邊 靜，魏 松，劉 莉

（山東山大華天軟件有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

1 引言

在信息化消費(fèi)社會(huì)的背景下，大眾消費(fèi)觀念與消費(fèi)文化發(fā)生了深刻變化，人們對(duì)于產(chǎn)品與服務(wù)的創(chuàng)意需求快速增長(zhǎng),創(chuàng)意設(shè)計(jì)正在滲透于消費(fèi)領(lǐng)域的眾多行業(yè)，其融合價(jià)值日益彰顯。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外紛紛投入力量研發(fā)創(chuàng)意設(shè)計(jì)軟件，如國(guó)外的blender軟件，具有豐富的創(chuàng)意設(shè)計(jì)功能，但其學(xué)習(xí)成本高、操作煩瑣，不利于新人上手使用。針對(duì)目前市場(chǎng)上設(shè)計(jì)軟件學(xué)習(xí)成本高、操作煩瑣等問(wèn)題，本文提出了一種適用于普通用戶的輕量化在線建模系統(tǒng)，滿足大眾創(chuàng)意設(shè)計(jì)的需求。

2 創(chuàng)意設(shè)計(jì)概述

創(chuàng)意設(shè)計(jì)是借助三維建模軟件在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建立體、有光、有色以及生動(dòng)的三維立體模型，能夠虛擬、逼真地表達(dá)出大腦中想象的模型效果。創(chuàng)意設(shè)計(jì)是一種新興的生產(chǎn)力，它與消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)的融合滲透，成為新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)鏈的前端。目前，創(chuàng)意設(shè)計(jì)在家居家電、文化創(chuàng)意等個(gè)性化較強(qiáng)的領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿?。?chuàng)意設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印，將有效促進(jìn)消費(fèi)領(lǐng)域個(gè)性化制造及體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的利器。

然而國(guó)內(nèi)消費(fèi)用戶的專業(yè)設(shè)計(jì)能力較弱，設(shè)計(jì)軟件的復(fù)雜性和專業(yè)性是目前阻礙廣大普通用戶進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)的瓶頸。針對(duì)創(chuàng)意設(shè)計(jì)軟件“高端應(yīng)用多、大眾參與少”的發(fā)展現(xiàn)狀，簡(jiǎn)化三維模型建模過(guò)程、降低技術(shù)應(yīng)用門檻，為多層次用戶提供能方便準(zhǔn)確地進(jìn)行創(chuàng)意表達(dá)的軟件工具，可大幅度降低普通大眾參與個(gè)性化設(shè)計(jì)的門檻，提高大眾參與度，是促進(jìn)創(chuàng)意設(shè)計(jì)應(yīng)用普及的重要途徑。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)研究在線建模技術(shù)，提出了一種適用于大眾創(chuàng)新領(lǐng)域的輕量化在線建模系統(tǒng)，可極大地降低創(chuàng)意設(shè)計(jì)的技術(shù)門檻，能夠提供在多終端上運(yùn)行的創(chuàng)新創(chuàng)意表達(dá)工具，方便直觀，滿足大眾隨時(shí)隨地設(shè)計(jì)的需求。

3 輕量化在線建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用典型的三層架構(gòu)，包括瀏覽器、服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶無(wú)須安裝軟件，可直接通過(guò)瀏覽器在網(wǎng)頁(yè)上實(shí)現(xiàn)三維模型讀取、顯示、設(shè)計(jì)和協(xié)同交流等；采用SOA面向服務(wù)的體系架構(gòu)，在技術(shù)上使用跨平臺(tái)框架來(lái)構(gòu)建，遵循構(gòu)件化、模塊化設(shè)計(jì)原則，各模塊之間采用松耦合形式，增加整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件的擴(kuò)展能力。

用戶通過(guò)主流瀏覽器進(jìn)行模型設(shè)計(jì)交互，用戶請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)器端處理。服務(wù)器端應(yīng)用服務(wù)與建模算法服務(wù)分離，通過(guò)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。算法API服務(wù)器提供幾何建模內(nèi)核算法服務(wù)。輕量化在線建模系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 輕量化在線建模系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 技術(shù)分析

