基于力反馈技术的毛笔建模仿真研究

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(virtual clay modeling，VCM)是一种新的CAD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(51175058)，研究虚拟绘制中基于力反馈技术的毛笔建模仿真。本文研究了毛笔的结构特点，有效地构建基于力反馈技术的毛笔模型。该模型由两部分构成:毛笔几何模型和毛笔力学模型。毛笔几何模型由Open Inventor构建;毛笔的力学模型由弹簧-振子模型构建。基于力反馈技术的毛笔仿真模型可以有效建立虚拟力和毛笔变形之间的关系。研究了毛笔的力学行为，分析影响毛笔受力弯曲变形的因素，深入分析了力对毛笔形态变化影响，构建压力反馈力与毛笔形态变化的关系，将毛笔形态实时显示并输出反馈力，实现了基于力反馈技术的毛笔建模仿真。
　　本文中虚拟绘制系统的开发平台为Microsoft Visual C++，图形开发平台为OpenInventor，力反馈设备为Phantom Desktop。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设备对虚拟绘制过程中毛笔形态的变化进行控制，有效增强了绘制过程的真实感，而且操作简单，交互效果良好，对进一步推动虚拟产品表面绘制的发展有着十分重要的意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 毛笔仿真研究现状

1．2．2 力反馈交互技术研究现状

1．3 本文的研究内容

1．4 本章小结

2 毛笔力学行为研究

2．1 毛笔简介

2．2 毛笔行为研究

2．2．1 毛笔绘制风格

2．2．2 毛笔绘制特点

2．2．3 毛笔绘制技法

2．2．4 毛笔分叉

2．2．5 毛笔行为分析

2．3 毛笔受力分析

2．3．1 毛笔受力变形

2．3．2 毛笔受力运动分析

2．4 本章小结

3 基于力反馈技术的毛笔建模

3．1 毛笔几何建模

3．1．1 毛笔表面模型

3．1．2 毛笔模型控制节点

3．2 常用的力反馈仿真模型

3．2．1 弹簧-振子模型

3．2．2 弹性有限元模型

3．3 毛笔力学模型

3．4 毛笔模型的参数

3．5 毛笔模型的约束

3．6 本章小结

4 基于力反馈技术的毛笔仿真

4．1 压力反馈力模型

4．2 毛笔模型变形分析

4．3 毛笔运动仿真

4．3．1 毛笔平移

4．3．2 毛笔旋转

4．4 毛笔模型仿真

4．5 本章小结

5 仿真实验

5．1 系统开发

5．1．1 系统开发平台

5．1．2 系统功能

5．2 仿真流程

5．2．1 系统仿真流程

5．2．2 毛笔模型状态转换

5．3 仿真实验及结果分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