基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法.pdf

硕士学位论文 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 t h em e t h o do fp r o c e s sc o n t r o lf o rv i r t u a lp a i n t i n gb a s e do n f o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g y 作者姓名 茎丞蕉 学科 专业 扭越逡让区理途 堂 一 指导 完成 县 j 教师 日期 大连理工大学 d a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 堑塑幽选幽魁幽l 过翌魁壶盗 作者签名 翌痉 日期 丝 查年 月 互日 大连理工大学硕士学位论文 摘要 在消费品工业领域 消费者对产品个性化的需求越来越多 这对产品设计提出了更 高的要求 虚拟油泥造型 v i r t u a lc l a ym o d e l i n g v c m 是一种新的c a d 技术 基于力 反馈技术的虚拟油泥造型系统能够使设计人员在虚拟环境中完成产品外观创新设计 克 服了传统油泥建模过程和计算机辅助设计方法的不足 能充分支持设计人员创造能力的 发挥 但目前该系统缺少产品表面装饰功能 因此将力反馈技术引入虚拟三维绘制过程 在基于油泥造型技术的产品外形创新设计基础上 进一步实现虚拟产品表面装饰功能 满足设计师全方位的创新设计与交互需求 本课题来源于国家自然科学基金 基于实时力反馈技术的虚拟产品表面三维绘制方 法研究 项目 5 1 1 7 5 0 5 8 本文主要研究课题中基于力反馈技术的虚拟绘制过程的控 制方法 分析了虚拟绘制过程中力与笔道的关系以及湿度的变化对水墨效果的影响 并 将力反馈技术引入虚拟绘制过程 提出了基于力反馈技术的笔道仿真和水墨效果仿真方 法 该方法根据毛笔模型受力后的形态 采用笔道绘制算法 实时显示笔道形状并输出 反馈力 实现力对笔道的动态控制 然后根据力对笔道的影响实时计算笔道面积和毛笔 湿度的变化 并通过湿度的影响墨色深浅的变化 实现了湿度对水墨效果仿真的控制 增强了虚拟绘制过程的真实感 本文虚拟绘制系统的开发平台为m i c r o s o f tv i s u a lc 图形开发平台为o p e ni n v e n t o r 力反馈设备为p h a n t o md e s k t o p 在该系统下进行的仿 真实验结果表明 该方法能够使操作人员通过力觉对虚拟绘制过程进行控制 有效增强 了绘制过程的真实感 而且控制简单 交互效果良好 对进一步推动虚拟产品表面绘制 的发展与进步 提高我国产品设计的创新能力有十分重要的意义 关键词 虚拟绘制 力反馈技术 笔道仿真 水墨扩散 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 t h em e t h o do fp r o c e s sc o n t r o lf o rv i r t u a lp a i n t i n gb a s e do nf o r c e f e e d b a c kt e c h n o l o g y a b s t r a c t i nt h ef i e l do f1 n d u s t r i a lp r o d u c tc o n s u m p t i o n c o n s u m e rd e m a n dm o r ep r o d u c t sw i t h p e r s o n a l i t y i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v ep r o d u c td e s i g nm e t h o d v i r t u a lc l a ym o d e l i n g v i r t u a lc l a ym o d e l i n g v c m i san e wc a dt e c h n o l o g y v i r t u a lc l a ym o d e l i n gs y s t e mb a s e do n f o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g ye n a b l e sd e s i g n e r st oc o m p l e t et h ea p p e a r a n c ei n n o v a t i v ed e s i g no f t h ep r o d u c ti nav i r t u a le n v i r o n m e n t t oi m p r o v et h ep r o c e s so ft r a d i t i o n a ls l u d g em o d e l i n ga n d c o m p u t e ra i d e dd e s i g nm e t h o d s b u tl a c ko fp r o d u c ts u r f a c ed e c o r a