針對(duì)消費(fèi)級(jí)創(chuàng)意設(shè)計(jì)的個(gè)性化要求高、用戶專業(yè)化程度低和價(jià)格敏感度高等特點(diǎn)，提出了一種適用于大眾創(chuàng)新領(lǐng)域的輕量化在線建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)需具備輕量化轉(zhuǎn)換技術(shù)，為大眾用戶提供豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源，提高數(shù)據(jù)重復(fù)利用率；具備在線創(chuàng)意建模技術(shù)，解決普通大眾的模型在線設(shè)計(jì)問(wèn)題，為創(chuàng)意設(shè)計(jì)提供便捷工具；具備多終端在線實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，為設(shè)計(jì)交流、創(chuàng)意溝通和表達(dá)提供可視化工具；具備抽殼、微結(jié)構(gòu)及三維紋理貼圖等輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，簡(jiǎn)化復(fù)雜模型的細(xì)節(jié)表達(dá)，合理管控打印成本。該系統(tǒng)是集輕量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、在線創(chuàng)意建模、多終端在線設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)協(xié)同、輕量化設(shè)計(jì)于一體的輕量化在線建模系統(tǒng)，為創(chuàng)意設(shè)計(jì)在消費(fèi)行業(yè)的普及應(yīng)用提供軟件支撐。輕量化在線建模系統(tǒng)的技術(shù)組成如圖2所示。

（1）輕量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

三維模型輕量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)研究PRO/E、NX、CATIA、SolidWorks、Solidedge和Autodesk Inventor等十種主流CAD模型數(shù)據(jù)，分析優(yōu)化模型中結(jié)構(gòu)物理、數(shù)學(xué)和描述模型間的耦合關(guān)系，分析幾何數(shù)據(jù)、幾何屬性數(shù)據(jù)和特征等的描述方法，通過(guò)數(shù)據(jù)直讀的方式，讀入現(xiàn)實(shí)多種主流CAD數(shù)模的幾何數(shù)據(jù)、材質(zhì)等信息。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與其他建模軟件的數(shù)據(jù)交流和共享，實(shí)現(xiàn)多種本地模型數(shù)據(jù)向云端可編輯、可打印模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，解決模型數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)和管理問(wèn)題。

輕量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，能夠?yàn)榇蟊娪脩籼峁┴S富的數(shù)據(jù)來(lái)源，提高數(shù)據(jù)重復(fù)利用率。

（2）在線創(chuàng)意建模技術(shù)

在線創(chuàng)意建模技術(shù)，需同時(shí)具備創(chuàng)意構(gòu)建技術(shù)和創(chuàng)意變形技術(shù)，既可以像NURBS 表面一樣光滑，也可以像多邊形一樣任意地拓?fù)?，為用戶?chuàng)意表達(dá)和設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1）創(chuàng)意構(gòu)建技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)構(gòu)建細(xì)分曲面物體，利用網(wǎng)格細(xì)分算法，將數(shù)字幾何模型轉(zhuǎn)化為更精準(zhǔn)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖2 輕量化在線建模系統(tǒng)的技術(shù)組成

2）創(chuàng)意變形技術(shù)。創(chuàng)意變形技術(shù)利用自適應(yīng)三角網(wǎng)格細(xì)分算法，即采用可調(diào)控的Loop細(xì)分方法，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。通過(guò)雕刻、拖拽、位移、旋轉(zhuǎn)和縮放物體表面的網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行創(chuàng)意變形。根據(jù)變形量以及變形方式對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)多邊形劃分和調(diào)整，保證模型光順性。結(jié)合豐富的模型庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)模型創(chuàng)意設(shè)計(jì)的自由表達(dá)，實(shí)現(xiàn)形狀的精細(xì)級(jí)控制，非專業(yè)用戶可以像“捏橡皮泥”一樣自由地通過(guò)雕刻、拖拽等功能進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

在線創(chuàng)意建模技術(shù)能夠?yàn)榇蟊娪脩籼峁﹦?chuàng)新創(chuàng)意的空間，通過(guò)簡(jiǎn)便易用的輕量化在線建模工具，實(shí)現(xiàn)用戶創(chuàng)意思想的自由表達(dá)。創(chuàng)意設(shè)計(jì)效果如圖3所示。

