VR虚拟现实虚拟浮雕教材最全版.docx

1、VR虚拟现实虚拟浮雕教材最全版（VR虚拟现实）虚拟浮雕教材前言自由曲面造型技术经过几十年的发展，理论上及系统的易用性方面日趋成熟，已成为现代制造业的基石。尽管如此，传统的自由曲面造型技术在人物，动植物，工仔模，饰品，手工艺品及雕塑品等的造型方面，虽不能说是无能为力，但至少可以说非常困难。造型手段的缺乏在某种程度上限制了这些行业数字化的进程。北京精雕科技有限公司于2003年推出的虚拟雕塑软件JDVirs1.0将较好地解决二维半的人物，动植物，工仔模，饰品，手工艺品及雕塑品等的造型问题，为这些传统的手工艺行业带来数字化时代的东风。去料谓之雕，堆料谓之塑，在电脑三维数字化模型上实施交互式堆去料等操作

2、之过程谓之虚拟雕塑（VirtualSculpting）。JDVirs以现实雕塑为隐喻，其部分功能源于现实雕塑，但又常常高于现实雕塑。JDVirs吸取了图形/图象/曲面系统的精华,它利用图形/图象/曲面系统的概念及操作方法,实时动态地创建,修改,修饰海量数据的三维几何模型,非常适合构造尺寸要求不严,形状复杂,二维半的艺术曲面。使用JDVirs完成的作品，可经上色处理之后存为图象，利用图象输出设备，如喷绘仪等输出，这样得到的图象立体层次感非常强，呼之欲出；或者可使用快速成型设备或C雕刻机单件或批量地加工出来，实现手工与自动化机器的完美结合。JDVirs1.0作为JDPaint软件产品家族中全新的一

3、员，是JDPaint中艺术浮雕曲面造型功能和技术的一个重大的发展和延伸。JDVirs1.0的主要功能特色如下：1. 以二维图形,平面图象或素描手稿为起点,创建三维模型。2. 在三维环境中高保真的着色模型上，实时动态地创建,修改,修饰海量数据的多边形模型（多边形顶点通常在50万到1000万之间）。3. 多种显示模式（地图方式/灰度方式/图象方式/图形方式）满足造型过程中不同阶段的需求。地图方式把高度的细微差异以人眼易于识别的颜色形式表现出来。图形方式时可把图象套色于雕塑模型上显示，可用于描图，检查模型与原始图象区域边缘匹配的程度及出效果图。4. 三种操作模式可用于三种不同的场合,单模型整体操作模

4、式可用于顶点数较少的模型,单模型局部操作模式可用于顶点数较多的模型或机器速度较慢的场合,多模型多分辨率操作模式可用于模型一个或多个局部要求比较精细的场合。5. 层概念的引入及层模型的实现方便了模型的构造过程。6. 堆料，去料，擦除，磨光等操作模拟现实雕塑过程，简单直观。7. 颜色模板，限高保低，高度模式，擦除，取消/重做等辅助工具，使得虚拟雕塑在某些方面高于现实雕塑。8. 灵活的浮雕生成方式（区域浮雕/单线浮雕/颜色浮雕/单线冲压/位图转浮雕/图象浮雕/融接）为造型过程中堆去大料提供方便。9. 几何曲面的造型方法亦被有机地结合进来（插值/旋转/扫掠/直纹/延伸/融接）。10. 漂移，螺旋，凸透

5、镜/凹透镜及各种纹理效果等常见于高端图象软件的功能，在JDVirs中得到了很好的应用。11. 可把模型的一部分定义为特征，对特征执行阵列，变换，单/双向变形，保存，重载等操作。12. 导动工具可控制刷子沿着轨迹运动,并自动相应地改变模型。可实现虚拟投影雕刻及虚拟投影塑形。13. 直接在模型上涂色及各种填色方法为模型上色提供了便利。14. 用户可自由扩充的纹理库，库中丰富的纹理资源及实时动态在模型上涂抹三维纹理功能，为修饰模型提供了便利。本书共分十一章，各章主要内容如下：第一章 概述部分，简单介绍了虚拟浮雕软件，并讲解了软件中的基本概念，包括矩形网格、层模型、操作模式、高斯分布、限高保低、刷子、