t i o n v i r t u a l3dp a i n t i n g p r o c e s sw i t hf o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g y b a s e do nv i r t u a lc l a ym o d e l i n gt e c h n o l o g yw i l lr e a l i z e t h ef u n c t i o no fs u r f a c ed e c o r a t i o nt om e e tt h ed e s i g n e r saf u l lr a n g eo fi n n o v a t i v ed e s i g na n d i n t e r a c t i o nr e q u i r e m e n t s t h i ss u b je c tc o m e sf r o mt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t h es t u d yo fv i r t u a l p r o d u c ts u r f a c e3d p a i n t i n gm e t h o db a s e do nr e a l t i m ef o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g y p r o j e c t 5 11 7 5 0 5 8 t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nt h ec o n t r o lm e t h o do f v i r t u a lp a i n t i n g p r o c e s sb a s e do nt h ef o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g y a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i po ff o r c ea n di n k f o o t p r i n td u r i n gv i r t u a lp a i n t i n gp r o c e s s f u r t h e r m o r et h ei m p a c to nc h i n e s ei n kp a i n t i n g e f f e c tw h e nh u m i d i t yc h a n g e s w ep u tf o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g yi n t oav i r t u a lp a i n t i n g p r o c e s s a n dt h e np r o p o s et h em e t h o do fi n kf o o t p r i n ts i m u l a t i o nb a s e do nf o r c ef e e d b a c k t e c h n o l o g ya n dc o n t r o lo fh u m i d i t yo nc h i n e s ei n ks i m u l a t i o ne f f e c t a c c o r d i n gt ot h eb r u s h m o d e lf o r mi nf o r c e a d o p ti n kf o o t p r i n tp a i n t i n ga l g o r i t h m r e a l t i m ed i s p l a yt h es h a p eo ft h e i n kf o o t p r i n ta n do u t p u tf e e d b a c kf o r c e a c h i e v i n gd y n a m i cc o n t r o lo ft h ef o r c eo nt h ei n k f o o t p r i n t a c c o r d i n gt oi n kf o o t p r i n to nt h ei m p a c to ff o r c e c a l c u l a t ei n kf o o t p r i n ta r e aa n d h u m i d i t yc h a n g e so fb r u s hi nr e a l t i m e r e a l i z i n gt h ec o n t r o lo fh u m i d i t yo nt h ei n kd i f f u s i o n e f f e c to fi n k t h e na c h i e v et h ec o n t r o lo fh u m i d i t yo nc h i n e s ei n ks i m u l a t i o ne f f e c tt o e n h a n c et h er e a l i s mo ft h ev i r t u