圖3 創(chuàng)意設(shè)計(jì)效果

（3）多終端在線設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)協(xié)同技術(shù)

多終端在線設(shè)計(jì)技術(shù)，可滿足在線建模系統(tǒng)在PC端和移動(dòng)端等多終端上運(yùn)行，并且用戶無(wú)須安裝軟件，可直接通過(guò)瀏覽器在網(wǎng)頁(yè)上實(shí)現(xiàn)三維模型讀取、顯示和設(shè)計(jì)等操作。實(shí)現(xiàn)大眾用戶隨時(shí)隨地、任何設(shè)備上的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

多終端實(shí)時(shí)協(xié)同技術(shù)，在多用戶同時(shí)編輯場(chǎng)景下，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目文檔的鎖定、沖突解決和同步機(jī)制，記錄建模操作的事件溯源，保存建模結(jié)果并記錄各個(gè)成員在不同時(shí)間引起狀態(tài)變化的事件，保證設(shè)計(jì)成果的可靠延續(xù)。

多終端在線設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)協(xié)同技術(shù)，能夠滿足大眾用戶同時(shí)設(shè)計(jì)、分享交流和項(xiàng)目管理等多層次需求，為設(shè)計(jì)交流、創(chuàng)意溝通和表達(dá)提供可視化工具。多終端協(xié)同設(shè)計(jì)效果如圖4所示。

圖4 多終端協(xié)同設(shè)計(jì)效果

（4）輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)

輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，包含抽殼、微結(jié)構(gòu)及三維紋理貼圖技術(shù)。精度越高的模型越復(fù)雜，用于表達(dá)模型細(xì)節(jié)的面片越多，建模和打印的難度越大。使用輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，可降低彩色模型建模難度，提升模型的展示性能，減少打印材料消耗。

模型抽殼技術(shù)，可對(duì)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析和數(shù)據(jù)讀取解析；通過(guò)三維空間劃分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的快速檢索，提升模型抽殼的效率；通過(guò)模型表面偏置技術(shù)，構(gòu)建偏置模型；將偏置模型與原始模型融合，形成最終的打印模型。

微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，可建立蜂窩、中空等微結(jié)構(gòu)描述體系；通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化算法和多分辨率技術(shù)，可在滿足約束的條件下，尋求結(jié)構(gòu)的布局、拓?fù)溥B接關(guān)系、孔洞數(shù)量和位置等的最佳匹配方案，從而在設(shè)計(jì)的角度減小模型的實(shí)心部分體積。

三維模型紋理貼圖技術(shù)，通過(guò)紋理映射方案和渲染技術(shù)，可定義三維凹凸紋理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確保三維數(shù)據(jù)在模型表達(dá)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和切片打印中的數(shù)據(jù)解析的正確性和高效性。采用紋理表達(dá)模型凹凸和彩色信息，降低模型面片數(shù)，輸出高品質(zhì)的彩色模型，為設(shè)計(jì)精細(xì)復(fù)雜模型提供便捷工具，提高用戶體驗(yàn)。

抽殼、微結(jié)構(gòu)及三維紋理貼圖技術(shù)，能夠解決三維復(fù)雜模型的輕量化數(shù)據(jù)表達(dá)問(wèn)題，在確保模型打印細(xì)節(jié)精度的基礎(chǔ)上，降低模型復(fù)雜度；能夠在保證打印模型強(qiáng)度的前提下，降低整體打印成本。抽殼、微結(jié)構(gòu)及貼圖效果如圖5所示。

圖5 抽殼、微結(jié)構(gòu)及貼圖效果

4 在線建模技術(shù)在創(chuàng)意設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

通過(guò)輕量化在線建模系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，可方便地導(dǎo)入模型，在模型上雕刻、涂色和局部變形，繪制三維凹凸紋理，支持在PC、iPad等多終端設(shè)備上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 通過(guò)PC端進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)

（1）在PC端進(jìn)行雕刻設(shè)計(jì)

通過(guò)PC端設(shè)備登錄輕量化在線建模系統(tǒng)，使用鼠標(biāo)可靈活自如地在模型上刻字或雕刻圖案，為模型增添個(gè)人屬性，增加了模型的靈動(dòng)造型。如圖6所示，通過(guò)輕量化在線建模系統(tǒng)進(jìn)行了功夫熊貓肚臍眼的設(shè)計(jì)。

