陶瓷制作的拉坯方法及虚拟陶瓷制作系统与流程

本发明涉及一种陶瓷制作的拉坯方法及使用该方法的虚拟陶瓷制作系统。

背景技术：

陶瓷是中国劳动人民的重要发明之一，凝集了古代劳动人民的智慧和汗水。中国古人早在我国古代8000多年前的时候就成功地制成过陶器并用来盛放酒水。随着陶上釉工艺的逐渐发展，古代艺术家开始在陶瓷上进行绘画创作并设计各式各样的纹饰，陶瓷也逐渐成为了家居装饰品。

陶瓷选用特殊的陶土制成。制作时将陶泥摞入一个大圆盘内，旋转转盘，双手箍动陶泥，通过改变用力和方向对陶泥进行造型，将其拉坯成形。接下来画师用毛笔蘸取釉料在土上进行绘制，勾勒出山水等纹饰。最后经过数十道工艺精雕细琢的坯体被放置在窑内进行千度高温的烧炼，最终形成人们见到陶瓷用品或陶瓷艺术品。

如今，制作陶瓷已经成为人们的一种体验活动，在体验活动中，人们可以很方便的制作自己喜欢的、具有独特样式的陶瓷器具；在人机交互和体感设备高速发展的今天，越来越多的人也在关注如何在这些智能设备上实现虚拟的陶瓷制作过程；运用平板电脑等智能设备，这种制陶软件已经可以实现；在中国瓷都景德镇，人们在为如何保护制陶工艺这种民间的非物质文化遗产做努 力的同时，提出了对制作智能终端下的陶瓷制作系统的需求，在具备市场需求的同时，还有其相应的文化意义。

在计算机的图形学领域，虚拟制陶等三维真实感交互也引起了许多关注和研究。在2008年，Jaebong Lee等人就对如何用圆台作为基本结构对陶瓷进行建模并实现交互。近几年，许多学者研究了利用体感交互设备进行虚拟制陶，比如Yoon Chung Han等人于2012年研发了可视化的虚拟制陶设备；Sungmin Cho在2012年的Poster中提及的如何将现实世界中的塑形体验转换到虚拟的三维空间当中；Gabjong Han等人则提出了在增广空间中的制陶的算法。

技术实现要素：

虽然当前市场上已有一些比较成熟的虚拟陶瓷制作的软件，如Pottery。但是这些软件本身定位为一种游戏软件，在软件中使用的拉坯方法更加强调用户在制陶过程中的自由度。用户可以做出千奇百态，样式各异的作品。但对于这些用户任意发挥的作品，在真实的拉坯造型过程中难以实现或者根本无法实现。

为了解决这些问题，本发明提出了一种陶瓷制作的拉坯方法，该方法包括：生成原始坯体模型；通过固定的规则对已生成的原始坯体模型进行拉坯操作，其特征是：上述固定的规则约束得到的拉坯造型是真实可以实现的，可直接用于成品制作。

所述规则包括：

①坯体高度区间在3.5～26厘米；

②整个坯体任意横截面的直径不超过高度的18/26；

③坯体支撑点遵守如下规则：a)如果在坯体侧截面内凹部分极值点的凹点以上仅有一个瓶口，且无其它内凹的凹点或外凸的凸 点，则瓶口的直径小于上述凹点所在横截面直径的2.16倍；b)如果上述凹点以上还有其它的外凸的凸点，则上述凹点以上最近的凸点处的横截面直径小于上述凹点所在横截面直径的1.7倍；c)如果上述凹点以上还有其它的外凸的凸点，则上述凹点下方凸点所在横截面直径大于上述凹点上方凸点所在横截面直径的1.4倍；

④如果坯体的瓶口是敞开的，且瓶口侧面曲线为双曲线状，那么坯体上的凹点或凸点的数目分别小于4个；如果瓶口不是敞开的，那么坯体上的凹点或凸点的数目分别小于3个；

⑤坯体中横截面直径的最小值应大于等于高度的7/26和2.8厘米两者中的较大值。

在上述拉坯操作成形过程中，坯体被划分为多个层，每一层初始为具有长短轴的椭圆，在拉坯操作过程中的外力作用下，长轴逐渐与短轴等距，最后形成圆形，对于第i层，其半径渐变公式如下：

$r_i=r_i+k_0\arctan (r_{\max }-r_i)*\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}{e}^{-\frac{(r_i-\stackrel{\‾}{r})}{{2\mathrm{\δ}}^2}}$

以及

$r_i=r_i+k_0\arctan (r_i-r_{\min })*\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}{e}^{-\frac{(r_i-\stackrel{\‾}{r})}{{2\mathrm{\δ}}^2}}$