a lp a i n t i n gp r o c e s s t h ev i r t u a lp a i n t i n gs y s t e mf r a m e w o r ki s b u i l ti no p e ni n v e n t o rb yu s i n gm i c r o s o f tv i s u a lc a n dp h a n t o m d e s k t o pd e v i c ei s e s s e n t i a le q u i p m e n t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sa l g o r i t h ms i m u l a t e st h e p a i n t i n g i n kf o o t p t i n ti nr e a lt i m e u s e rc o u l dc o n t r o lt h ew h o l ev i r t u a lp a i n t i n gp r o c e s sv i af o r c e f e e d b a c ke q u i p m e n ta n di n kd i f f u s e si nan a t u r a ls t y l e s i n c ea d d i n gt a c t i l ef e e d b a c ko nt h e b a s i so f t h ev i s u a la n a l o g u ea n di ti su s e rf r i e n d l yw i t hs i m p l ec o n t r o l t h et y p i c a la r te f f e c t so f v i r t u a lp a i n t i n ga r er e a l i z e ds u c c e s s f u l l y i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et of u r t h e rp r o m o t i o no nt h e 大连理工大学硕士学位论文 d e v e l o p m e ma n dp r o g r e s so ft h ev i r t u a ls u r f a c ep a i n t i n g a n d t oi m p r o v eo u rp r o d u c td e s i g n i n n o v a t i o nc a p a b i l i t y k e yw o r d s v i r t u a lp a i n t i n g f o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g y i n kf o o t p r i n ts i m u l a t i o n i n k d l 仟u s i o n i i i 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 1 绪论 1 1 1 课题来源 1 1 2 课题意义 1 1 3国内外研究现状 2 1 3 1 虚拟绘制的研究概况及发展趋势 2 1 3 2 绘制效果仿真研究 3 1 3 3 力反馈技术的研究概况及发展趋势 5 1 4 本文的章节安排 j 6 2 研究基础 8 2 1 绘制工具及其特点 8 2 2 艺术特征分析 9 2 2 1 基本特征 9 2 2 2 基本技法 1 1 2 3 绘制方法归纳 1 3 2 3 1 笔法 1 3 2 3 2 墨法 一1 3 2 4 毛笔行为分析 1 5 2 4 1 蘸墨 1 5 2 4 2 顿笔 压笔和提笔 1 5 2 4 3 运笔 1 6 2 4 4 毛笔分叉 1 7 2 5 本章小结 1 7 3 基于力反馈技术的笔道仿真 1 8 3 1 仿真对象 1 8 3 2 毛笔行为的控制 1 9 3 2 1 动态控制方法 1 9 3 2 2 绘制过程中的力觉控制 2 1 3 3 笔道绘制 2 3 3 3 1 力对笔道的动态控制 2 3 大连理工大学硕士学位论文 3 3 2 笔道绘制算法 2 4 3 3 3 力对笔道的影响 2 5 3 4 本章小结 一2 6 4 虚拟绘制效果仿真 2 8 4 1 笔道面积计算 2 8 4 2 水墨量计算 2 9 4 2 1 笔道的水墨量 2 9 4 2 2 扩散的水墨量 一2 9 4 2 3 湿度 2 9 4 3 水墨效果 3 0 4 3 1 扩散时间 3 0 4 3 2 墨色 31 4 4 本章小结 3 3 5系统开发 3 4 5 1 系统开发平台 3 4 5 2 力触觉开发平台 3 6 5 3 界面设计 3 9 5 4 仿真实验 4 1 5 5 本章小结 4 4 结论 4 5 参考文献 4 6 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 4 9 致谢 5 0 大连理工大学学位论文版权使用授权书 5 1 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题来源 虚拟油泥造型 v i r t u a lc l a