FreeForm触觉设计系统的操作与使用

　　虚拟触觉设计FreeForm系统是一个基于力反馈的三维模型设计系统。该系统是由硬件设备PHANTOM、软件系统FreeForm Modeling Plus、OHAE软件开发包三个部分组成的。使用FreeForm所设计的三维模型在航空航天、生物医学、影视动漫、工艺美术、数控技术、数字化制造等领域得到了广泛应用。本书针对FreeForm Modeling Plus软件平台，对基于PHANTOM Desktop硬件设备的3D模型设计与生成过程进行了详细的描述，并附带了设计案例以方便读者学习。书中的内容分为十章，包括FreeForm系统简介、曲线设计、平面与草图设计、粘土模型设计、参考模型设计、曲面与实体设计、渲染设计、分模设计、管理设计、菜单管理等。每一章内容都采用图文并茂的方式，力求通俗易懂，为FreeForm触觉设计系统的学习者提供一套既全面又实用的教程。
　　本书适合广大FreeForm触觉设计系统的初学者，以及有志于从事三维模型设计、影视动漫制作、工艺制造等工作的人员使用，同时也适合高等院校相关专业的学生参考阅读。

前言
第一章 FreeForm系统简介
1.1 FreeForm系统组成
1.2 系统帮助
第二章 曲线设计
2.1 选择曲线
2.2 绘制曲线
2.3 编辑曲线
2.4 投影二维图形
2.5 将曲线投影到平面上
2.6 求相交曲线
2.7 2D曲线转换为3D曲线
2.8 从参考粘土中复制曲线
2.9 依平面求粘土的剖面线
2.10 依曲面求粘土的剖面线
2.11 复制实体边界线
2.12 求螺旋曲线
2.13 轴位标志
2.14 建立曲线曲率图
第三章 平面与草图设计
3.1 平面设计
3.2 草图设计
第四章 粘土模型设计
4.1 建构粘土
4.2 雕刻粘土
4.3 精细粘土
4.4 变形粘土
4.5 粘土着色
4.6 选择或移动粘土
第五章 参考模型设计
5.1 编辑参考粘土
5.2 依闭合曲线编辑参考粘土
5.3 编辑并缝合参考粘土
5.4 依剖面变形参考粘土
5.5 依3D曲线拖拉参考粘土
第六章 曲面与实体设计
6.1 曲面设计
6.2 实体设计
第七章 渲染设计
7.1 材质设置
7.2 灯光设置
7.3 场景设置
7.4 渲染设置
7.5 在渲染平面上贴纹理
第八章 分模设计
8.1 制作模具
8.2 生成模具嵌件
8.3 参数分析
第九章 管理设计
9.1 中间管理
9.2 实用管理
9.3 收藏夹管理
第十章 菜单管理
10.1 文件管理
10.2 编辑管理
10.3 视图管理
10.4 工具管理
10.5 粘土管理
10.6 工具面板管理
10.7 帮助资源
附录一 工具面板工具说明
附录二 菜单栏指令说明
附录三 FreeForm系统功能按钮索引表
致谢

　　前言
　　虚拟现实这个术语一般指的是虚拟现实技术和虚拟现实系统。虚拟现实系统包括计算机、人、数据、软件、外围设备；而虚拟现实技术则是处理人的感知（视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等）和计算机数据之间的关系并且解决物理环境和抽象环境（如人的思维空间）的数字化模拟问题。虚拟触觉设计FreeForm系统是基于虚拟“触觉”或力反馈技术而发展起来的三维模型的虚拟设计系统。它的基本概念来源于泥塑工艺，是通过虚拟化的雕塑过程来创建具有“自由形态”的三维数字化模型。为方便叙述起见，我和我的合作者在本书里把这个系统简称为FreeForm系统。
