草图建模综述.doc

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1、基于草图的建模综述摘要:传统建模工具的用户界面都基于WIMP的。尽管这些界面功能强大，但对于新手而言，这些界面的使用非常麻烦，令人畏惧。使用这些工具创建一个复杂模型需要相当多的专业技能和精力。近来，一个趋势是引入更方便和自然的用户界面，基于草图的用户界面(SketchBasedInterfaceandModeling,SBIM)就是其中之一，其目标在于允许用户在建模过程中使用自由手绘草图，包括从粗略模型直到完整细节的构建过程。由于模糊性的存在，将一幅2D草图映射到3D模型是一个非常困难的任务。本文根据SBIM解释草图的策略选择进行分类，包括三种基本方法：创建3D模型，

2、给现有模型添加细节及变形和操纵模型。文中对基于草图的用户界面在3D图形建模中的应用进行综述，对现有工作进行介绍和分类，总结了草图获取、过滤和解释技术；也介绍了一些SBIM的典型应用，讨论了本领域的主要挑战以及一些开放性问题以供研究者在今后的工作中参考。LukeOlsen，FaramarzF.Samavati，MarioCostaSousa，JoaquimAJorge，Sketch-BasedModeling:ASurvey，《Computer &Graphics》,2009,Vol.33,pp85-103.SurveyofSketch-basedmodeling1、引

3、言从严格意义上讲，“所有人都会画”并不是一个正确的论断，但是其揭示了一种普遍存在的视觉通信能力。这也是为什么古人通过象形文字讲故事，而每个会议室的墙上都挂着一个白板的原因。绘制草图是一种直接而快速的思想交流方式：只要看到少量的笔画，人们的脑海中便可勾勒出复杂的图形。在计算机建模领域，在纸上绘制草图在设计初期(即早期原型设计阶段)经常发生，此后这些描述性设计草图由熟练的3D绘制人员转换为3D模型(如图1所示)。因此，模型创建是产品流水线的一个主要瓶颈，这一过程需要大量人手以创建复杂多变的形状以及错综复杂的内部关系。当前一些高端建模系统(如Maya[1]、SolidWor

4、ks[2]和CATIA[3])都提供功能强大的精确几何模型构建和操纵工具。这些系统通常采用WIMP界面范例，即：用户需要从菜单和浮动窗口中选择操作类型，在对话框中输入参数以及移动控制点等。近来在建模工具界面的一个趋势是引入自动(或辅助)直接从草图到3D模型的转换技术，即面向模型创建的草图交互界面(sketch-basedinterfaceformodeling，SBIM)。这类界面的主要研究问题是：计算机如何在三维空间中理解和解释用户绘制的草图？多年来研究人员一直在考察这个问题。人类视觉系统可以从简单的图像或草图，甚至是从简单的线画图形(并没有阴影线索)中理解复杂的形

5、状，但是人的感知过程是如此的简单，却使得人们很难对这一过程进行理解和形式化。开发一个能够直观地模拟人类观察能力的SBIM系统需要考虑感知和认知问题。事实上，SBIM处于多个不同领域的交叉点，包括计算机视觉、人机用户界面以及人工智能。尽管这一研究主要是由计算机建模领域发起，但是更强大商用计算机硬件的出现以及各方面研究成果推动了该领域取得了令人兴奋的成果。SBIM研究的最终目标是在原有基于WIMP系统的基础上整合草图交互方式，构筑更实用的建模系统。使用这类系统时用户以渐进的方式构造和修改模型，从初期的概念到详细精确的最终模型。尽管目前对于SBIM有诸多的研究，但是工业界并

6、未完全支持SBIM，因为SBIM不能满足建模任务的所有功能要求。商用建模工具包中支持手绘草图的有ArchipelisDesigner[4]和Sunny3D[5]，其它一些程序，如ZBrush[6]和MudBox[7]等，也支持建模人员使用刷子以笔画形式在模型表面绘制细节。草图交互界面可追溯到Sutherland的SketchPad系统[8]，该系统使用光笔作为输入设备在屏幕上直接创建和操纵对象，这种交互方式先于目前流行的鼠标交互方式多年。SketchPad系统预见了许多SBIM会面临的挑战，包括：如何接受和处理用户输入、解释用户输入(作为一个对象或者操作)及表示结果对

7、象。现在的系统主要在SketchPad基础上提升其处理的自动性：SketchPad用户必须显式指定所有的几何信息，而现在的系统可使用更优化的算法减轻用户负担及提高计算能力，进而可以自动的从2D输入推导3D形状。基于草图的技术可被用于多种建模任务，其中的一些将在第7章进行讨论。本文([9]中的修改和扩展)对基于草图的用户界面在3D几何建模中的应用进行综述。SBIM的主要挑战在于草图解释，对此，我们分为三种主要方法：创建3D模型、(在现有模型上)添加细节及模型变形和操纵。图2总结了SBIM应用的主要流程。第一步是从用户输入获取草图(第三章)；接着是草图过