種操作，啟動數(shù)據(jù)手套，由PHONTOM系統(tǒng)操作桿中的傳感器將手的動作數(shù)據(jù)傳遞給計算機，計算機通過一定的算法來指揮雕刻刀進行雕刻.此外，計算機對虛擬手或雕刻刀與虛擬物體進行碰撞檢測，而后將位置、力量信號反饋給數(shù)據(jù)手套或操作桿.而數(shù)據(jù)手套和操作桿可根據(jù)這些信息啟動觸覺執(zhí)行機構，通過對手進行各種按摩動作、阻礙運動的方式，使用戶體會到各種觸覺感知.另外，用戶也可以通過視覺、聽覺等對手或者雕刻刀的動作得到附加反饋(如圖2所示).

圖1 虛擬現(xiàn)實的3I圖 圖2 虛擬觸覺系統(tǒng)的構成

1.2 觸覺式虛擬設計

觸覺式虛擬設計Freeform的出現(xiàn)徹底改變了人機界面，使設計過程充滿了智慧和創(chuàng)意，而無需再受傳統(tǒng)模型制作工具的種種限制，它的誕生標志著造型設計進入了一個新時期.隨著經濟全球化的發(fā)展、市場競爭的加劇，要求企業(yè)大幅提高產品開發(fā)的速度和提升產品多功能的需求，以應對產品生產周期不斷縮短的挑戰(zhàn).對于產品設計師來說，傳統(tǒng)的設計思路和設計方法已不能適應現(xiàn)代IT產業(yè)的要求.雖然CAD/CAE/CAM等系統(tǒng)可以代替一部分手工勞動，但是由于CAX系統(tǒng)的局限而使得設計師難以對設計的產品進行驗證和及時的修改，不能夠讓制造商、客戶充分的理解設計思維.因此，觸覺式虛擬設計便在這種環(huán)境下得以產生和發(fā)展.

1.2.1 自由雕塑

虛擬現(xiàn)實中力的反饋技術的出現(xiàn)給設計界帶來了極大的鼓舞.在造型設計過程中人們希望看到和聽到屏幕上的數(shù)字模型，并且可以“觸摸”到這個模型和感受到它的存在.更進一步來說，人們希望計算機屏幕上的那個模型就像實際中的黏土一樣，設計師可以利用PHONTOM的硬件設備進行自由的雕刻和刻畫，當?shù)毒呓佑|到要雕刻的素材(Clay，數(shù)字黏土)時，會有一個力量反饋到手臂上，讓操作者有“觸摸”到模型的感覺.利用這一不可思議的工具，設計師完全可以“觸摸”、“操作”和“創(chuàng)作”計算機中數(shù)字虛擬的實體，而不受制于鍵盤和鼠標的束縛.從一定意義上來說，這樣的造型設計就被稱之為“自由雕刻”.在現(xiàn)代的產品設計過程中，這項技術可以為設計師創(chuàng)造一個自由的設計空間，充分發(fā)揮設計師的設計思維，幫助設計師在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建虛擬模型，完成設計師對不同設計的要求.

1.2．2 Freeform系統(tǒng)的構成

Freeform造型設計系統(tǒng)(Freeform modeling system)采用3D Touch技術應用于臺式機，其基本構成元素有3個:PHANTOM、GHOST和CLAY.“PHANTOM”是一個硬件接口，它是一個小巧、灰黑色的簡單手臂式電子筆和操作系統(tǒng)(Stylus),利用一些雕刀工具進行數(shù)字黏土.GHOST是一個軟件系統(tǒng)，如同“觸覺引擎”，又像人體大腦的神經反映，可以稱為Freeform系統(tǒng)的靈魂.CLAY也稱“數(shù)字泥土”或者“虛擬泥土”，使用電子筆可以在上面雕刻，并在顯示屏上看到其效果.

1.2 .3 3D Touch技術

Freeform造型設計系統(tǒng)采用3D Touch技術，并成功地將其應用于臺式機.3D Touch是一種力反饋技術，經由操作者的手握著一支電子筆來旋轉移動，計算機屏幕里的雕刻刀便跟著旋轉和移動.當?shù)窨痰督佑|到模型時，會有力量反饋到手握的電子筆上，讓操作者感受到接觸時的力量，在雕刻之前用戶還可以設定模型的軟硬度，從而決定雕刻所需的力量.3D Touch技術的產生徹底改變了設計師在計算機面前進行3D繪圖的工作方式，并能真實的模擬現(xiàn)實，直接使用精確的數(shù)字黏土，像真實的雕刻一樣進行操作設計.3D Touch技術使得造型設計更自然、更有效和更直接，而且具有連續(xù)性和雙向的互動.因此，這項技術能夠帶給使用者更有效、更精確及更有趣的工作體驗.