6、拼合方式等概念。第二章 介绍了模型工具的使用方法，包括新建模型、位图转浮雕、存为位图、图象浮雕等内容。第三章 介绍了橡皮工具的使用方法，包括撤消或重做、擦除或整体擦除、固化修改等命令功能。第四章 介绍了雕塑工具的使用方法，包括堆料、去料、抖动、区域浮雕、颜色浮雕、单线浮雕功能的使用方法。第五章 介绍了几何工具的使用方法，包括扫掠面、直纹面、延伸、融接功能的使用方法第六章 介绍了导动工具的使用方法，包括导动堆料/去料、导动冲压、导动抖动、导动擦除、导动涂色、导动磨光等功能。第七章 介绍了特征工具的使用方法，包括对所选特征进行移动、缩放、旋转、对称、变形以及追加造型、阵列、保存特征的讲解。第八章

7、介绍了变形工具的使用方法，包括推移、推拉、凸透镜、凹透镜、螺旋、漂移等功能。第九章 介绍了颜色工具的使用方法，包括涂抹颜色、单线填色、种子填色、区域填色、当前颜色等命令。第一十章 介绍了效果工具的使用方法，包括磨光、整体磨光、糙化、拼贴画、马赛克、墙砖、过程纹理、印象派、雨中池塘、纹理填充等功能。第一十一章 介绍了选项菜单中的几个命令，包括显示方式、限高保低、模型属性等功能。第一章概述1.1简介去料谓之雕，堆料谓之塑，在电脑三维数字化模型上实施交互式堆/去料等操作之过程谓之虚拟雕塑（VirtualSculpting）。虚拟雕塑是图形/图象/曲面系统的有机结合，它利用图形/图象/曲面系统的操作方

8、法，交互式创建，修改，修饰海量数据的三维几何模型，非常适合构造尺寸要求不严，形状复杂，二维半的艺术曲面，如图1-1。使用虚拟雕塑完成的作品，可经上色处理之后存为图象，利用图象输出设备，如喷绘仪等输出，这样得到的图象立体层次感非常强，呼之欲出；或者可使用快速成型设备或C电脑雕刻机单件或批量地雕刻出来，实现手工与机器的完美结合。图1-1模型1.2基本概念1.2.1矩形网格按照组成网格曲面的多边形分类，网格曲面可分为如下几类：普通网格由四边形及三角形组成。矩形网格由MN个按顺序水平放置的矩形组成。拓扑矩形网格由MN个按顺序放置的四边形组成，如放样等生成的网格。单向周期网格拓扑矩形网格的一个特例，常用

9、于表示滚筒。虚拟雕塑的对象是一张特殊的矩形网格-由MN个按顺序水平放置的正方形组成。水平及垂直方向分辨率相同的图象可以转换为一正方形网格。普通网格可以通过艺术曲面中曲面重构功能转化为矩形网格或正方形网格。1.2.2雕塑模型雕塑模型是虚拟雕塑的对象，是一张水平放置的正方形网格曲面。虚拟雕塑环境同时只能存在一个工作雕塑模型及零个或多个参考雕塑模型，工作雕塑模型及参考雕塑模型之间可相互转换。初始雕塑模型的创建方法有：a.在艺术曲面模块环境中选择一个或多个矩形网格，然后点击屏幕右侧工具条中虚拟雕塑工具。b.进入虚拟雕塑环境，点击模型工具中的新建模型命令。c.进入虚拟雕塑环境，点击模型工具中的位图转浮雕

10、命令。d.进入虚拟雕塑环境，点击模型工具中的图像浮雕命令。e.进入虚拟雕塑环境，点击模型工具中的加载雕塑模型命令。雕塑操作完成之后，点击选择工具，工作雕塑模型及参考雕塑模型以矩形网格的形式出现于选择工具环境中，此时所针对网格网曲面的操作同样也适用于该雕塑模型。雕塑模型中顶点的总数决定了系统的运行速度。一般该参数在100万之内，在当前的P4机器上，速度较快，在高配置的机器上，使用局部操作模式顶点数可达1000万左右。若模型由图像转化而来，模型顶点数=X方向的像素数*Y方向的像素数。若模型由艺术曲面中曲面重构功能转化而来，模型顶点数=(X方向尺寸/X方向步长)*(Y方向尺寸/Y方向步长)。“选项”