圖6 雕刻圖案的效果對(duì)比

（2）在PC端進(jìn)行涂色設(shè)計(jì)

通過(guò)PC端設(shè)備登錄輕量化在線建模系統(tǒng)，使用鼠標(biāo)可靈活自如地在模型上進(jìn)行涂色，為模型增添色彩。如圖7所示，通過(guò)輕量化在線建模系統(tǒng)對(duì)功夫熊貓的耳朵及雙手進(jìn)行了涂色。

圖7 涂色的效果對(duì)比

（3）在PC端進(jìn)行局部變形設(shè)計(jì)

通過(guò)PC端設(shè)備登錄輕量化在線建模系統(tǒng)，使用鼠標(biāo)可靈活自如地在模型上以拖拽的方式進(jìn)行局部變形，像“捏橡皮泥”一樣創(chuàng)意設(shè)計(jì)。如圖8所示，通過(guò)輕量化在線建模系統(tǒng)對(duì)功夫熊貓的毛發(fā)及耳朵造型進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖8 局部變形的效果對(duì)比

4.2 通過(guò)iPad移動(dòng)端進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)

（1）通過(guò)iPad移動(dòng)端進(jìn)行雕刻設(shè)計(jì)

通過(guò)平板設(shè)備登錄輕量化在線建模系統(tǒng)，使用觸控筆或手指，可靈活自如地在模型上刻字或雕刻圖案，為模型增添個(gè)人屬性，增加了模型的靈動(dòng)造型。如圖9所示，通過(guò)輕量化在線建模系統(tǒng)在模型上添加了“ht”字樣的設(shè)計(jì)。

圖9 刻字的效果對(duì)比

（2）通過(guò)iPad移動(dòng)端進(jìn)行涂色設(shè)計(jì)

通過(guò)平板設(shè)備登錄輕量化在線建模系統(tǒng)，使用觸控筆或手指，可靈活自如地在模型上進(jìn)行涂色，為模型增添色彩。如圖10所示，通過(guò)輕量化在線建模系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行了涂色設(shè)計(jì)，先整體涂成綠色，再將兩個(gè)裝飾物分別涂成黃色和紅色。

圖10 涂色的效果對(duì)比

（3）通過(guò)iPad移動(dòng)端進(jìn)行局部變形設(shè)計(jì)

通過(guò)平板設(shè)備登錄輕量化在線建模系統(tǒng)，使用觸控筆或手指，可靈活自如地在模型上以拖拽的方式進(jìn)行局部變形，像“捏橡皮泥”一樣創(chuàng)意設(shè)計(jì)。如圖11所示，通過(guò)輕量化在線建模系統(tǒng)對(duì)模型中的松樹(shù)及星星的邊角造型進(jìn)行局部變形設(shè)計(jì)。

圖11 局部變形的效果對(duì)比

4.3 其他創(chuàng)意設(shè)計(jì)

輕量化在線建模系統(tǒng)，可對(duì)模型進(jìn)行三維紋理設(shè)計(jì)。如圖12所示，通過(guò)輕量化在線建模系統(tǒng)對(duì)牙齒支架進(jìn)行了花紋設(shè)計(jì)。

圖12 三維紋理設(shè)計(jì)的效果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究在線建模技術(shù)，提出了一種適用于大眾創(chuàng)新的輕量化在線建模系統(tǒng)，可極大地降低創(chuàng)意設(shè)計(jì)的技術(shù)門檻，提供多終端協(xié)同的設(shè)計(jì)工具，可方便直觀地進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)意表達(dá)，將人們頭腦中復(fù)雜想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)作品，滿足了大眾隨時(shí)隨地設(shè)計(jì)的需求，為創(chuàng)客及教育活動(dòng)提供了技術(shù)支撐，搭建了大眾與3D打印技術(shù)的對(duì)接通道，可推進(jìn)創(chuàng)意設(shè)計(jì)在消費(fèi)市場(chǎng)的快速普及應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)體系的發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與大眾化推廣奠定基礎(chǔ)。