ym o d e l i n g v c m 是一种新的c a d 技术 它是计算机技 术和虚拟现实技术相结合的产物 基于力反馈技术的虚拟油泥造型系统能够使设计人员 在虚拟环境中完成产品外观创新设计 克服了传统油泥建模过程和计算机辅助设计方法 的不足 能充分支持设计人员创造能力的发挥 产品开发周期短 产品开发费用降低 但目前该系统缺少产品表面装饰功能 因此将力反馈技术引入虚拟三维绘制过程 在基 于油泥造型技术的产品外形创新设计基础上 进一步实现虚拟产品表面装饰功能 满足 设计师全方位的创新设计与交互需求 力反馈技术与虚拟三维绘制仿真的结合为克服 c a d 中存在的问题提供了一种有效的解决途径 是虚拟产品开发领域中的一项关键技 术 本课题来源于国家自然科学基金 基于实时力反馈技术的虚拟产品表面三维绘制方 法研究 项目 5 11 7 5 0 5 8 本文主要研究课题中基于力反馈技术的虚拟绘制过程的控 制方法 分析了虚拟绘制过程中力与笔道的关系以及湿度的变化对水墨效果的影响 并 将力反馈技术引入虚拟绘制过程 提出了基于力反馈技术的笔道仿真和水墨效果仿真方 法 该方法根据毛笔模型受力后的形态 采用笔道绘制算法 实时显示笔道形状并输出 反馈力 实现力对笔道的动态控制 然后根据力对笔道的影响实时计算笔道面积和毛笔 湿度的变化 并通过湿度影响墨色深浅的变化 实现了湿度对水墨效果仿真的控制 增 强了虚拟绘制过程的真实感 本文的研究成果为进一步研究虚拟产品表面的三维绘制方 法提供了坚实的理论基础 1 2 课题意义 虚拟油泥造型技术是一种新的计算机辅助工业设计方法 使设计人员在虚拟环境中 对虚拟油泥模型能够像在现实环境中那样完成各种设计操作 该技术能克服目前商业 c a d 系统中曲面表示方法的缺点 能充分支持设计师创新设计能力发挥 是c a d 的发 展方向 目前是国际研究热点之一 利用该系统已经成功完成各种产品的外形设计 但 缺少产品表面装饰功能 因此 在带力反馈技术的虚拟油泥造型技术研究基础上 进一 步研究基于力反馈技术的虚拟三维绘制技术具有重要的实用价值 并具有一定的迫切 性 触觉 h a p t i c 或力反馈 f o r c ef e e d b a c k 技术是一种新的高级人机交互技术 操作人 员通过力反馈设备对计算机虚拟环境中生成的物体进行虚拟接触和操作 根据操作人员 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 手上感觉到的力控制形体的形状 在传统c a d 系统中遇到的问题可以通过该技术得到解 决 1 力反馈技术 触觉 与计算机图形技术 视觉 音响设备技术 听觉 相结合 可显著地提高虚拟现实的效果以及增强计算机辅助产品设计过程的真实感 力反馈技术 广泛应用于产品开发与创新 如残疾人辅助设备的开发 娱乐产品 外科手术模拟技术 c a d 等领域 目前 在力反馈技术中广泛采用一种质点 弹簧 阻尼器力学仿真模型 2 1 该模型通过进入虚拟仿真对象内部的位移来计算和模拟反馈力大小 将该模型直接应用 到虚拟绘制系统中不能满足虚拟绘制过程控制方法的要求 因为虚拟绘制工具 如毛笔 模型 宣纸模型等 在操作过程中产生的反馈力和笔道面积 绘制时减少的水墨量有关 与传统的绘制过程相同 因此 要将力反馈技术应用到虚拟绘制过程控制方法中 必须提出一种新的反馈力对绘制笔道效果控制的方法 本文针对基于力反馈技术的虚拟绘制过程中笔道仿真与水墨效果仿真展开研究 笔 道仿真是虚拟绘制过程仿真的基础 虚拟绘制过程中水墨效果的仿真研究都是在获得原 始笔道的基础上展开的 3 1 目前的研究缺乏对力与水墨效果之间关系的深入探讨 4 5 本 文将力反馈技术引入虚拟绘制过程 研究了力对笔道的动态控制方法 获得笔道形状并 输出反馈力 在笔道仿真基础上 研究水墨扩散的仿真 分析了力对毛笔湿度的影响 通过实时计算毛笔湿度值模拟毛笔模型截面的变化 水墨扩散区域的动态变化及水墨效 果的墨色变化 真实反映绘制过程中的水墨扩散效果 本文的研究所蕴含的理论基础对 进一步拓展虚拟三维绘制技术的应用领域 引领计c a d 相关学科的发展趋势有重要的意 义 力反馈技术在不同行业领域已有许多应用 作为一种新兴的人机交互手段成为当代 人机技术中的研究热点之一 力反馈技术与虚拟绘制技术的结合为克服c a d 中存在的问 题提供了有效的解决途径 是虚拟产品开发领域中的一项关键技术 将进一步推动虚拟 绘制相关领域的研究 因而具有重要的理论意义 1 3 国内外研究现状 1 3 1虚拟绘制的研究概况及发展趋势 目前国内外针对虚拟绘制仿真展开了大量的研究 但相关研究尚不完善 还有更多 有价值的方向可以进行深入探讨和研究 针对一些典型的艺术效果和笔道特征的仿真算 法国内外已经研究出一定成果 但是缺少合理地将力引入到虚拟绘制过程并实现对绘制 过程的控制的方法 主要体现在操作复杂 缺少触觉感受等方面 虚拟绘制仿真方法大 致主要趋向于以下三种 基于绘制效果的仿真 非真实感绘制 基于物理模型的仿真 6 虚拟绘制的研究概况具体如下 大连理工大学硕士学位论文 在构建笔道方面 s t r a s s m a n 7 提出了二维毛笔绘制物理仿真模型 研究对象为真 实的笔刷 模拟笔刷在纸上绘制时的形态变化 并建立了复杂的物理模型 根据这种方 法绘制的笔道需要通过添加控制点和调整控制参数来调整笔道形状 如笔道路径上设置 关键点控制每个点的画笔压力 