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浅谈3D TOUCH技术—有触觉的设备Free Form
2010年1月5日    评论:    分享:

虚拟实境的想象空间
    在许多电影情节中,虚拟实境已经不是稀奇的事,电影主角戴上头盔、穿上手套,东拉西扯一番,在计算机的画面上便已经撷取了一大堆的数据,真是方便,省却了键盘、鼠标、连接器,更没有硬、软盘的限制,网络便如高速公路一般,来去自如。

    观看电影的人,除了惊呼科技的发达,计算机动画的进步神速之外,一定会觉得这种生活距离我们应该还很远,如果这么方便,学计算机一定是轻松简单的事了。由于职业上是CAD软件工程师,当然也就把这种幻想的虚拟实境功能,投影到我的职业领域中。

    假如,CAD 软件,也可以戴上头盔、手套,经过一番加工一个Part 就如此完成,这不是省却许多耗时的软件操作时间吗?当然!但是现在有这样的设备吗?有!虽然还没有如同虚拟实境般的全域视野,也没有头盔、手套,但是它经由机械式的手臂带给使用者操作时的触感,真的喔!有触感的喔,也就是力回馈的装置,已经具备虚拟实境的一些基础了,相信这将是一大突破。

    这是一套名为Free Form 的设备,除了软件之外另外的就是一个机械式的手臂,经由操作手臂的旋转、移动,画面上的刀具便跟着旋转移动,刀具接触到要雕刻的素材时,会有一个力量回馈到机械式的手臂上,让使用者感受到接触时的力量。这种技术称之为3D TOUCH技术。

Free Form系统的简介
    3D Touch技术是由3种元素所构成,『PHANTOM』是硬件接口,乍看之下是一具小巧、灰黑色的简单手臂式机器,但是它提供了精确的坐标输入和准确的力馈输出,让使用者感受到对象表面的硬度、摩擦力。软件接口『GHOST』就像是『触觉』引擎一般,如同大脑的神经反应一般,它可以经由复杂的计算,处理由简单到高阶的触觉运算,例如坐标位置、摩擦力和硬度等,再由『PHANTOM』硬件接口输出力量,最后3D TOUCH的应用软件则将使用者所用的力道、移动位置、硬件输出的力量做结合。把运算结果反应到屏幕上数字黏土的变化,带给使用者更有效、更精确以及更有趣的工作体验。简单得说就如同雕塑实际的黏土一般简单,所不同的是结果呈现在计算机屏幕上。

    3D Touch技术使得3D工作变得自然、直觉,它让使用者能利用这项技术而达到连续、双向的互动;Touch是〝全双工〞的感觉,它能够同时传送和接受讯息,3D Touch技术提供直接编修模型的能力,这意谓着我们能以较少的时间做较多的工作。

    而以这项技术发展出的专业3D软件,也可以缩短我们的学习时间,因为我们接触的感觉原本就是3D的;这意谓着我们将可摆脱过去窗口的2D按钮和滚动条控制,进而以3D Touch的方法去完成我们的模型。

Free Form的计算机设备需求

    Free Form的计算机设备需求如何呢?原则上『全双工』的接口最好由双CPU来运算,速度才够快,因此基本的设备要求是双CPU的主机板,才能让硬件与软件同时运算。当然内存也是多多益善,不过基本要求512MB。

    ※双Pentium 4 2.0GHz以上CPU

    ※1024 MB以上内存

    ※Windows 2000 With SP2以上

    ※高阶3D绘图卡,需64MB内存且支持硬件Open GL

数字黏土的数据

    Free Form 所雕刻的数字黏土基本上是STL档案格式,也就是三角网格,针对三角网格的编修,来得到外型的变化,编修的情况是以刀具的形状来决定,而对于几何形状的规则变化,则有基本的2D CAD辅助,或由汇入2D图档的线段,来切割外观轮廓造型,或运用布尔运算的方式得到特殊的形状。

    但是最主要的仍然是由手持的刀具去刮、削或长出素材来取得详细的特征,而针对STL 三角网格的格式,可以在软件上设定网格的精细程度,越细的网格当然越能表现特征的细部纹路。

产品开发 / 制造:

