細分與布線在計算機工業造型建模中的應用研究

齊秀芝

(寶雞文理學院機電工程系,陜西寶雞721016)

計算機工業造型建模是指根據工業產品的設計及功能要求在計算機上生成的三維虛擬模型[1]。計算機工業造型建模是工業產品制造過程中的基礎環節,它決定了產品的最終形態,也為產品應具有的功能特性提供直觀的參考依據。

計算機工業造型建模方法按實體模型生成的先后順序可分為正向建模、逆向建模、正向和逆向建模相結合三種。逆向工程建模是一種高效的模型生成方法,但其生成的模型必須經過適當的處理,如減噪、取面、曲面調整之后才能使用,這些處理又要依賴正向建模方法。所以從技術上講,逆向建模是以正向建模方法為基礎的。

正向建模按使用的技術又可分為內置模型建模、復合對象建模、多邊形建模、NUBRS建模、網格建模等幾種。

相對于非工業造型曲面平滑、造型靈活的特點,工業造型模型的曲面則更加規律,造型的對稱性更強,因此,工業造型更多地采用多邊形建模的方法。

1 細分與布線技術解析

細分與布線是多邊形建模的精髓,尤其是當即將呈現的模型細節豐富,精度要求也非常高時,必須利用細分和布線技術對模型進行精細化操作。

在多邊形建模中,細分就是對模型進行細化,本質上就是通過增加多邊形的面數來使模型產生平滑的效果。它是多邊形建模中非常重要的技術手段。使用多邊形建模從效果上可以分為兩個階段,細分前和細分后,細分前模型比較粗糙和簡陋,細分后的模型會比較平滑,顯得較為精致。

在啟用細分前,還要充分考慮多邊形的原始結構,因為多邊形的原始結構對最終的細分效果起著至關重要的作用。

當啟用了細分后,細分產生的面有著強烈的收縮趨勢,不同的原始結構決定了不同的收縮趨勢,說得更具體一點,不同的收縮趨勢,是由構成不同原始結構的點和邊決定的,原有的點和邊對模型起著牽引和抑制的作用,所以點和邊才是決定細分最終形態的根本因素。

對點和邊的操作是布線的主要工作,因此布線實質上就是通過對點和邊的編輯來影響最終的細分效果。

原理上,布線的作用體現在三個方面:

1)模型細化;

2)改變頂點的法線方向;

3)調整UV貼圖。

模型的細化是通過增加模型的點和邊進而增加模型的面數實現的。

后兩個方面的作用是通過對頂點和邊的調整實現的,頂點的法線主要用于處理光照,即借助法線獲取頂點相對于場景中光源的位置、距離、夾角等信息,進而計算頂點所在面接受到的光照強度。

UV貼圖指的是帶坐標的紋理貼圖。為了獲得真實的模型渲染效果,紋理貼圖坐標必須和頂點坐標精確對應,如果出現系統處理不了的貼圖誤差,則可以通過手動調節頂點和邊完成。

盡管細分之后的模型會變得平滑而精致,但細分會使多邊形產生更多的面,這不利于編輯和對模型的處理,所以在進行布線時需要考慮其合理性,一方面在細分效果不變的情況下,減少面的數量;另一方面在對模型邊緣進行精確切角的同時,避免三角面的出現。從技術上講,三角面在多邊形建模中要盡量避免。

2 手機模型的細分布線實例

手機是一種日常生活用品,也是一種時尚的電子產品,材質、工藝和性能決定了其主要價值。手機雖然小巧,但高端手機卻造型美觀,制作精良,而且零件較多。為了在手機模型中實踐細分與布線技術,選取造型稍微復雜的手機形態,作為應用實例。本實例是一種翻蓋折疊類型的手機,主要部分包括主體、側面板和頂蓋,建模軟件采用3D max2010 64bit professional版。

2.1 簡模創建

1)主體形態的創建

根據手繪造型,選擇最接近主體的基本形態進行創建,該例中用到的基本形態為切角長方體。接下來把基本形態轉化為可編輯多邊形,然后利用connet連接命令進行初級布線,創建更多的面,通過對邊、面進行拉伸和擠壓,對頂點的個數和位置進行調節,創建出手機的主體形態。如圖1和圖2所示。

圖1 主體形態的創建

圖2 主體形態的完成

2)側面功能區創建

為了保持和手機主體部分的側面形狀相同,側面采用從主體復制的方式創建。然后采用類似主體的處理方法,轉化為可編輯多邊形,初級布線,創建更多的面。通過對點、邊、面進行擠壓拉伸、倒角等一系列操作后,完成側面基本形態創建。從圖3和圖4中能清楚看到形狀類似的對象在布線時應注意的一些差異細節。

3)頂蓋部分創建

圖3 右側形態的創建

圖4 左側形態的創建

頂蓋部分基本形態的創建方法和手機主體類似,但更復雜。本例做法如下:繪制頂蓋右上角形態的頂視圖二維樣條,拉伸出右上角的雛形,然后通過對面進行擠出、插入,對頂點和邊進行焊接,刪除多余的面,最終得到如圖5的手機頂蓋的基本形態。

