齐秀芝

(宝鸡文理学院机电工程系,陕西宝鸡721016)

计算机工业造型建模是指根据工业产品的设计及功能要求在计算机上生成的三维虚拟模型[1]。计算机工业造型建模是工业产品制造过程中的基础环节,它决定了产品的最终形态,也为产品应具有的功能特性提供直观的参考依据。

计算机工业造型建模方法按实体模型生成的先后顺序可分为正向建模、逆向建模、正向和逆向建模相结合三种。逆向工程建模是一种高效的模型生成方法,但其生成的模型必须经过适当的处理,如减噪、取面、曲面调整之后才能使用,这些处理又要依赖正向建模方法。所以从技术上讲,逆向建模是以正向建模方法为基础的。

正向建模按使用的技术又可分为内置模型建模、复合对象建模、多边形建模、NUBRS建模、网格建模等几种。

相对于非工业造型曲面平滑、造型灵活的特点,工业造型模型的曲面则更加规律,造型的对称性更强,因此,工业造型更多地采用多边形建模的方法。

1 细分与布线技术解析

细分与布线是多边形建模的精髓,尤其是当即将呈现的模型细节丰富,精度要求也非常高时,必须利用细分和布线技术对模型进行精细化操作。

在多边形建模中,细分就是对模型进行细化,本质上就是通过增加多边形的面数来使模型产生平滑的效果。它是多边形建模中非常重要的技术手段。使用多边形建模从效果上可以分为两个阶段,细分前和细分后,细分前模型比较粗糙和简陋,细分后的模型会比较平滑,显得较为精致。

在启用细分前,还要充分考虑多边形的原始结构,因为多边形的原始结构对最终的细分效果起着至关重要的作用。

当启用了细分后,细分产生的面有着强烈的收缩趋势,不同的原始结构决定了不同的收缩趋势,说得更具体一点,不同的收缩趋势,是由构成不同原始结构的点和边决定的,原有的点和边对模型起着牵引和抑制的作用,所以点和边才是决定细分最终形态的根本因素。

对点和边的操作是布线的主要工作,因此布线实质上就是通过对点和边的编辑来影响最终的细分效果。

原理上,布线的作用体现在三个方面:

1)模型细化;

2)改变顶点的法线方向;

3)调整UV贴图。

模型的细化是通过增加模型的点和边进而增加模型的面数实现的。

后两个方面的作用是通过对顶点和边的调整实现的,顶点的法线主要用于处理光照,即借助法线获取顶点相对于场景中光源的位置、距离、夹角等信息,进而计算顶点所在面接受到的光照强度。

UV贴图指的是带坐标的纹理贴图。为了获得真实的模型渲染效果,纹理贴图坐标必须和顶点坐标精确对应,如果出现系统处理不了的贴图误差,则可以通过手动调节顶点和边完成。

尽管细分之后的模型会变得平滑而精致,但细分会使多边形产生更多的面,这不利于编辑和对模型的处理,所以在进行布线时需要考虑其合理性,一方面在细分效果不变的情况下,减少面的数量;另一方面在对模型边缘进行精确切角的同时,避免三角面的出现。从技术上讲,三角面在多边形建模中要尽量避免。

2 手机模型的细分布线实例

手机是一种日常生活用品,也是一种时尚的电子产品,材质、工艺和性能决定了其主要价值。手机虽然小巧,但高端手机却造型美观,制作精良,而且零件较多。为了在手机模型中实践细分与布线技术,选取造型稍微复杂的手机形态,作为应用实例。本实例是一种翻盖折叠类型的手机,主要部分包括主体、侧面板和顶盖,建模软件采用3D max2010 64bit professional版。

2.1 简模创建

1)主体形态的创建

根据手绘造型,选择最接近主体的基本形态进行创建,该例中用到的基本形态为切角长方体。接下来把基本形态转化为可编辑多边形,然后利用connet连接命令进行初级布线,创建更多的面,通过对边、面进行拉伸和挤压,对顶点的个数和位置进行调节,创建出手机的主体形态。如图1和图2所示。

图1 主体形态的创建

图2 主体形态的完成

2)侧面功能区创建

为了保持和手机主体部分的侧面形状相同,侧面采用从主体复制的方式创建。然后采用类似主体的处理方法,转化为可编辑多边形,初级布线,创建更多的面。通过对点、边、面进行挤压拉伸、倒角等一系列操作后,完成侧面基本形态创建。从图3和图4中能清楚看到形状类似的对象在布线时应注意的一些差异细节。

3)顶盖部分创建

图3 右侧形态的创建

图4 左侧形态的创建

顶盖部分基本形态的创建方法和手机主体类似,但更复杂。本例做法如下:绘制顶盖右上角形态的顶视图二维样条,拉伸出右上角的雏形,然后通过对面进行挤出、插入,对顶点和边进行焊接,删除多余的面,最终得到如图5的手机顶盖的基本形态。