    目前计算机执行功能强大的3D专业软件,常发现一个问题,就是使用者无法充分使用这些软件,因为使用者被限制在软件接口的应用上,窗口接口和鼠标的使用大概在十几年前开始,而这些界面应用在传统的2D文书处理上,或许是非常合适的,但对于3D应用则显得不足;过去我们一直使用这些接口来创造出我们的产品,现在我们可以使用一种全新的接口,利用触感来突破这些瓶颈。

    使用鼠标或键盘来进行CAD/CAM模型的关键性工程设计或制造分析,在目前来说或许仍是必须的,但有了3D Touch技术,工程师们能对3D软件容易上手、更快地完成设计,并且付诸工程制造,这一切都会将流程加速、缩短产品开发时程。

    使用GHOST软件开发套件的CAD/CAM软件制造商,均能够在他们的应用程序中增加3D Touch的功能,这让软件使用者能够使用自然的方式,去完成数字模型,利用计算机〝感觉〞的这种方式,我们将可感受到3D模型外表的复杂变化。

Free Form 在设计流程中扮演的角色

    基本上Free Form是可以有如上流程来得到设计结果,也就是经由CAD/CAM确认或是修改后再经由CNC加工得到成品。另一个方法就是经由快速原型机器(RP)得到快速原型,以供设计者检讨设计理念,或是验证设计。

    另外的一种应用,就是结合非接触式的量测设备,针对产品的设计变更来应用,流程如下:

    目前的非接触量测设备,多数都能量测到数量足够的点群,以避免特征失真,再产生STL档案格式(目前大多数量测设备都可以输出STL格式),交由Free Form 设备编修、增减工件的STL外观形状,来快速的达到设变的目的。

    当然,如果由原始的3D CAD 数据,产生STL 档案,在经由Free Form 来修改,也是一种应用。

如下面的例子便是:

计算机动画:

    使用鼠标、键盘或数字板来制作3D计算机动画,的确比较困难且浪费时间的,过去对于计算机动画的动作编辑、数字着色或模型建构等,都缺乏简单的方法,且这些处理程序是冗长和困难的;使用GHOST软件开发套件后,动画软件公司将可使用3D Touch技术来加强他们的应用软件,并为软件使用者提供一个较自然和直接的接口,以改善生产力和动画处理流程。

    使用触觉的界面─这种最自然的方法,将让使用者用手创造出想要的数字模型,利用这种方式,也可应用在计算机辅助雕刻、仿真对象运动以及3D模型的上彩和贴图,这种3D Touch界面的优点有:缩短动画软件的学习时间、缩短动画模型发展的时程、以及增加真实性和发挥无限的创意。


不限定应用在CAD 领域上

    3D TOUCH技术会改变目前人们在3D计算机绘图的工作方式,它允许人们在真实的世界中,直接使用利用触觉的感觉为接口产生数字数据。这项技术的应用领域是无可限量的,设计师和艺术家可以利用数字黏土雕刻出他们想要的模型,工程师可以修改和评估复杂的3D数据,医生可以练习在现实环境中不可能施行的外科手术。

    我们来想象一位艺术工作者的雕刻工作,有可能在雕刻失误后重来吗?有可能重复雕刻相同的对象吗?利用数字的数据经由软件这些都可轻易达成。在针对医学的领域,『触觉』对于医学外科的应用是非常重要的,今日的计算机设备已被广泛应用在医学领域中,这包括诊断、手术室管理和提供训练等,然而却未包含医学应用上非常重要的『触觉』。而在外科应用上,新的技术提供了物体表面真实的感觉,它允许外科医生和医学系学生,能够在外科练习手术上〝感觉〞虚拟病人,以缩短学习时间并提高手术成功率。遥控的设备,也可以利用接触的方式让使用者精确地操作机械手臂,避免机械式的设备无法精确的安置造成危险,可应用于处理危险物品或遥控载运工具。

    目前,针对计算机断层扫瞄后的数据,可以经由软件转换为STL档案,由此可以取得人体骨骼的3D 三角网格,藉由Free Form设备自然可以编修这些骨骼的数据,以软件运算骨骼的破孔,来产生修补区域的形状(布尔运算),再以RP机器制作,如此一来建构义肢、或修补骨骼都能够既快速又方便。

    Free Form设备相信是未来新一代的3D设计趋势,虚拟实境的先锋。

标签:3DTOUCHFreeForm
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