1.2.4 Freeform的系統(tǒng)操作

到目前為止，F(xiàn)reeform系統(tǒng)被認為是最直觀和高效的產品造型設計軟件，它不但能夠兼容CAD軟件的操作方式，而且具有獨特的產品設計手段，其自然和直觀的操作方式以及多樣的實體編輯方法大大拉近了設計對象與設計師之間的關系.Freeform的操作系統(tǒng)分為兩部分：第一個部分是自然草繪，在Freeform系統(tǒng)中，繪制產品草圖可以徹底擺脫鼠標與鍵盤的限制，設計師不必再花大量的時間去修改一條能反映產品外觀造型的自由曲線，而只需要用手握著PHANTOM的電子筆進行繪制，就像用手拿著鉛筆在紙上畫畫一樣簡單自然.第二部分是直觀建模，為了方便設計師的建模方式，F(xiàn)reeform提供了與CAD軟件相似的操作界面設計和方法，如拉伸(extend)、旋轉(rotate)、凸臺(emboss)、掃描(sweep)、放樣(loft)、混合(blend)和凹槽(groove)等.此外，F(xiàn)reeform還提供了其他幾種自然且方便操作的建模手段，如抓取(grab)、雕刻(carve)、拖拽(tug)、圓滑(smooth)、推擠(smudge)等.

2 虛擬觸覺設計在產品開發(fā)設計中的應用實例

2.1 大體的造型突出骨骼

首先使用Skech工具欄下的Pencil工具，畫出馬的大體形狀，然后使用Freehand curve工具畫出二維線條，再使用Erase All Pencil Marks 工具將前面的鉛筆稿擦干凈，選擇Construct Clay工具欄下的Inflate工具，得出一個膨脹的三維空間.最后，使用Sculpt Clay工具下的Smooth工具使之平滑，得出馬的大體造型(如圖3所示).大型造好之后，使用Sculpt Clay工具欄下的Carve with ball、Carve with cube、Carve with scraper等工具進行雕刻，完成之后再使用Freehand curve工具畫出二維線條，畫出腳趾的大概位置，然后使用Sculpt Clay工具欄下的Smooth Area工具，畫出腳趾(如圖4所示).

2.2 畫出其他部位及進行細節(jié)雕刻

在上一步造型的基礎上新建一個圖層，使用Construct clay工具欄下的Basic Shapes工具中的圓錐形畫出一個馬的耳朵，再使用Sculpt Clay工具欄下的Carve with ball 、 Carve with cube 、Carve with scraper等工具進行雕刻，將馬的耳朵的造型精細地造型好，最后使用mirror clay工具使之鏡像，得出馬耳朵的基本造型，馬的腳和其他的造型可用同樣的辦法做出來.然后，使用Sculpt Clay 工具欄下的Smooth工具，根據(jù)實際需求畫出馬的眼睛、鼻子和嘴巴等細節(jié)，最后使用Deform clay工具欄下的Tug工具進行調整，最終完成馬的基本造型(如圖5所示).

圖3 馬的大體造型 圖4 馬身體的細部刻畫 圖5 馬的最終效果

2.3 實體模型抽殼及分模線的檢測

將雕刻好的實體模型根據(jù)需要進行抽殼，首先利用pieces下的create offset piece工具輸入需要的厚度進行薄殼，完成這個步驟之后，實體模型處于空殼狀態(tài).此時需要注意的是產生的內核不能夠直接使用，主要原因是有過多的毛刺和棱角.于是需要對內核進行平滑處理.修改內核平滑后，在negative offset piece工具欄下選擇remove clay from將內核挖空，于是該模型呈現(xiàn)內空狀態(tài)(如圖6、7所示)，然后使用mold工具欄下的fix draft工具來檢測分模面的合理度.在此，合理與不合理的區(qū)域分別用不同的顏色標注，由此用戶可根據(jù)不同顏色的不同顯示來調整合理度，最后利用mold工具欄下的parting line curve產生分模線，將模型分為兩個部分，以滿足模具的制作和批量化生產組裝的需要.紅色表示合理的狀態(tài)，黃色表示不合理的狀態(tài)，藍色表示存在不合理的隱患(如圖8所示).此時，運用直觀的模型將其調整到合理狀態(tài)(如圖9所示).

