视触觉结合的陶瓷造型设计

摘要 复杂形体是陶瓷设计中的常见对象，通常可采用曲面描述，但直接造型需耗费大量时间。利用视觉与触觉的感官功能，通过手眼协调设计，可避免基于数字描述方式而造成的缺乏直观性、易用性的缺点。本文提出了一套视觉与触觉相结合的数字设计系统，以数码相机和触觉系统为工具，快速实现复杂陶瓷形体的数字建模方法。

关键词 陶瓷设计，计算机视觉、触觉设计

1前 言

历经数十年发展，CAD/CAM技术已取得了巨大成功，并迎来了数字化设计、数字化制造的时代。NURBS曲线曲面（非均匀有理B样条）以其强大的形状表示能力和配套的计算、编辑算法，已成为事实上的产品表示标准。细分曲面、隐式曲面是近年曲面造型研究的热点，它们突破了NURBS在拓扑结构上的局限性，更容易表达某些复杂的形状。

在陶瓷设计领域，经常需要设计人体、动物等自然雕塑形体，现有的CAD系统可采用NURBS曲面、细分曲面、隐式曲面等来描述这些复杂对象[1]，但如何能快速、精确地设计出来，目前尚无有效的数字化工具。人们认识、改变外在事物时，主要利用视觉与触觉的感官功能，通过手眼协调来设计出新的事物，设计师在设计新的对象时，也可如此操作。

近些年出现了一些价格较为便宜的触觉式设计系统，如FreeForm系统，它抽取了大型虚拟现实系统的单一触觉功能，可提供真实感的数字雕塑工具。但一般设计人员使用后的效果并不理想，虽可以在局部修修补补，但缺乏对整体形态的把握[2]。

本文提出了一套视觉与触觉相结合的数字设计系统，以数码相机和力感触觉系统为工具，快速实现复杂形体的数字建模。首先利用数码相机拍照，摄取参考对象的图像，通过一个专门设计的摄影测量与计算机视觉集成系统重构出参考对象的三维数字模型；然后将此模型输入到触觉设计系统，经局部的修正，得到新的设计模型。以下详述系统组成及原理，并给出设计实例予以验证。

2造型设计系统的组成

本文所提出的系统主要分为两个模块：视觉子系统与触觉子系统。其中触觉子系统是购置的，视觉子系统是独立开发的[3]。相机采用奥林巴斯CL5050，拍摄的照片经视觉反求系统处理后，得到VRML格式的三维模型，然后输入FreeForm触觉设计系统，进行再设计，最终输出改型设计后的数字模型。图1所示是视觉系统实物，图2是触觉系统的实物照片。

2.1 视觉系统[4]

本文提出的系统中，视觉系统为自主开发的，先讲述相关的主要原理。

本文采用的视觉系统结合了摄影测量法的高精度与计算机视觉法的灵活性。近年来由图片生成3D模型是一个热门的计算机视觉研究领域，并相应提出了诸多的研究方法，其核心问题包括：相机标定、对应点匹配及3D重构等；针对每个问题均有大量的研究算法，特别是相机标定技术几乎成为一个关键环节。

类似于测量系统控制网的概念，我们设计了一套控制特征点，相机直接根据控制特征点进行标定，可得到精度较高的相机内外参数。图3所示是控制点分布的实物图。

我们对控制点分布采取了特殊设计，使任意角度下拍照，均有10个（通常要求至少6个）以上特征点被摄取。对特征点，采用了高精度的专业摄影测量系统Aicon加以标定，其空间坐标保存于一个数据文件中，以备相机标定时采用。

有了高精度的相机参数，就可以利用成熟的计算机视觉方法重构3D模型。我们采用了遮挡轮廓法[1]及空间剥离法[2]这两种对环境要求较低、算法较为稳定的方法，处理标定过的图像，得到三维模型主要形态，可作为触觉设计的基础。

2.2 触觉系统

触觉子系统采用FreeForm触觉式虚拟设计系统，通常也亦称为3D Touch系统，采用了力回馈技术，手握触觉笔在空间旋转移动，屏幕里相应的雕刻刀便随之移动；当雕刻刀接触到模型时，会有力回馈到握笔的手上，让使用者感受到接触时的力量。在雕刻时可设定模型的软硬度，进而调整雕刻所需的力。常规的实物雕刻操作，在系统内均有对应的虚拟工具，无论是雕刻效果，还是虚拟雕刻过程中的感受，与实际雕刻几乎一样，提供了十分逼真的雕刻环境。

3陶瓷狗的造型设计

在陶瓷设计中，经常需要参考某种实物样品。本实验以图1中的玩具狗作为参考对象，借助视觉、触觉集成系统进行了两次造型、建模试验。视觉系统从不同角度摄取了10幅图片，由这10幅图片生成一个三维模型（见图4）。整个建模过程仅需十几分钟，方便快捷。输出的模型包含了参考对象的主要形态，稍加修整，即可得到新的改型设计。

以视觉系统的输出为骨架，在FreeForm系统中进行细部的修整与再设计，并可添加修饰色彩，得到新的设计结果，见图5。

在试验中，如果仅依靠触觉设计系统，即使熟练的操作人员，要设计出比例协调、结构合理的模型，也需要花费一天或数天时间。视觉系统的输入极大地简化了主体形态的构造，使不太熟练的设计人员也能利用触觉系统，很快设计出新的作品。

4总 结

本文提出了视觉、触觉相结合的方法，利用计算机视觉系统帮助设计人员观察、感知设计对象，并把结果以数字形式保存起来；触觉系统直接利用已有的观察结果，通过手眼协调完成最终设计。这种混合系统弥补了非专业人员所缺乏的空间形体洞察力及操纵力，使他们不用经过长期的专业训练，也可快速地设计出新的作品。本文给出的实例已验证了这一观点。

本文揭示了虚拟雕刻过程所忽略的视觉思维环节，并设计出计算机视觉系统来加以弥补，取得了良好的结果，这套视、触觉结合的设计系统可用于陶瓷产品的设计制造，可大幅度提高设计效率和设计质量。

参考文献

1 Potemesil M.Generating octree model of 3D objects from their silhouetttes in a sequence of

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

2 K.Kutulakos and S.Seitz. A theory of shape by space carving[J]. International Journal of Computer

Vision,2000, 38(3):199～218

3马颂德，王连成．计算机视觉-计算理论与算法基础[M]．北京：高等教育出版社，1998

4 Purnomo,E.Haptic devices.www.cs.auckland.ac.nz,January 2004.