倾斜角度 笔毛硬度和运笔速度等 虽然s t r a s s m a n n 的 毛笔模型能模拟多种不同类型的笔道 但该方法计算量大 参数控制效果较难掌握 且 对笔刷分叉时笔道绘制的效果没有进行探讨 于金辉等 8 提出了一个笔刷模型 用散点 集合模拟笔刷的笔道 将笔刷运动轨迹定义为导引骨架 通过散点的密度 颜色和单元 笔触控制笔迹的特征 从而产生变化的笔道绘制效果 宓晓峰等 9 没有根据真实毛笔的 物理特性建立毛笔笔刷模型 而是将毛笔绘制的特性合理的参数化 根据实际书写中的 运笔经验 研究毛笔和纸之间的笔道接触区域的形状 设计基本图形将其填充到绘制的 笔道当中 该方法成功控制毛笔的绘制效果 简化了参数的设置与运算 s c h l e c h t w e g i l 0 等人提出了一种三维笔道模型 该方法对三维线条进行参数化 通过对路径的控制和对 线条参数的设置 模拟三维空间内的笔道绘制效果 在毛笔模型的构建方面 j l e e 1 1 1 对三维毛笔模型进行了研究 这种方法将虚拟毛笔绘制的研究带入了新时代 对虚拟毛 笔绘制效果的模拟也增加了更多的研究方向 r o s s 1 2 研究了笔头的特性 分析毛笔笔 毫在笔头整体运动中的变化 将整体笔头参数化 并根据毛笔笔毫在运笔过程中的形变 对其进行量化 通过参数来调整和控制模型的绘制效果 c h u 和t a i 3 1 3 认为毛笔笔毫的 弹性与分叉效果可以模拟更多的艺术效果 如干笔 笔锋等 因此研究的方向主要是笔 毫的变化 并设计了新的毛笔物理模型 以及一种新的人机交互设备来仿真绘制过程 在水墨扩散的仿真方面 g u o 1 4 和他的同事们提出构建纸张模型来模拟水墨扩散的效 果 在该纸张模型的构建过程中 研究宣纸内部纤维束的随机特性 然后通过基本的数 学曲线函数模拟宣纸模型的水墨吸收效果 实现水墨扩散艺术效果的仿真 l e e 1 5 后来 专门模拟了书画创作时经常出现的笔墨渗透 d i f f u s i o n 现象 对易发生渗透现象的纸深 入研究 根据纸张特性建立模型 成功模拟了水墨扩散效果 通过研究目前国内外与虚拟水墨效果仿真相关的仿真方法和技术 提出本文的研究 方向与思路 1 3 2 绘制效果仿真研究 绘制效果仿真中 普遍的研究方法是绘制效果分解 绘制效果分解 是通过符合逻 辑和绘制效果的虚拟离散步骤来解释和描述真实的连续绘画过程 绘制效果分解在西方 绘画的仿真研究中已经得到普遍的应用 所以这种方法具有一定的合理性 同时在实际 应用中可以发现 在图形绘制软件及绘制效果处理软件中也有广泛的应用 如i l l u s t r a t o r 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 美图秀秀等 考虑对绘制过程中全部影响因素进行真实模拟的可行性太低 所以将绘制 效果的艺术特征进行检测 抽象和划分 在分析过上述信息后 根据不同的艺术特征设 计合理的绘制算法以实现不同的绘制效果 1 原始笔道仿真 笔道仿真是虚拟绘制过程仿真的基础 虚拟绘制过程研究中水墨效果的仿真都是在 获得原始笔道的基础上展开的 原始笔道输入的方法是影响绘制效果优劣的重要因素 输入原始笔道的方法基本可以归类为三种 通过绘图软件或设备得到位图形式的图形作 为仿真系统的原始笔道 采用人机交互产品作为输入设备 得到专用格式的图形 每一 次输入都作为单一笔道处理 对笔道进行建模 通过调整控制点改变笔道的形状 得到 原始输入笔道后 可以在笔道轮廓基础上添加扩散和其它艺术效果 2 基本扩散效果仿真 研究了通过算法来仿真水墨的基本扩散效果的相关文献 大部分算法都是在原始笔 道的基础上加入水墨扩散的效果 主要的影响因素为力影响因素 湿度影响因素 墨色 等 由于扩散效果具有不同的特征与风格 所以对扩散仿真的研究是非常有必要的 应 用分形仿真水墨扩散轮廓 l6 的扩散算法中采用流体仿真模型 该方法对宣纸模型进行物 理仿真设计 构建具有纸纤维结构的纸元模型 通过流体仿真模型不断地查询在笔道覆 盖下的纸元模型的状态 并判断是否与相邻纸元模型进行水墨粒子交换 该方法可以简 单模拟水墨扩散的过程 但是对于一些更复杂的水墨艺术效果 如干笔飞白 泼墨 皴 法等效果的仿真还需要其他算法来模拟 水墨扩散的研究不仅可以丰富水墨效果的多样 性 还可以对进一步研究其他风格的绘制效果提供理论依据 但是在目前的扩散效果的 仿真还存在一定的问题 如缺少不同效果之间的过渡和叠加等 3 基于物理模型的绘制仿真 近年来 中国的研究学者在非真实感绘制水墨效果研究领域取得了鼓舞人心的成 绩 中国香港科技大学的n e l s o n 研发的 墨戏 m o x i 系统参加了在s i g g r a h 会议 并获得了国际上一致的赞扬 墨戏 m o x i 水墨绘制系统因此成为许多艺术工作者绘 制工具的首选 m o x i 仿真系统提出了一种基于物理的方法模拟艺术创作过程中水墨在 宣纸上的运动方法 1 7 在l a t t i c eb o l t z m a n n 方程基础上 设计了一种新型的流体模型 该模型能够实时模拟水墨在宣纸上的无序介质渗流的运动 该模型在统一框架下实现了 自然的形状演化与多孔介质流的合并 同时还完成了通过简单的隐函数建模的物理仿真 和高品质图像渲染方法 4 干笔飞白 效果的仿真 4 大连理工大学硕士学位论文 干笔飞白 艺术效果的主要特征为在笔道的中间有镂空的效果 