圖5 頂蓋形態的創建

2.2 簡模的精細加工

1)主體的細分與布線

對主體形態的精細加工,主要通過對一些細節形態的調整完成,包括使用連接、插入、封口等命令。在邊緣部位使用三邊法進行布線,在布線的基礎上進行一定程度的細分,這樣既能使對象在細分后能夠保持原有的基本形態,同時還能在邊緣產生準確的倒角效果。如圖6所示。

圖6 主體的細分與布線

2)側面部分的細分布線

對側面部分的精細加工,主要是對各個功能按鈕進行再編輯,同時對邊緣部分進行布線處理,得到細分后的精細模型。

側面的功能按鈕,大都以孔的形式呈現。為了在細分后得到圓角矩形孔而非橢圓孔,在矩形孔的腰上需要均勻繪制兩條線,并和原始邊相交。這樣對邊線能起到牽引和拉伸作用,防止其塌陷成橢圓,布線與細分效果如圖7。

圖7 側面的細分與布線

如圖8對左側面和下方的精細加工采用同樣的方式進行通過細分與布線,最終得到如圖9的手機側邊框基本形態。

圖8 底部的細分與布線

圖9 側面細分與布線完成效果

3)頂蓋部分的細分布線

對頂蓋模型的精細加工,主要也是通過對邊緣進行布線完成的。

但由于頂蓋原始結構復雜,布線也更加復雜,所以對頂蓋邊緣的布線使用三邊法和切角相結合的方式進行。另外,在處理過程中為了保持各線條的完整性,需要將增加的各條線段延伸到外側及后側的邊上。如圖10和圖11。

圖10 頂蓋的細分與布線

圖11 頂蓋細分與布線完成效果

2.3 模型裝配

該手機模型總共有47個零部件,在完成所有零部件的精細建模后,按照該手機的整體結構關系,進行各個部分的連接和裝配,實現完整的手機數字化建模。如圖12和圖13。

圖12 手機爆炸圖

圖13 手機裝配圖

3 細節處理

在利用細分與布線技術對模型進行精細加工的過程中,存在許多需要注意的細節問題,如果處理不好,不僅難以提高工作效率,反而會增加模型精細加工的難度。有關細節敘述如下:

1)細分與布線是兩個操作,應用時,應按先布線、再細分的順序進行。

2)布線工作很少能一次完成,實際應用中,往往是一邊布線細分,一邊觀察效果,然后逐步改進、完善,前期布線的合理性直接決定后期編輯的難易程度,所以布線也要遵循先簡單再復雜的原則,即初級布線要盡量簡化。

3)細分級別直接決定工業造型模型的精細程度,但細分級別的高低要結合模型的最終形態加以考慮,不宜太高。比如一立方體,高度上分兩段和分二十段的效果是一樣的,而兩段更利于我們后續對各個層級的編輯,二十段就不可取。

4)布線要連續。如果布線不連續,細分后的模型會出現不平整、破洞等各種異常情況,因此,在對一個模型進行布線時,要在多個視圖中仔細檢查布線的連續性。

5)斷面、多余的點和邊等,也會造成細分后模型的異常。斷面是在對邊進行復制、插入、拉伸操作后,沒有對面進行縫合造成的,這往往是因為兩條邊靠的較近沒被發現,一旦打開細分,就會發現因斷面而造成的模型異常。多余的點和邊雖不會造成明顯的模型異常,但會加大后續編輯的難度,所以,對多余的點和邊,能刪則刪,能焊接的,就焊接在一起。

6)避免三角面的出現。

一個面最少需要三條邊構成,但在專業繪圖領域,不用三角形,物體一樣可以被編輯和顯示。專業繪圖之所以更偏向于使用四邊形來繪制物體,一來顯示更加整齊,二來容易和外部的一些采集設備,比如3D掃描儀匹配。

多邊形建模作為一種專業的建模技術,構建的模型是基于四邊形的。理論上講,它不擅長處理三角面,偶爾出現一兩個三角面,對模型影響不大,但當模型中三角面的數量積累到一定程度時,同樣會有模型異常情況的發生,所以從布線伊始,就要盡量避免三角面在模型中出現。

4 結語

細分與布線技術是多邊形建模的常用手段,在工業造型建模中利用細分與布線技術對建模進行加工,方法簡單,操作容易,結合對模型的頂點、邊、邊界和面進行調整,可以得到精確而逼真的數字化模型。不過,細分與布線技術易學難精,使用中有很多應注意的問題,比如細分程度、三角面、斷面等,在創建復雜模型時尤其要注意。總體而言,在高精細建模應用中,細分與布線技術是一種實用而高效的手段,正確應用該技術,能在模型的復雜程度與精細程度之間取得平衡,為工業造型設計乃至學術科研提供參考依據。

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