圖6 平滑內核 圖7 空殼效果 圖8 分模型的檢測

圖9 各種顏色分模型檢測的效果

3 虛擬觸覺設計Freeform在產品開發(fā)設計中的優(yōu)越性

3.1 直觀和良好的人機交互性

自從Freeform軟件誕生以來，就以簡單的操作取代了令人頭痛的計算機復雜程序，把數(shù)位工具所獨具的彈性及其功能帶到了實體的模型上.它不需要像學習傳統(tǒng)的三維建模軟件那樣，需要花上很多時間才能熟悉其功能和操作的方式；也不需要不斷地練習來維持對軟件的熟悉度，F(xiàn)reeform系統(tǒng)就像設計師平時拿著一支筆使用一樣的容易，它使工程師能夠利用觸覺來拖拽、繪畫和建模，并且可以雕刻模型的內外表面，使用者能夠通過自然的方式去完成他們的數(shù)字模型，效率比傳統(tǒng)的設計方法高得多.Freeform軟件的操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的建模方式相比較，其優(yōu)點是相當突出的，有利于發(fā)揮藝術家和設計師的藝術構思、藝術沖動、藝術技巧和設計靈感.

3.2 兼容性好并符合工作流程

Freeform的兼容性也非常好，可以輸入pds 、ai 、obj、 ply 、stl 、step、 iges、 bmp、 jpg和 ai等文件格式，同時也可以輸出stl、 iges、 step 、bmp 、zcp、 ply等文件格式.Freeform系統(tǒng)可以利用所包含的表面工具創(chuàng)建并輸出IGES表面，兼容第三方表面解決方案，其輸出的STL文件可以直接輸入到快速原型機中進行加工，生成產品原型，或者進行裝配與制造，加快了產品開發(fā)速度.

3.3 良好的曲面造型

盡管現(xiàn)在的CAD/CAM系統(tǒng)已經能夠支持曲面造型，如B-樣條曲面、Beta曲面、NURBS曲面、Bezier曲面等，但復雜的操作和繁瑣的控制點來調節(jié)面的特性壓抑了設計師的設計能力，不利于設計師創(chuàng)造出更合理、人性化的產品設計.自從Freefrom誕生以來，就以簡單的操作、隨意造型的曲面以及自由添加黏土的優(yōu)勢搶抓了產品設計的高峰.設計師可以根據(jù)自己不同的想法和創(chuàng)意設計出不同的造型，利用其簡單的操作系統(tǒng)發(fā)揮自己獨特的創(chuàng)意.

3.4 易于擺脫傳統(tǒng)設計的束縛

虛擬觸覺式軟件Freeform的誕生使產品開發(fā)設計過程煥然一新，主要表現(xiàn)在：一是易于被設計師學習和應用.它以簡易的設計程序代替了令人頭痛的計算機程序，簡化了設計人員必須專門進行培訓再上崗的程序，通過“虛擬泥土”和“力反饋”以及良好的人機界面給設計師創(chuàng)造了逼真的模擬空間.二是易于擺脫傳統(tǒng)設計的束縛.在傳統(tǒng)的設計過程中，設計師只能通過鼠標和鍵盤在熟悉工具的情況下，一個命令、一個命令地進行設計，而且設計結果顯得非常的生硬.而Freeform以其良好的人機界面、自用的曲面等功能受到了設計師的喜愛和歡迎.三是易于發(fā)揮設計師的智慧.通過真實的模擬和良好的人機界面，在設計過程中設計師就好像真實的設計一樣，易于形成富有創(chuàng)造性的設計思路和設計方法.

3.5 易于快速生產和降低損失

虛擬觸覺式軟件Freeform的兼容性非常好，它能輸入輸出多中不同格式的文件，并能與當前大部分的設計制圖軟件結合運用，也能從設計制圖到模型制作再到最后的成品結合起來設計，使產品從設計到最后成品一條龍的生產.同時，它也適合用于小批量的生產，而且設計成本低廉，適合于中小企業(yè)采用.這樣的成品設計有利于贏得廣大消費者的歡心和愉悅，因而容易走向市場，獲得利潤和回報.

4 結束語

虛擬觸覺設計無疑是21世紀產品設計的一個轉折點，自從其誕生以來就以良好的用戶界面、寬廣的兼容性、自由的操作系統(tǒng)等優(yōu)點而很快贏得了設計界的好評，并被廣泛地應用到產品設計中去.它的運用有利于設計師創(chuàng)造性設計思維的展現(xiàn)和快速生產，并有利于產品設計的可持續(xù)發(fā)展，可以產生較高的經濟效益與社會效益.

參考文獻

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