11、中“模型属性”命令可显示工作雕塑模型中顶点的总数。在虚拟雕塑过程中，可以增加或减少工作模型顶点数。在构造模型的大面时，可以减少顶点数以提高速度，在大面构造好之后，构造模型的表面细节时，再增加顶点数，以便精细控制。如果模型某个或多个局部比较精细，系统提供了截取模型功能，可以以较少的顶点（较大的步长）构造整个模型以提高速度，再截取需要精细控制的局部，然后调小步长重构可实现局部精细控制。截取模型时可把截取区域下的基面压低到一个指定高度，从而省去了拼合的过程。1.2.3操作模式三种操作模式可用于三种不同的场合：单模型整体操作模式可用于顶点数较少的模型，是系统缺省的操作模式，也是最常用的操作模式。单模型

12、局部操作模式可用于顶点数较多的模型或机器速度较慢的场合。多模型多分辨率操作模式可用于模型一个或多个局部要求比较精细的场合。系统缺省的操作模式为单模型整体操作模式，利用设定操作范围命令可把单模型整体操作模式转为单模型局部操作模式，利用截取模型命令可把单模型整体操作模式转为多模型多分辨率操作模式。选择工具中艺术曲面的“矩形网格分割”及“同源矩形网格合并”命令可把矩形网格曲面无损分割及合并。对于超大型网格曲面（顶点数300万2000万）可利用无损分割命令把网格曲面分为多个小的矩形网格，然后选择一个小的矩形网格（单模型整体操作模式）进入虚拟雕塑操作；或选择多个小的矩形网格（多模型多分辨率操作模式）进入

13、虚拟雕塑操作。各小矩形网格修改完毕后，可用“同源矩形网格合并”命令把小矩形网格无损合并，然后重新无损分割后修补原小矩形网格曲面的边界接合处。利用无损分割及合并技术，可处理超大型浮雕壁画。1.2.4层虚拟雕塑环境下只有一个工作模型，但该模型是由两个独立的层构成的流动层及固化层。流动层及固化层叠加在一起，构成屏幕上见到的模型（复合层）。固化层及流动层都是一张与的工作模型尺寸等同的网格曲面。固化层是一个基准曲面，除固化及流化命令外其它命令不能修改它。所有的命令都是修改复合层或流动层，缺省为复合层。固化层存在的一个理由之一在于相当一部分命令，如冲压、堆料-自然效果、涂抹纹理等等，必须有一个相对稳定的基

14、准曲面。由位图转浮雕、图像浮雕，JDP文件读入的对象，或选择工具下构造的对象进入虚拟雕塑环境时，其流动层为一零平面，固化层等于复合层为屏幕上见到的模型。由虚拟雕塑环境下保存及载入“VSM”文件时，固化层、流动层及复合层的信息可保存及重载。显示控制命令可分别控制只显示流动层、固化层及复合层。但操作时应该处于复合层显示状态，否则速度较慢。功能键“B”可把流动层上顶点高度不为零处以绿色显示出来。擦除命令就是把流动层上高度不为零的顶点置为零。固化命令把流动层上的对象移到固化层，并把流动层相应的部位置为零。流化命令把固化层上的对象移动到流动层，并把固化层相应的部位清零。层是虚拟雕塑的一个重要概念，没有理

15、解层的概念就不能解释命令操作过程中的一些怪现象，就不能真正体会虚拟雕塑的好处。1.2.5取消/重做在虚拟雕塑环境中，有两套取消/重做机制。对图形的生成、编辑、变换等操作，其取消/重做机制与选择工具中的取消/重做机制相同。对虚拟雕塑操作，考虑到雕塑模型数据量太大，系统缺省只提供了单步取消/重做机制，即可以取消最近的一次鼠标左键按下到抬起期间对模型高度或颜色的改变。但如果系统内存允许，取消/重做步数可增加到30步。如果用户输入了较大的步数，系统自动依照内存大小计算出一最大可能的步数。70万的顶点在1G的内存的机器上，取消/重做步骤一般可设到30步。连做多步取消/重做操作时，可用功能键“C”把显示模