图5 顶盖形态的创建

2.2 简模的精细加工

1)主体的细分与布线

对主体形态的精细加工,主要通过对一些细节形态的调整完成,包括使用连接、插入、封口等命令。在边缘部位使用三边法进行布线,在布线的基础上进行一定程度的细分,这样既能使对象在细分后能够保持原有的基本形态,同时还能在边缘产生准确的倒角效果。如图6所示。

图6 主体的细分与布线

2)侧面部分的细分布线

对侧面部分的精细加工,主要是对各个功能按钮进行再编辑,同时对边缘部分进行布线处理,得到细分后的精细模型。

侧面的功能按钮,大都以孔的形式呈现。为了在细分后得到圆角矩形孔而非椭圆孔,在矩形孔的腰上需要均匀绘制两条线,并和原始边相交。这样对边线能起到牵引和拉伸作用,防止其塌陷成椭圆,布线与细分效果如图7。

图7 侧面的细分与布线

如图8对左侧面和下方的精细加工采用同样的方式进行通过细分与布线,最终得到如图9的手机侧边框基本形态。

图8 底部的细分与布线

图9 侧面细分与布线完成效果

3)顶盖部分的细分布线

对顶盖模型的精细加工,主要也是通过对边缘进行布线完成的。

但由于顶盖原始结构复杂,布线也更加复杂,所以对顶盖边缘的布线使用三边法和切角相结合的方式进行。另外,在处理过程中为了保持各线条的完整性,需要将增加的各条线段延伸到外侧及后侧的边上。如图10和图11。

图10 顶盖的细分与布线

图11 顶盖细分与布线完成效果

2.3 模型装配

该手机模型总共有47个零部件,在完成所有零部件的精细建模后,按照该手机的整体结构关系,进行各个部分的连接和装配,实现完整的手机数字化建模。如图12和图13。

图12 手机爆炸图

图13 手机装配图

3 细节处理

在利用细分与布线技术对模型进行精细加工的过程中,存在许多需要注意的细节问题,如果处理不好,不仅难以提高工作效率,反而会增加模型精细加工的难度。有关细节叙述如下:

1)细分与布线是两个操作,应用时,应按先布线、再细分的顺序进行。

2)布线工作很少能一次完成,实际应用中,往往是一边布线细分,一边观察效果,然后逐步改进、完善,前期布线的合理性直接决定后期编辑的难易程度,所以布线也要遵循先简单再复杂的原则,即初级布线要尽量简化。

3)细分级别直接决定工业造型模型的精细程度,但细分级别的高低要结合模型的最终形态加以考虑,不宜太高。比如一立方体,高度上分两段和分二十段的效果是一样的,而两段更利于我们后续对各个层级的编辑,二十段就不可取。

4)布线要连续。如果布线不连续,细分后的模型会出现不平整、破洞等各种异常情况,因此,在对一个模型进行布线时,要在多个视图中仔细检查布线的连续性。

5)断面、多余的点和边等,也会造成细分后模型的异常。断面是在对边进行复制、插入、拉伸操作后,没有对面进行缝合造成的,这往往是因为两条边靠的较近没被发现,一旦打开细分,就会发现因断面而造成的模型异常。多余的点和边虽不会造成明显的模型异常,但会加大后续编辑的难度,所以,对多余的点和边,能删则删,能焊接的,就焊接在一起。

6)避免三角面的出现。

一个面最少需要三条边构成,但在专业绘图领域,不用三角形,物体一样可以被编辑和显示。专业绘图之所以更偏向于使用四边形来绘制物体,一来显示更加整齐,二来容易和外部的一些采集设备,比如3D扫描仪匹配。

多边形建模作为一种专业的建模技术,构建的模型是基于四边形的。理论上讲,它不擅长处理三角面,偶尔出现一两个三角面,对模型影响不大,但当模型中三角面的数量积累到一定程度时,同样会有模型异常情况的发生,所以从布线伊始,就要尽量避免三角面在模型中出现。

4 结语

细分与布线技术是多边形建模的常用手段,在工业造型建模中利用细分与布线技术对建模进行加工,方法简单,操作容易,结合对模型的顶点、边、边界和面进行调整,可以得到精确而逼真的数字化模型。不过,细分与布线技术易学难精,使用中有很多应注意的问题,比如细分程度、三角面、断面等,在创建复杂模型时尤其要注意。总体而言,在高精细建模应用中,细分与布线技术是一种实用而高效的手段,正确应用该技术,能在模型的复杂程度与精细程度之间取得平衡,为工业造型设计乃至学术科研提供参考依据。

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