形成干笔飞白 的主要原因是由于毛笔笔头的水墨量减少 部分笔毛不能与纸面接触或者该笔毛不含有 水墨 所以不能形成有效的绘制效果 由于形成干笔飞白的因素较复杂 所以很难通过 分形等特殊的算法计算得到 现有的研究成果是孙济洲 l8 等针对 干笔飞白 这种特殊 的毛笔绘制效果 提出的基于纹理映射的仿真研究的方法 他们做出了大量的研究分析 飞白笔道的笔道特征 将笔道内部的纹理进行切割与分类 当对应的图像与笔道特征进 行映射拼合 模拟并填充笔道内部纹理 从而实现飞白笔触的仿真 这种方法很好的模 拟了干笔时的飞白效果 但是基于纹理映射的仿真方法需要有对应的纹理库 绘制出的 笔道样式主要需要决定于纹理库中的图像种类 在简单性与易行性方面有待于进一步提 高 5 基于柏林噪声的水墨仿真 基于柏林噪声的水墨效果仿真算法是采用面向艺术效果的仿真方法对水墨效果进 行模拟 l9 1 该方法实现了一些特殊的水墨效果 主要通在添加不同频率的噪声函数到仿 真对象的二维图像上 如墨竹等较为具体的仿真对象 针对不同的仿真对象 首先要构 造随机噪声函数 插值干扰函数等 初步实现水墨的绘制效果 为了进一步模拟水墨效 果 在水墨模拟程序中加入柏林噪声函数 实现水墨的扩散 浓淡和飞白等纹理特征 噪声函数已经成功应用于大理石的纹理 火焰的效果和云彩特征的模拟 将柏林噪声函 数模拟水墨效果的算法也成功的应有到模拟墨竹的绘制艺术特征的方法中 但是这种算 法需要根据建立的三维竹子模型进行渲染 有一定的局限性 而且参数的设置较复杂 对绘制过程的模拟还有待提高 对比各仿真方法可以发现 针对不同绘制效果提出的不同算法和模型都具有较强的 独立性 不能够融合多种影响因素对笔道绘制和水墨效果进行控制 如水墨扩散 笔锋 的变化 墨色的混合 水墨传输的过程等 这些方法要辅助艺术家进行水墨绘画艺术创 作还有一定的差距 同时由于没有引入力的控制效果 也无法在视觉上和物理上都真实 的再现毛笔的绘制效果 不能实现用户与系统的实时交互 让用户有使用真实毛笔的感 觉 所以面对新的技术需求 力反馈技术的引入将改善这一不足 更好的实现虚拟毛笔 绘画的实体操作感和真实绘画效果的再现 1 3 3 力反馈技术的研究概况及发展趋势 所谓力反馈技术 f o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g y 实际上是一种与触觉感受有关的 虚拟现实技术 运用机械机构输出反作用力给使用者 将虚拟物体的空间运动转化为设 备的机械运动 将虚拟空间的力觉感受 视觉感受等呈现给使用者 使用户可以更真实 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 的操作 设计和使用虚拟产品 这项技术是一种新型的全方位的人机交互技术 操作者 通过力反馈设备对计算机虚拟环境中生成的物体进行虚拟的操作和设计 根据操作者手 上感觉到的力控制形体的形状 在传统c a d 系统中遇到的问题可以方便地通过该技术 得到解决 力反馈技术 触觉 和计算机图形技术 视觉 音响技术 听觉 相结合 更真实的模拟设计过程 目前 力反馈技术在工业设计领域成为一个重要的研究内容 2 0 2 6 国外s e n s a b l e t e c h n o l o g i e s 公司已经推出了商品化的带力反馈功能的c a d 系统f r e e f o r mm o d e l l i n g p l u ss y s t e m z 7 1 在造型设计及c a d 建模方面 取得世界专利3 d t o u c h 技术f r e ef o r m m o d e l i n gs y s t e m 一一触觉式虚拟造型设计系统 首次使用了可触虚拟模型 允许设计家 把创意 灵感及想表达的目的与意图直接体现到数据上 实现在虚拟环境中产品的功能 设计与外观设计 而不会存在传统模型制作工具在模型制作过程中受到约束的问题 这 为产品设计以及外形创新设计提供了新的造型方法 有效地解决了传统计算机辅助设计 难以满足日益变化的用户需求的难题 力反馈设备通常是一部小巧简单的手臂式机器 它能够提供精确的坐标输入并输出准确的力觉回馈 通过碰撞测试让使用者能够感受到 三维鼠标接触到虚拟环境中物件表面时的触感 反映出虚拟物件材料的硬度 表面摩擦 力等 在力反馈技术中广泛采用以下两种反馈力仿真模型 1 质点 弹簧 阻尼器力学仿 真模型 该模型通过进入虚拟物体中的位移来决定反馈力大小 2 基于材料切除率的 力学仿真模型 该模型通过材料切除率的大小来决定反馈力大小 在目前的虚拟绘制方 法研究中 尚没有将力反馈技术应用到虚拟绘制过程中 虽然力反馈技术广泛地应用到 不同领域中 但未见将两者结合进行研究的成果 综上所述 力反馈技术的发展已经为克服计算机辅助设计中存在的问题提供了有效 的解决途径 它在虚拟绘制领域的应用将为虚拟三维表面绘制的理论研究和应用方面取 得重大突破提供可能 1 4 本文的章节安排 第一章绪论 介绍了本文的研究背景 概括论述了虚拟绘制的研究概况以及力反馈技术的研究现 状和发展趋势 并规划了本文的主要研究内容 第二章研究基础 首先概述绘制工具 艺术特征分析 绘制方法等理论基础 然后对绘制过程中的毛 笔行为进行深入的研究 最后总结绘制过程控制和仿真的原则和方法 第三章基于力反馈技术的笔道仿真 大连理工大学硕士学位论文 介绍动态仿真的方法 