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《浙江大学》 2008年 博士论文
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基于手绘的交互方式与三维建模研究

丁展  
【摘要】: 使用传统WIMP(Window,Icon,Menu,Pointing Device)风格的图形用户接口(GUI,Graphical User Interface),用户需要费尽周折才能将自己的三维设计思路准确地传递给计算机。首先,用户需要将设计意图分解成若干独立的部分,例如点、线、面,然后再通过复杂的造型方法和繁琐的交互手段将这些元素组合、拼装成三维实体。而随着计算机辅助设计系统功能越来越强大,一个不争的事实是:其使用门槛越来越高,操作越来越复杂,从而使其在设计初始阶段扮演的角色和传统的笔、纸方法距离越拉越远。冗余的功能和过于严格的交互手段干扰了设计师的思路,打断了设计师的设计过程。因此现阶段还是有很多设计师在初始阶段宁愿继续使用笔和纸做设计,而在设计的最后阶段才将其在计算机中进行精确形状设计。 长期以来,人们已经习惯了使用简单、快速的手绘方法表达其形象思维。而基于手绘的交互接口已经渐渐展现了其在用户和计算机之间良好的沟通作用。在基于手绘的交互环境中,用户绘制的每一笔画都被系统感知,这种笔画不仅能表达图形设计意图,还能传递设计过程中的各种控制命令。手绘设计接口和传统WIMP用户接口最明显的区别是,它能捕捉并分析用户设计思路,而不是使用简单的匹配方法驱动系统造型。 本文研究的重点是基于手绘的用户接口在三维建模和交互中的作用。首先,在介绍了当前手绘造型和交互的众多研究方向和研究成果后,本文第二章描述了一种基于手绘的三维概念设计方法。和第二章手绘正向造型不同的是,第三章描述了手绘方法在逆向造型中的应用:点云表面曲线的手绘构建。为了更进一步体现手绘接口的优势,本文第四章介绍了一种基于手绘的鲜花三维实体造型方法,该方法充分体现了手绘在复杂自然生物体造型中的灵活性和创造性。其后第五章描述了一种物体空间自由定位的拖拽交互方法,并将其成功应用于点云之间的融合造型。第六章介绍了透明界面和手绘结合的移动平台界面设计新方法TGFUI。最后一章对全文进行了总结,给出了应用前景和未来的研究方向。 本文取得的研究成果和创新点主要表现在以下几个方面: (1)以草图为基础,用手势作为驱动,从而实现基于手绘的快速三维概念设计 本文将基于手绘的三维概念设计过程分解成草图识别、草图编辑、手势分析、实体/曲面创建、实体/曲面编辑等若干子过程。整个体系结构以有限状态机作为流程控制,它采用以草图手势规则和草图语义自动机为基础的设计思路,描述了草图语义的获取、表达和理解方法,从而较好地支持了早期的三维概念设计。 (2)提出了一种逆向工程造型中的曲线手绘构造方法 本文提出了一种手绘造型方法在逆向工程中的应用。该方法能在点云模型表面合理地创建出各种曲线,从而快速构建出模型的曲线网络。通过该方法创建的曲线网络能够很好的应用于后续的曲面约束拟合模块,从而丰富了逆向工程中的造型手段。 (3)提出了一种复杂形态的自然生物体手绘建模方法 本文将手绘方法应用于三维鲜花实体造型过程,并将建模分成结构建模和几何建模两个步骤,每个步骤同时采用若干手绘方法,实验表明该方法能够简单、快速、合理地创建出栩栩如生的三维鲜花模型。除此之外,为了拓展原有实体鲜花的设计方法,本文还提出了实体鲜花设计的新思路和新方法。 (4)提出了一种基于拖拽交互的物体空间自由定位方法 本文提出了一种点云表面的空间自由定位方法,它没有使用任何拓扑信息,因此可以直接应用于其它几种曲面类型的表面定位交互。本文将该定位交互方法成功应用于点云模型间的融合操作。 (5)提出了一种移动平台界面设计新方法TGFUI 传统GUI中的视图区和框架区在屏幕空间中是相互竞争的,较多的图标、按钮、菜单必然意味着视图区空间会被大大压缩。而TGFUI的最重要特征就是其各种图标、按钮、菜单都采用透明方式摆放在视图区的任意位置,而视图区占满了整个屏幕空间,从而克服了传统视图区和框架区的竞争关系。为了进一步减少按钮、菜单、图标的使用,TGFUI建议采用手势设计方法实现各种命令消息的发送以及图形、图像的设计。同时,为了克服手势识别的二义性,TGFUI采用反馈机制从而允许用户修正手势识别的结果。


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