其中：r_i表示第i层的半径，表示外力作用点所在层的半径，r_max，r_min分别表示最大半径与最小半径，k₀为设定系数，δ表示公式中高斯函数的作用范围，高斯函数使得椭圆层越靠近力作用点所在层其变形程度越大，而离力作用点所在层越远时其变形程度越小，当δ越大时，则可形变范围越大，当δ越小时，则可形变范围越小；

在坯体横截面从椭圆到圆形渐变的过程中，对于长短轴，其 变形过程的公式如下：

$a_i=a_i+k_0\arctan (a_i-1)*\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}{e}^{-\frac{(b_i-\stackrel{\‾}{b})}{{2\mathrm{\δ}}^2}}$

$b_i=b_i+k_0\arctan (b_i-1)*\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}{e}^{-\frac{(a_i-\stackrel{\‾}{a})}{{2\mathrm{\δ}}^2}}$

其中a_i，b_i分别表示第i层的长轴和短轴；则表示力作用点所在层的长轴和短轴。

在上述拉坯操作的成形过程中，坯体横截面曲率变化遵守公式:

Curve_i＝(r_i+1-r_i)-(r_i-r_i-1)

其中，r_i表示坯体第i层的半径，Curve_i为第i层的曲率变化，当力作用点的曲率变化超过预定的阈值，则限坯体不发生形变。

另外，本发明还提供一种虚拟陶瓷制作系统，该系统基于智能移动平台，采用本发明上述的陶瓷制作的拉坯方法。

根据本发明提供的陶瓷制作的拉坯方法和虚拟陶瓷制作系统，可以约束在拉坯操作过程中不能实现的造型，在采用了这种拉坯方法的虚拟陶瓷制作系统中制作出来的产品，可以在真实的拉坯操作中得以实现，完全满足成品制作的要求，从而可以实现用户从虚拟作品到现实作品转换的需求。

附图说明

图1是本发明陶瓷制作的拉坯方法的模型图。

具体实施方式

根据本发明提供的陶瓷制作的拉坯方法，主要包括：生成原始坯体模型；通过固定的规则对已生成的原始坯体模型进行拉坯操作。在进行拉坯操作时，其中固定的规则约束得到的拉坯造型 是真实可以实现的，可直接用于成品制作。也就是说，在本发明的方法中，对于不可以实现的操作将禁止其执行。

本发明提供的虚拟陶瓷制作系统基于智能移动平台，采用本发明上述的陶瓷制作的拉坯方法，从而可以保证在系统中制作的虚拟造型可以直接用于成品的制作。

如图1所示，为本发明陶瓷制作的拉坯方法的模型图，对已生成的原始坯体进行拉坯操作，在确定整个拉坯过程中遵循的规则如下：

①坯体高度h区间在3.5～26厘米；

②整个坯体任意横截面的直径不超过高度的18/26；

③坯体支撑点遵守如下规则：a)如果在坯体侧截面内凹部分极值点的凹点以上仅有一个瓶口，且无其它内凹的凹点或外凸的凸点，则瓶口的直径小于上述凹点所在横截面直径的2.16倍；b)如果上述凹点以上还有其它的外凸的凸点，则上述凹点以上最近的凸点处的横截面直径小于上述凹点所在横截面直径的1.7倍；c)如果上述凹点以上还有其它的外凸的凸点，则上述凹点下方凸点所在横截面直径大于上述凹点上方凸点所在横截面直径的1.4倍；

④如果坯体的瓶口是敞开的，且瓶口侧面曲线为双曲线状，那么坯体上的凹点或凸点的数目分别小于4个；如果瓶口不是敞开的，那么坯体上的凹点或凸点的数目分别小于3个；

⑤坯体中横截面直径的最小值应大于等于高度的7/26和2.8厘米两者中的较大值。

在虚拟陶瓷制作系统中，实时对用户在智能平台上模拟进行的拉坯操作进行监测，当用户的拉坯操作的结果不符合上述的规定或超出上述规定的范围时，系统将拒绝执行造成上述不符合规定的操作。

拉坯的主要功能是改变坯体的形状，在虚拟陶瓷制作系统的拉坯操作过程中，用户可以选择经典器形而放弃对器形的自主设计，但在大多数情况下，用户都希望自己手动设计具有个性的器形。