16、式置为粗糙模式，以提高速度。除了取消/重做功能外，系统提供了擦除和整体擦除功能。擦除命令可擦除模型指定区域的修改。擦除是恢复特定区域最近一次模型固化时的状态。整体擦除恢复整个模型最近一次模型固化时的状态。1.2.6刷子/体素/纹理单元刷子是限定操作影响范围的一个区域。通常刷子为圆形或长方形。除了系统提供的预定义刷子之外，用户可利用网格曲面或图象自定义刷子。通常刷子还有三个参数：X、Y向尺寸及高度。虚拟雕塑中，堆/去料、体素、纹理填充等操作中都利用了刷子的概念。在磨光等操作中，刷子高度的概念变为力度的概念，力度变化范围为0.0-1.0，1.0表示力度最强。在虚拟雕塑中刷子,体素及纹理单元是通用的

17、,所有的刷子都可用作体素及纹理单元,同理所有的纹理单元都可用作刷子及体素。系统预定义的刷子有十类：图1-2预定义刷子1、高斯分布参见1.2.72、圆柱如图1-2(a)。参数定义如下：直经圆柱直径。直径无效。高度圆柱高度。3、锥体/锥台如图1-2(b)。参数定义如下：直经锥底直径。锥高锥高。限高刷子实际高度。4、半球/半椭球如图1-2(c)。参数定义如下：直经X方向直径。直径Y方向直径。高度刷子高度。5、长方体如图1-2(d)。参数定义如下：长度X方向尺寸。宽度Y方向尺寸。高度刷子高度。6、半圆柱如图1-2(e)。参数定义如下：直经圆柱直径。长度半圆柱长度。高度刷子实际高度。7、棱锥体/棱锥台四

18、棱锥体/棱台刷子，如图1-2(f)。参数定义如下：边长底边长。锥高锥高。限高刷子实际高度。8、半圆环如图1-2(g)。参数定义如下：大直经圆环大直径。小直径圆环小直径。高度刷子实际高度。9、自定义利用特征工具或艺术曲面中保存特征命令保存的扩展名为“bru”的文件。参数定义如下：X尺寸X方向尺寸。Y尺寸Y方向尺寸。高度刷子高度。10、图象自定义的图象刷子，如图1-3。纹理库中所有图象都可以当做刷子，体素，纹理单元使用。参数定义如下：X尺寸X方向尺寸。Y尺寸Y方向尺寸。高度刷子高度。图1-3图象刷子1.2.7高斯分布高斯分布是堆/去料时最常用的一种刷子。高斯分布是一XY向等价的类似奶嘴的一指数函数

19、，它共有三个定义参数，如图所示：图1-4高斯分布直径定义刷子的大小。衰减直径是高度值衰减到一半时的直径，它控制奶嘴的陡峭程度，衰减直径可以大于直径。衰减直径相对直径的比例越大，衰减越慢，曲线越平坦；反之衰减越快，曲线越陡峭。高度是其最高点的高度值。刷子的实际高度小于最高点的高度值，衰减直径相对直径的比例越大，实际高度比最高点的高度值小得越多。通常堆/去料时，如果累加的话，其高度取值都比较小，一般在0.01-0.05mm的范围。图1-5显示了不同参数值时，高斯分布的形态。图1-5高斯分布刷子衰减直径/直径=6/12，12/12，18/12，24/12高度=5mm衰减直径/直径=6/12，12/1

20、2，18/12，24/12高度=1mm高斯分布是把神奇的刷子，调整半衰直径相对其直径的比值，可以实现不同的效果。堆去料大面起鼓时，可把半衰直径设为与直径相等或直径的150%,这样可保证堆去料的区域比较光滑。构造比较细小的特征时，可把半衰直径设为直径的25%左右。构造特别细小的特征时，不要把刷子下直径调得很小，可保留刷子直径较大，而把半衰直径设为最小值0.01mm，这样就能构造出精细的特征。会不会依照不同的要求调整半衰直径，是虚拟雕塑是否入门的标志之一。1.2.8限高保低设计模型前，一般对模型的高度有一个估计。比如说将要设计的模型高度不超过15mm，这时可设其限高值为15mm，保低值为0mm。这

