freeform在虚拟产品设计中应用探究

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1、FreeForm在虚拟产品设计中应用探究摘要：在虚拟产品设计中,自由曲面的建模应用广泛，且建模过程困难。FreeForm是基于力反馈技术的建模系统，文中介绍了该系统的架构和核心技术，提出了基于FreeForm的建模方法。通过实例建模，验证了基于FreeForm的虚拟产品设计可以大大缩短产品开发周期。关键词：虚拟产品设计；自由曲面；FreeForm系统；力反馈；曲面建模；虚拟油泥中图分类号：TP391.72文献标识码：A文章编号：1009-3044(2013)25-5759-06产品的生产分为设计过程和制造过程。通常，设计过程开始于客户需求，结束于产品的完整描述［1］,这种描述可以用工程

2、图纸的形式或三维模型的形式，后续的工作人员再通过图纸或三维模型在头脑中重现设计师想要表达的三维实体。随着计算机技术的发展和工业企业生产的竞争，产品的设计过程需要借助于计算机技术在虚拟环境中进行。在虚拟产品的设计中，诸如人脸、机翼、车身、船体等模型的曲面是在自由曲线的基础上生成的，属于自由曲面，无法用初等解析函数清楚地表达。自由曲面的不规则性使模型的分析和建模成为虚拟产品设计的一个难题。目前，自由曲面设计已经成为研究主题［2］。该文研究了基于FreeForm的建模方法，并基于FreeForm对虚拟产品进行了设计和建模。1FreeForm系统概述从人机交互的角度出发，建模软件分为视觉感知建

3、模和触觉感知建模，前者基于特征和参数建模，在建模过程中将用户局限在键盘和鼠标上，设计出来的产品属于可视虚拟模型[3],建模过程复杂。后者利用了人体最重要的触觉，易学易用，能够充分展现设计师的风格。FreeForm触觉式设计系统是基于触觉的建模软件，系统工作原理如图1所示，其层次结构如图2所示共包含四层:1.1硬件层硬件层是指力反馈设备PHANTOMDesktop,该设备包含被动式的铁笔和万向节套管，具有电子、电机与位置跟踪器所驱动的机械手臂，属于单点型力反馈设备，能与指尖进行单点交互。其核心技术是“力反馈技术”，该技术是一种有人参与的双向交互技术，在人机交互过程中为用户提供良好的沉浸感

4、。1.2硬件驱动层指的是PHANTOMDesktop的驱动程序，和硬件层一起完成两个基本功能：位姿映射和力觉渲染输出，从而实现应用程序层和硬件层的双向通讯。位姿映射模块采集力反馈设备的HIP（HapticInterfacePoint,图3中的P点）的位置和姿态数据，然后通过空间映射算法映射为虚拟空间中代理点(图3中Q点)的位置和姿态，从而使代理点的位姿与HIP的位姿同步。力觉渲染输出模块根据虚拟环境的信息以及代理点与虚拟环境的交互状态，以不低于1000Hz的运算速度实时计算反馈力和反馈力矩[3],并将反馈力发送给力觉反馈设备,力觉反馈设备根据要输出的反馈力的大小和方向驱动电机转动，把要

5、输出的反馈力转化为驱动电机的机械能，使用户体验到真实的力度感和方向感[4],完成虚拟环境中的''力觉渲染”。如图3所示，这两个基本功能是由6个关节机构实现的,使用者通过操作其手柄，控制力觉接口点HIP在设备的工作空间中运动。当操作者移动末端的手柄时，其各个关节和手臂随末端手柄一起协同运动，从而实现实现6自由度的输入;当力觉渲染完成后，该设备将其转换为机械能，实现3自由度的力反馈输出。1.3OpenHaptics层该层是基于C语言和OpenGL事件驱动的触觉开发包，提供了一个多层次可扩展的架构，能够实现位姿映射和力觉渲染。我校购买的开发包是OHAE(OpenHapticsAcademic

6、Edition),使用该开发包可以实现FreeForm系统的二次开发，根据不同的应用需求更新模型库，增加新的雕刻工具、物理变化和雕刻效果等。还可以开发出基于一个或两个力反馈设备的应用系统。1.4力反馈应用层FFMP(FreeFormModelingPlus)属于力反馈应用层。它提供了用于建模的虚拟油泥、雕刻刀和造型界面，具有与三维建模有关的各种模块。虚拟油泥采用了STL格式的数据模式，STL是基于三角形面片的数据格式。STL格式的数据模型就是利用成千上万个空间三角面片逼近三维实体的数据模型，这种描述方式有利于自由曲面的细节设计与展示，使模型的变形更加清晰逼真，真实地展现出在计算机中碰触

7、物体的细腻度。2基于FreeForm的建模方法FreeForm系统已经成功应用于玩具、鞋底、工艺品、珠宝、汽车、医疗、家具等设计领域，通过对FreeForm的研究，该文提出了三种基于该系统的建模方法：1)草绘建模现实生活当中有很多随意模型：花草树木的绘制、雕塑、玩具模型设计、工艺品设计等等，他们不需要严谨的参数制约，没有规则的特征，很大程度上取决于设计者的灵活设计水平，是设计者头脑中概念模型的再现。这些模型具有的共同点是：曲面随意、复杂，对设计