通过毛笔模型参数化对虚拟的毛笔行为进行控制 然后通过 笔道绘制算法完成笔道填充 最后建立力与笔道的关系 第四章虚拟绘制效果仿真 根据笔道面积 计算传输给笔道区域的水墨量 传输给扩散区域的水墨量和毛笔湿 度 然后通过湿度的变化控制墨色深浅 最后完成水墨效果的仿真 第五章系统开发 简要叙述了系统的结构和开发工具 以实例说明了系统的关键功能及界面设计 总 结了在该系统上进行的仿真实验结果 第六章结论 对论文所做工作进行了总结 对后续的开发做出了展望 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 2 研究基础 2 1绘制工具及其特点 笔墨是传统的水墨绘制工具材料 其绘制特性根据原料选材的不同而有所区别 水 墨绘制并非将绘制工具简单的结合起来就能够完成一副水墨作品 毛笔 宣纸和水墨等 工具材料的性能决定了绘制作品独特的艺术效果 笔分为笔锋 笔腰 笔根三部分 其 中笔锋又有中 侧 逆 拖 散5 种 行笔时不同的笔锋 传达出的效果也各具特色 中锋用笔 体现古朴凝重 逆锋用笔 体现苍劲古拙之感 散锋用笔 表达轻松飘逸之 感 笔墨在宣纸 绢上作画时绘制的点 线 面 产生的扩散 叠加 渗透效果 行笔 的疾徐 轻重 粗细 以及水墨表现的光涩 枯润 厚薄 齐乱等画面效果 可以映衬 出画家的内心世界 所以行笔时要注意用笔的速度 轻重 顿挫和转折等变化 这样创 作出的线条更富于变化 有更强的艺术感染力盟8 除了笔墨以外 绘制工具还包括绘画颜料 胶和明矾 颜料分为不透明矿物颜料和 透明的植物性颜料 用水调和后即可用于绘制 中国画的颜料多是间色和复色 较少纯 色 因此色彩显得沉着 有古韵 颜料中水分 含胶量 含矾量的不同 纸的吸水性 颜料的物理特性的不同所绘制的画面效果也各具特色 笔 墨 纸 国画颜料是基本的 水墨绘制工具 毛笔蘸墨在宣纸上绘制产生的染晕 渗化 滴溅等特殊的风格效果 是 中式绘画与油画 水粉画等西式绘画的主要区别 因此 对于水墨效果的仿真研究应该 从绘画材料的特性研究入手 所以在模拟水墨的艺术效果之前 需要了解一下绘制工具 及其绘制的基本艺术特征 在绘画作品中由于使用不同工具和不同材料决定了它的画种 笔 墨 纸 国画颜 料是水墨画的主要工具 必须了解并通过实践巧妙地运用掌握这些工具 才能充分发挥 其应有的作用 而既然要仿真绘制过程 对绘画工具的研究也是必不可少的 1 笔 毛笔的有四个方面的特性 尖 齐 圆 健 尖是笔锋尖锐 齐是修削的整齐 圆 是饱满 健是笔有弹性乜引 毛笔根据笔豪的特性分为硬毫 软毫和兼毫 硬毫以狼毫为 代表 软毫以羊毫为代表 其中羊毫柔软 狼毫刚健 兼毫柔中带刚 进行绘画创作时 根据绘制的对象以及笔法风格选用不同的毛笔 2 墨 墨是表现水墨效果的最主要材料 传统的水墨画就是合理的运用墨表现浓淡深浅的 效果 使画面有层次感 墨不只是黑色 墨的分类如下 大连理工大学硕士学位论文 根据墨的深浅层次 可分为作清墨 淡墨 浓墨 重墨和焦墨五种 其中墨色深 浅层次依次从淡到浓 根据墨的材料 墨分松烟 油烟 漆烟三类 油烟墨用桐油或添烧烟加工制成 松烟墨用松枝烧烟加工制成 漆烟是用国漆作燃料 燃烧后的烟垢加胶加工而制作成的 3 纸 水墨绘画的用纸通常选取宣纸或绢 然而由于宣纸品种繁多 容易批量化生产 品 质好 又具有可以反复上色的特性且比其他绢类织物的价格便宜 故现在宣纸几乎已成 为水墨画专用纸张 虽然宣纸品种繁多 但是纸面按洇墨程度基本可以分为生宣 半熟 宣和熟宣三种 经过研究宣纸的发展历程发现 生宣由于没有经过矾水加工 因此其具 有较强的吸水性和沁水性 水墨在纸面上容易渗透 能产生丰富的笔墨变化 泼墨法 积墨法等技法只可在生宣上使用 所以写意画多用生宣 熟宣是用矾水加工过的 所以 与生宣相比纸质较硬 吸水能力也不强 这样水墨在其表面不容易洇散开 也较难充分 渗透 所以在上面可以工整细致地描绘线条 是绘制工笔画的绝佳材料 4 颜料 水墨画所用颜料有两类 一类是矿物性颜料 由天然矿石研磨而成的粉末状 色彩 厚重 覆盖能力强 渗透能力较低 另一类是植物性颜料 主要是从树木花卉中提炼出 来 透明色薄 质细 容易渗透 没有覆盖力 色泽鲜艳 沉稳又自然 但经不起太阳 光的久晒 否则色彩会变淡和褪色 综上所述 水墨画所需绘制材料各具特色 为了模拟水墨效果需要根据绘制材料的 特征建立仿真模型体系 从而模拟笔道的绘制成画机制 但是单单了解绘制材料的特质 属性还远远不够 必须深入挖掘毛笔 宣纸 墨 颜料等主要绘图工具和材料在绘制过 程中发挥的作用及相互间的动态交互行为 建立互相影响的仿真模型 从而实现对虚拟 绘制过程的控制 2 2 艺术特征分析 2 2 1 基本特征 水墨绘画按照艺术的表现手法分类 可分为工笔 写意和兼工带写三种形式 工笔 是以线为主要造型手段 以笔墨传情达意 以形神兼备 以形写神为造型原则 色彩绚 丽而韵味十足的一种绘画形式 2 9 1 相对 工笔 而言 通过精炼豪放的笔法着重表现描绘 对象的意态风姿的画法称为写意 写意的画法要求笔法纯熟 下笔准确 不拖泥带水 对描绘的对象所采用的表现方法运用自如 对意境的把握更是游刃有余 兼工带写的画 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 法顾名思义 是将工笔与写意相结合 体现这两种绘画手法各自独到风格 并融合了两 种手法的特点而形成的不同于这两类手法的绘制风格 