21、样修改模型时，一旦高度超过15mm，系统自动裁去超过部分，该部位将出现一15mm高的平顶，反之当某处的高度值低于0mm时，系统自动裁去低于0mm的部分，该部位将出现一0mm的平底。在命令操作过程中，可随时重新设定限高保低值，这样可把该命令对模型的改变限定在一特定的高度层次上。1.2.9颜色模板修改模型时，为了只改变特定区域，可把该区域涂上颜色，然后利用颜色模板功能达到操作只影响特定区域的目的。只有当前颜色可以充当颜色模板，如果颜色模板中的颜色不是当前颜色，可用当前颜色命令把其颜色置为当前颜色。图1-6颜色模板颜色无效修改模型时，不考虑颜色模板的影响。颜色内仅修改颜色模板内的曲面顶点。颜色外仅修

22、改颜色模板外的曲面顶点。1.2.10高度模式大部分操作都是对模型中顶点的高度的修改，即高度的升高及降低，高度模式可以限定操作时只升高或只降低刷子范围中的顶点。比如磨光时，正常操作是高点降低，低点升高，有时为了达到特殊的效果，可选用仅补低或仅去高选项。图1-7中为了去掉圆形沟，而不降低周围顶点的高度，可使用磨光命令的仅补低选项。图1-7高度模式去高补低高点降低，低点升高。仅补低仅补低，不去高。仅去高仅去高，不补低。1.2.11拼合方式虚拟雕塑许多命令都用到拼合方式选项，有关拼合方式的详细介绍请参考艺术曲面部分。图1-8拼合方式1.3功能键定义虚拟雕塑专用功能键定义如下：“1”：刷子直径设为4mm

23、，半衰直径(若为高斯分布)设为1mm。“2”：刷子直径设为20mm，半衰直径(若为高斯分布)设为30mm。“Q”：刷子高度/力度减少5%。“W”：刷子高度/力度增加5%。“S”：刷子直径(X方向尺寸)及半衰直径(Y方向尺寸)缩小5%。“A”：刷子直径(X方向尺寸)及半衰直径(Y方向尺寸)增大5%。“D”：刷子半衰直径(Y方向尺寸)缩小5%。“F”：刷子半衰直径(Y方向尺寸)增大5%。“Z”：取消最近一次鼠标左键按下到松开期间对模型的修改。“X”：恢复取消操作。“E”：隐藏/显示二维图形。“R”：隐藏/显示雕塑模型。“C”：粗糙/精细显示雕塑模型。“T”：单模型局部操作模式或多模型多分辨率操作模

24、式时隐藏/显示模型的非工作区。“V”：绘制多义线。“B”:流动层整体着色。“N”：整体擦除颜色。第二章模型工具模型工具主要用于创建初始的雕塑模型，模型整体特性的修改，及操作模式的转换。图2-1是模型工具菜单栏。图2-1模型工具菜单栏2.1新建模型创建一个高度为零的矩形网格平面。操作步骤：1）选择或不选择二维图形。2）选择菜单命令“模型-新建模型”，设置参数，输入完参数后按确定即可完成模型的创建。如果选择菜单命令前选择了二维图形，系统自动把二维图形包围盒的长宽值设置于对话框中的长宽输入框中。新建模型参数设置对话框如图2-2所示。图2-2长(X)：水平方向尺寸。宽(Y)：垂直方向尺寸。XY步长：水

25、平及垂直方向网格点间距。边界余量：左右及上下边界的加宽量限高：模型的限高值。保低：模型的保低值。2.2保存雕塑模型把虚拟雕塑下的工作模型以VSM文件格式保存。JDP文件及位图文件没有把雕塑模型分层保存，重新加载JDP文件或位图文件后，流动层上的材料都合并到固化层上去了。而VSM文件分层保存流动层及固化层上的内容，重新加载后可完整恢复保存前的状态，VSM文件不保存二维及三维图形。操作步骤：1）选择命令“模型-保存雕塑模型”，系统弹出文件保存对话框，输入文件名后确定。2.3加载雕塑模型把VSM文件格式加载进来，创建雕塑模型。VSM文件分层保存了流动层及固化层上的内容，重新加载后可完整恢复保存前的状