　　在20世纪90年代中期，FreeForm系统以SensAble FreeForm为注册名称问世于欧洲。之后，这个系统发展成了一个介于传统的计算机辅助设计CAD（Computer-aided Design）和增强现实AR（Augmented Reality）之间的三维建模系统，并且它很快在欧洲和美国的学术界和工业界得到了广泛的应用。但是，由于虚拟现实技术在第二度千禧年前后的几年里得到了媒体界的捧杀，FreeForm系统和所有虚拟现实系统一样也遭遇了极其坎坷的发展历程。经过新闻媒体对FreeForm系统的商业潜力和社会影响的过度解读之后，用户和公众对该系统的期望值和它的实际技术发展周期之间出现了严重脱节。不久之后，随着基于互联网的信息产业以及相关的计算机技术产业在千禧年间的泡沫危机，商业投机者对FreeForm系统的市场憧憬很快化为了泡影，业界对该系统背后的技术所寄予的期望也随之变成了失望甚至误解。因此，与同期发展起来的CAD（如AutoCAD、Pro/ENGINEER、SolidWorks等）系统相比，FreeForm系统一直是一个市场前景黯淡的高科技研发产品。即使在三维绘图系统（如3D Studio Max）和图像处理系统（如Adobe Photoshop）的用户当中，也很少有人了解甚至知道FreeForm系统。
　　自1992年，我在英国Derby大学计算机系任教并担任了该校计算机科学与技术学科的主任教授，一直从事虚拟现实技术的研究和相关系统的开发。在2000年夏季，我领导的研究小组承接了一项由英国国家医疗服务体系NHS（National Health Service）资助的研究项目。这一项目的一个研究内容是探讨人体组织重复劳损RSI（Repetitive Strain Injury）的机理并且试图通过虚拟现实技术来获取对RSI的防御措施以及计算机辅助医疗过程。课题组曾经遇到的一个技术难题是对生物软组织部位的动态建模及其具有力反馈的三维可视化与人机交互式分析。当时，FreeForm系统为解决这一难题提供了唯一的有效途径。实际上，即使在十几年之后的今天，在解决类似的技术问题时，依然没有其他系统可以取代FreeForm系统。其实，从工艺与美术、玩具与游戏、礼品与服装、信息与传媒、电器与电子、仪器与仪表，到快速成型和设备与制造，以及在生物、制药、医疗、教育、汽车、航空、航天等领域，人们已经意识到触觉式建模技术能够为这些行业带来的好处以及它在这些领域中的应用潜力。
　　鉴于我个人在触觉式建模技术方面十几年的教学和科研经验，FreeForm系统是目前为数不多的而又最为成功的触觉式建模系统之一。它也是目前唯一对三维形态设计和美术工艺设计过程虚拟化最为成功的商业系统。FreeForm系统在传统的CAD系统和其他建模系统的人机交互操作和设计界面的基础上，把虚拟触觉引入了计算机三维模型之中，从而使模型的形态包涵了模型的功能并且集成了模型的设计与制作工艺过程。这也是FreeForm系统和其他CAD系统和三维建模系统的根本区别之处。传统的三维建模过程实际上仅仅是一个设计过程。通过这一设计过程所创建的模型一般需要付诸于独立的、互不兼容的制作过程（如数控制造和三维打印）才能生产出相应的物理模型或产品。而使用FreeForm系统来建模的过程不仅是一个设计过程，还是一个模型制作过程。虽然我们可以通过诸如数控制造和三维打印等生产手段来制作FreeForm模型的物理模型，但FreeForm系统的建模过程实际上是这些物理模型的塑造工艺和雕塑制作过程的虚拟化的制作过程。
　　英国Derby大学虚拟现实技术研究小组部分研究人员利用FreeForm系统对生物体软组织的触觉建模与交互式三维可视化分析（自左至右：Richard Bateman博士、张海燕博士、商晓磊博士、Christopher Dean董事长Touch＆Discover Systems公司拍摄于2001年）。