图2 1 水墨风格的作品 f i g 2 1s t y l eo fc h i n e s ei n kp a i n t i n gw o r k 水墨绘画的方法在用笔 用墨 用色等方面 有着独特之处 水墨绘画的用笔和用 墨方面 是造型的重要部分 水墨画的用笔讲求以粗细 疾徐 顿挫 转折提按 方圆 等变化来表现绘画对象的质感 3 0 1 对于用笔 起笔和止笔都需要通过力对笔的驱动 中 间力不可断 要一气呵成 止笔也要有力度 而对于用墨 则讲求皴 擦 点 染等技 法的交互使用 与水墨干 湿 浓 淡的合理配合 才能获得层次丰富的画面效果 反 映出交叠辉映的意境和韵味 用墨还要有浓淡相生相融 具有水墨交融 酣畅淋漓的艺 术效果 具体地说就是将水 墨和宣纸的属性特征完美地体现出来 如水墨相调 出现 大连理工大学硕士学位论文 干湿浓淡的层次 还要做到浓中有淡 淡中有浓 因此 笔和墨构成了水墨绘画的主要 部分 是最能够体现水墨风格的元素 综上所述 水墨效果的特点主要是笔划造型 笔墨交互 水墨扩散 统色的单纯化 特性 对空间的虚容 允许省略和概括等等 都使它有别于其它绘画形式 2 2 2 基本技法 用笔 用墨以及用色是水墨画绘制的基本技法 水墨绘画重神似 讲究笔到意到 用笔的轻重 刚柔 运笔的换季 迟涩 笔锋的正侧 逆顺 在宣纸上留下不同质感的 线条 笔迹 立意须造型 造型须用笔 用笔便成了水墨绘画的基础 下面首先对用 笔进行说明 1 笔与线 以线为主要形式的构成语音并不是水墨画艺术的独有 但是线的构成观念与存在形 式有其独到的韵味与内涵 线是运动的形式与结果 一条线所蕴含的的意义远比物象的 表面形态复杂和深刻的多 比如在山水画中 斧劈皴给人坚挺硬朗的感觉 披麻皴则给 人松软的感觉等等 线在展现力变的同时 也将气动流向一并展现出来 线与塑造的形体之间的关系 主要体现在线条自身的品格特征与作者之间的交互 一方面 在古典艺术中 线更多是 一种塑造物象的手段 展现体 面的转折界限 线具有运动特性 线的美是具有范围 和层次差别的 另一方面 在运笔过程中的绘画者将自己的思想 情绪 意趣都投入绘 制的线条当中 使线条具有生命力 能够在动态的变化中显现生命存在的规律 使得绘 制的作品具有明显的个性特征和独特的神韵 2 笔与意 立意是用笔之 本 不同于西方的绘画效果 水墨绘画更讲究其象征性 意 要求 内容与形式相结合 表现的形式使内容更突出 更典型 更具韵味 使得造型 情趣 创作意图 笔墨技法都得到很好的发挥 画家就是运用线来实现意境的描绘与气氛的烘 托 3 笔与力 笔力不是表现文字规范的因素 而是表现艺术品质的因素 是属于水墨艺术的要素 对作品的评价很显然并不是对笔和墨自身品质的赞誉 而是运用它们的方式 3 2 1 笔 的 力量首先来自于气 其次来自于腕 笔力 是指以气运笔 下笔自然能产生力度 使笔 道的形态富于变化 用笔书写与绘画都是力变下的动态过程 那么绘制形态在发展过程 中会呈现出运动的节奏变化 这种力的延展空间意境是笔动的变化结果 基于力反馈技术的虚拟绘制过程控制方法 力能够控制柔软的笔锋自由运动 这就产生了绘制的各种笔法 如中锋 逆锋 侧 锋 拖锋 散笔等 笔法的变化是以笔力的变化来体现的 笔力是用笔的力度 用笔的 力度又要靠用笔的方法来实现 也叫力法 任何人写字都是有笔力的 完全没有笔力就 无法写字 只是笔力有强有弱而已 笔力不足就谈不上艺术力感染力 用墨 是水墨画的基本技法 墨色不干巴 有滋润感 归根到底是水墨的调和 用墨法 就是通过用笔将水墨运化到纸上的方法 这里主要研究运用墨色变化的技 巧 由于笔中含水墨量的差异 便产生干 湿 浓 淡的变化 没有变化的墨色必然呆 滞板浊 成为没有生气的死画 所以用墨需要结合浓淡 干湿交互使用 而要得到丰润 的美感 需在枯笔的基础上用湿笔 水墨的晕化 昏成一气也是水墨效果的情趣所在 水墨画用墨技巧 主要体现在将不同的墨色在同一纸面上体现出来 其中尤为困难的是 如何使用同一枝笔产生出各色的水墨变化 随着中国画的不断发展 用墨的技巧也更加 成熟 已经产生了 泼墨法 积墨法 和 破墨法 等多种表现手法 3 3 1 中国画的用色主要受到用墨的制约 用色与用墨是分不开的 关键在于解决好色和 墨的关系 在色与墨关系处理上 大致有以下三种方法 1 色墨重叠法 在画面较为完整且线条充实的墨稿基础上 用水性色彩 透明度强的颜色 在墨稿 上罩染 要多次层层积染 使画面逐步形成统一的风格 关键的一点是水分要充足 用 色和用墨不同 要有滋润感 不可干涂 干擦 把墨的韵味盖掉 要 色不碍墨 2 色墨对比法 在绘制墨稿时 有意识 有计划地留出一部分空白空问 留待用强烈的颜色完成 以使色和墨形成强烈的对比效果 这样画面上就会色墨互映 相得益彰 3 色墨混合法 色墨混融 合二而一 单笔中有微妙的色墨变化 比单用色显得有分量 比色墨两 次罩染显得鲜活生动 综上所述 只有掌握熟练的笔 墨 色技巧 才能绘制出具有水墨风格和韵味的作 品 当提笔作画时 要做到意在笔先 根据所表现的内容进行取势定位 然后经过反复 推敲 找到表现内容的最佳技法 当然 要到达整幅的意境只靠构图和技法还是不够的 还要结合形体的虚实 线条的疏密 用笔的刚柔 墨色的浓淡 干湿变化以及空间关系 等方面因素 缺少任何一点都会对画面传达的艺术效果造成影响 大连理工大学硕士学位论文 2 3 绘制方法归纳 2 3 1 笔法 笔法 是