通常器形的变化主要有四种：变高、变矮、变胖、变瘦。

在虚拟陶瓷制作系统中，通过触摸屏幕上显示的坯体并移动手指，来模拟拉坯操作过程，手指与屏幕的接触点被模拟为拉坯操作过程中的力的作用点。通过函数计算模拟坯体的变形过程，为了使拉坯过程更加接近真实情况，在拉坯过程中的器形是进行连续变化的，所以在系统中不能使用简单的一次或者二次函数；在拉坯操作成形过程中，坯体被划分为多个层，每一层初始为具有长短轴的椭圆，在拉坯操作过程中的外力作用下，长轴逐渐与短轴等距，最后形成圆形。特别是在拉坯变胖或变瘦的情况下，力作用点所在的层受到的作用变化最大，距离力作用点越远的层，其变化越小；拉坯变胖、变瘦必须保持在可以实现的范围之内，不能无限的变胖或变瘦。当坯体的椭圆半径接近最大半径的时候，必须保证变化或作用较小；最后，在初始状态下，由于整个模型具有一定的随机扰动，故每一层的椭圆的长轴、短轴均为随机生成，在拉坯操作过程中，希望被施加了作用力的每一层长轴逐渐变形接近于短轴，最后逐渐成为一个圆形。这样的效果比较符合真实的拉坯体验。为了使得拉坯具有渐变的真实效果，使用高斯函数对每一层的半径、长轴、短轴进行变形，具体公式如下，其中r_i，a_i，b_i分别代表了第i层的横截面的半径、长轴与短轴；则代表了力作用点所在层的半径、长轴和短轴；r_max，r_min分别代表了坯体横截面中的最大半径与最小半径，当在拉坯过程中，需要使得坯体的某一层局部变胖时，变形公式如下：

$r_i=r_i+k_0\arctan (r_{\max }-r_i)*\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}{e}^{-\frac{(r_i-\stackrel{\‾}{r})}{{2\mathrm{\δ}}^2}}$

其中，通过反正切函数映射，可以保证变化参数在0到1之间，当半径无限接近最大半径时，整个反正切函数值为0，则半径不会发生变化。高斯函数使得椭圆层越靠近力作用点所在层则变形程度越大，而离力作用点所在层越远时则变形程度越小甚至没有，δ表示高斯函数中的作用范围，当δ越大时，则用户的形变作用范围越广，当δ越小时，则用户形变的作用范围就越窄。k₀为设定参数。

同理，当在拉坯过程中，需要使得坯体的某一层使其局部变瘦时，变形公式如下：

$r_i=r_i+k_0\arctan (r_i-r_{\min })*\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}{e}^{-\frac{(r_i-\stackrel{\‾}{r})}{{2\mathrm{\δ}}^2}}$

其中的参数及变量与上面的公式表示相同的含义。

无论在变胖、变瘦、变高、变矮的过程中，只要触点(力作用点)操作在陶瓷坯体上，就发生由椭圆到圆的形变，而在这个形变是一个过程中，根据已给出的陶瓷基本模型，在这些过程中对长轴和短轴使用高斯变形，公式如下：

$a_i=a_i+k_0\arctan (a_i-1)*\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}{e}^{-\frac{(b_i-\stackrel{\‾}{b})}{{2\mathrm{\δ}}^2}}$

$b_i=b_i+k_0\arctan (b_i-1)*\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\δ}}{e}^{-\frac{(a_i-\stackrel{\‾}{a})}{{2\mathrm{\δ}}^2}}$

其中a_i，b_i分别表示第i层的长轴和短轴；则表示力作用点所在层的长轴和短轴，其它参数与上面公式中表示的定义相同。

在真实的拉坯过程中需要考虑泥坯的承重能力、考虑高温烧制时的强度等多方面因素，不是所有的拉坯过程都能够在系统中 实现。为了能将虚拟作品在真实拉坯过程中真正实现，用户所作出的一些创意将被禁止执行。也就是说，用户所作出的虚拟的拉坯操作必须遵循本发明所指定的上述规则。拉坯操作是循序渐进的过程，不可能一次完成，在拉坯操作的每个周期，我们先按照前面所提及的变形函数对数据内容进行更新，更新之前备份原有的数据。如果发现更新之后的坯体形状违背限定好的某项规则，则恢复之前已备份的数据。按照之前所描述的规则静态地对当前坯体进行判断，具体规则实现方式如下：

Curve_i＝(r_i+1-r_i)-(r_i-r_i-1)

其中，r_i表示坯体第i层的半径，Curve_i为第i层的曲率变化，通过该公式，可以得到第i层的曲率变化情况，如果该点的曲率超过变化超过某阈值时，则说明变形违反了上述规则，在系统中不对坯体进行形变。

由于用户在使用系统时的自由度与线下制作的局限性之间存在矛盾，例如，如果判定过程中某层半径出现极小的抖动，系统的检测程序仍然会认为此位置存在波峰，而在用户看来这个问题可能并不明显，所以会导致用户在不明原因的情况下不能继续对坯体进行形状的改变，这种情况会造成很差的用户体验。因此，在系统的设计过程中给出的规则具有一定的灵活度，能将小的抖动产生的波峰过滤，从而保证用户的良好体验。