26、态。操作步骤：1）选择命令“模型-加载雕塑模型”，系统弹出文件加载对话框，输入文件名后确定。2.4位图转浮雕把一灰度位图或颜色位图图象转换为一矩形网格曲面。如图2-3所示。(a)原始位图(b)转为浮雕之后图2-3位图转浮雕操作步骤：1）选择命令“模型-位图转浮雕”从“模型”菜单下选取。2）设置参数系统弹出两个对话框，其一为打开文件对话框（图2-4），用于查找位图文件，找到文件后按打开，导航区出现其参数对话框如图2-5。3）设置完参数，点击确定按钮：各参数意义见图2-5的参数定义图2-4打开文件对话框位图转浮雕参数定义：长(X)：X方向尺寸，不能修改，由图象的分辨率及水平方向的点数决定。宽(Y)

27、：Y方向尺寸，不能修改，由图象的分辨率及垂直方向的点数决定。高(Z)：曲面高度。可根据要求输入数值。黑色最高：图象中黑色区域转化为高点，白色区域转化为低点。白色最高：图象中白色区域转化为高点，黑色区域转化为低点。限高：模型的限高值。保低：模型的保低值。说明：目前该命令仅处理.BMP图象，对其它格式的图象文件必先转化为.BMP格式。对彩色图象，系统内部先转化为灰度图象，然后转为浮雕曲面。2.5存为位图把模型的高度信息或颜色信息存为位图。操作步骤：1）选择命令“模型-存为位图”。2）设置参数。系统弹出两个对话框，其一为保存文件对话框，按保存，导航区出现其参数对话框如图2-6所示。图2-6存为位图参

28、数定义：高度存为位图把模型的高度值存为灰度位图。颜色存为位图把模型的颜色存为位图。2.6加载模型颜色执行位图转浮雕或图象浮雕命令时，系统把图象的颜色信息转化为模型的高度信息，加载模型颜色命令可把模型的颜色信息加载进来作为雕塑模型的颜色套色显示于三维雕塑环境。操作步骤：选择命令“模型-加载模型颜色”，统弹出对话框，如图2-7所示图2-7加载文件这是一个标准的打开文件对话框，一般选择生成当前模型时的位图文件，按打开后即加载了位图颜色信息，并套色显示于模型之上，如图2-8所示。可在这种模式下描图或做颜色浮雕等操作。图2-8套色显示2.7图象浮雕把一线条图象或色块图象按照颜色浮雕的规律直接转为浮雕曲面

29、，如图2-9所示。（a）位图(线条图象)(b)浮雕（c）位图(色块图象)(d)浮雕图2-9图象浮雕操作步骤：1）选择命令“模型-图象浮雕”。系统弹出两个对话框，其一为打开文件对话框，用于查找位图文件，找到文件后按打开，导航区出现其参数对话框如图2-10所示。2）设置完参数，点击确定按钮：各参数意义见参数定义。图像浮雕参数定义：自由高度图象中任一点高度由边界角度，截面形式及该点到区域边界的距离完全确定。实际高度该图象转为浮雕后的最大高度由高度值参数确定，此时边界角度将不起作用。限定高度该图象转为浮雕后，若高度超出由高度值参数确定限定值则会出现平顶。高度用于设定实际高度及限定高度的高度值。截面直线

30、截面形状为直线。截面圆弧截面形状为圆弧。边界角度边界切线与水平面的夹角，应为0-90之间。磨光生成浮雕后，系统内部对该浮雕进行光顺的次数。线条图象图象是由宽度较窄的线条及背景组成。对线条图象，线条所在位置高度值为零，仅改变背景处的高度值。色块图象图象是由一块一块的彩色区域及背景组成。对色块图象，背景处象素的高度值为零，仅改变非背景处象素的高度值。背景颜色指定背景颜色的R，G，B值。2.8截取模型系统运行速度取决于雕塑模型的顶点数。在其他参数不变的情况下,雕塑模型的顶点数与其在XOY平面上的投影面积成正比。如果删除原始模型，截取模型命令可截取模型的一部分作为新的雕塑模型,以达到减少模型顶点数和提高系统运行速度的目的。如果不删除原始模型，原始模型变为一参考模型，系统进入多模型多分辨率操作模式。图2-11(a)顶点数=202万，X步长=0.07mm，Y步长=0.07mm。图2-11(b)截取模型并删除原始模型之后：顶点数=99万，X步长=0.07mm，Y步长=0.07mm。图2-11(c)截取需要修改的部分并删除原始模型之后：顶点数=37万，X步长=0.07mm，Y步长=0.07mm。(a)(b)(c)图2-11截取模型的操作步骤：1）选择命令“模型