　　我和我的合作者恳切地希望为广大读者和FreeForm系统的用户提供一个全面、系统、详细的学习读物和参考工具。根据FreeForm Modeling Plus软件的应用功能，我们将书中的内容分为十章，包括FreeForm系统简介、曲线设计、平面与绘图设计、粘土模型设计、参考模型设计、曲面与实体设计、渲染设计、分模设计、管理设计、菜单管理等。每一章都附带了详细的设计案例以方便读者学习和掌握系统的操作过程。由于水平有限，书中难免有疏漏之处，希望广大读者批评指正。
　　赵正旭
　　2015年4月于河北石家庄

　　在讲解FreeForm系统的操作与使用前，我们先来了解FreeForm系统的组成以及系统提供的快捷帮助。在FreeForm系统的组成中，重点围绕系统的硬件设备与软件平台进行解说，力求让读者体会到FreeForm系统的运行原理与设计优势。本书运用的FreeForm系统是运行在Windows Vista 64位操作系统上的，其操作与使用与Windows的其他操作系统基本相同。
　　本书介绍的虚拟触觉设计FreeForm系统是基于SensAble公司的3D Touch技术的模型设计系统。该系统由PHANTOM触觉设备、FreeForm Modeling Plus软件和OHAE软件开发包三个部分组成的。PHANTOM触觉设备提供给用户自由度为6的机械手臂，该机械手臂可完全代替鼠标，作为“虚拟刀具”雕刻模型。FreeForm Modeling Plus软件提供了数字粘土和三维设计界面。用户通过操纵PHANTOM上的机械手臂（也就是“虚拟刀具”），获得触觉反馈，从而在FreeForm Modeling Plus软件界面中实现对数字粘土的建立、雕刻、移动和抓持等操作。系统的另一个组成部分OHAE开发包是FreeForm系统的SDK软件开发包，可以对FreeForm Modeling Plus软件进行二次开发，实现其他应用。为了更好地理解FreeForm系统，读者可从图1-1中的“用户”角色出发，根据箭头指示感受FreeForm系统的建模原理。
　　PHANTOM触觉设备，作为力/触觉反馈设置，分为Desktop、Omini、Premium三种类型。本书中用到的是Desktop触觉设备，其英文全称为PHANTOM Desktop 3D Touch Device（简称为PHANTOM Desktop）。PHANTOM Desktop是6自由度输入和3自由度力反馈输出设备，可提供最真实的3D触觉，具有高保真力反馈性能。
　　PHANTOM Desktop主要由底座（1）、指示灯（2）、机械臂（3）三大部分组成，如图1-2所示，每个部分都已用数字标注出来。其中PHANTOM机械臂主要是指位于机械臂末端的触针（4），触针的黑色橡胶柄处存在一个瞬时开关的按钮（5）。
　　当指示灯持续不变地显示为绿色时，表示FreeForm系统已正常启动，可直接使用，即PHANTOM Desktop与计算机连接正常且FreeForm Modeling Plus已打开。当指示灯显示为闪烁的绿灯时，FreeForm系统可启动，但未校正。当指示灯闪烁黄色时，表示PHANTOM Desktop刚连接上电源线或刚连接上计算机。当指示灯持续显示橙色时，表示PHANTOM Desktop连接正常，处于待机模式。
　　机械臂扮演“虚拟刀具”的角色，用户在使用PHANTOM Desktop时，像握笔一样握住触针，可前/后、左/右、上/下移动或旋转触针，待其映射到FreeForm Modeling Plus软件中，便可对数字粘土进行雕刻。在以下章节中，我们将映射到FreeForm软件中的“虚拟刀具”称之为雕刻刀。在雕刻过程中，机械臂同时向用户反馈作用力，帮助用户更精确地操作粘土。必要时候点击触针上的按钮可向计算机发送操作信息，如选择工具、裁剪平面、选取区域、变形粘土等。
　　FreeForm Modeling Plus软件是对FreeForm Modeling软件的升级。书中介绍的软件的所有功能与案例都是基于FreeForm Modeling Plus V10版本进行讲解和实现的。