一种新型的3D镂空灯罩设计方法与流程

本发明涉及计算机图形处理与工业设计交叉领域，具体涉及一种新型的镂空3D灯罩设计方法。

背景技术：

实物建模是工业设计领域非常重要的组成部分，至今比较成熟的建模软件有CAD、3DMAX、Maya、犀牛、UG、PROE、SolidWorks、ZBrush等，但这种设计软件操作复杂一般不太适合非专业人员使用。

考虑到现今家庭装饰越来越有自主设计化的趋势，相对于请专业团队的设计师人们更喜欢亲自手动设计，而灯罩作为家装细节不可或缺的一部分，其设计能在细节上影响整个家装环境的氛围。因此，设计一个简洁直观易操作的灯罩建模方法，在一定程度上是非常必要的。

技术实现要素：

针对现有建模软件操作复杂且不适合非专业人员使用的问题，本发明提出一种新型的镂空3D灯罩设计方法，通过鼠标点击构建基本的灯罩模型，添加控制网格后绑定加载的镂空体元素，再手动调节控制网格和控制点，使得灯罩形变后能达到人们心中的预设模型。

为了实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种新型的3D镂空灯罩设计方法，包括如下步骤：

1)构建基础3D灯罩模型，构建方法如下：

1.1)选取有厚度的2D规则平面，设置平面底部横向坐标为[x₀,x₁]，纵向坐标为[y₀,y₁]，垂直于屏幕为z轴；

1.2)将2D规则平面拼接成光滑圆柱体，即基础3D灯罩模型，光滑圆柱体顶端和底端不封闭，拼接方法是将2D规则平面的2D坐标(x_i,y_i)转换至3D坐标(x_i',y_i',z_i')，转换公式如下：

其中，UnitV()是标准化计算，R和r是卷曲后的内外圆的半径差值，with为底边长；

2)在基础3D灯罩模型上添加镂空体元素，包括如下步骤：

2.1)在基本模型库中选取基本镂空体元素；

2.2)灯罩的镂空体元素采用选择性网格连接，即在镂空体元素的中心镂空部分删除相连的网格单元；

2.3)将灯罩的镂空体元素绑定至圆柱体的控制网格中，即将整个圆柱体按需要设置n个控制网格，镂空体元素被迭代绑定至每个控制网格中；

3)对基础3D灯罩模型进行简单形变，简单形变包括高度形变和简单半径形变；

4)对基础3D灯罩模型进行复杂形变，即将半径曲线等比绑定圆柱体，在半径曲线上设置多个控制点，通过拖动控制点控制3D灯罩模型的复杂形变，实现圆柱的局部半径发生变化；其中，非控制点之间的映射点采用线性插值，映射点的线性插值半径计算方法如下：

式中，D'为需要求解的当前该圈段的半径值，即映射点的线性插值半径；D为未调整基线时的圆柱半径，d_with为圆柱体两映射点间的距离长度，d为圆柱上两映射点间的某一点相距左边映射点的距离值，d_add为一个映射点半径变化量，另一个映射点使半径减少d_dec为另一个映射点半径变化量。

进一步的，上述步骤2)中基本模型库中镂空单体的基本模型类型通过系统设定或由用户自己设定，分为内外两层且可单独形变，内外两层的连接网格采用三角形面片生成算法Delaunay进行平滑连接。

进一步的，上述步骤2)中的控制网格可均匀分布在圆柱体中，或根据设定的密度差的从底部至顶部均匀加密或均匀减密分布。

进一步的，上述步骤3)，高度形变是在圆柱体顶端和底端两个朝向进行延展，在圆柱体高度变化时，其底端和顶端朝向的不同方向延伸会使得镂空体元素进行自动调节分布，采用自动复制和平移技术放大或者缩小镂空体元素；简单半径形变是将圆柱体均匀变粗或者变细，在整体变化的同时，镂空体元素在控制网格的作用下个体进行凹陷和凸起形变，但对于镂空元素的行密度，即一圈内镂空体元素个数不变。

跟多数工业设计软件相比，本发明基于一种新型的3D镂空灯罩设计方法功能更专一，操作更简便，结合计算机图形学后人们能直观的观察灯罩的设计效果，通过功能区参数调节，用户能方便的使模型达到自己预设的效果。

附图说明

图1为新型的3D镂空灯罩设计方法流程图。

图2为3D镂空灯罩的基本模型。

图3为镂空体元素的基本模型库。

图4为不同镂空体元素绑定至圆柱体中效果图。

图5为镂空体元素的不同密度分布效果图。

图6为3D镂空灯罩的简单形变效果图。

图7为3D镂空灯罩的复杂形变效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

图1为一种新型的3D镂空灯罩设计系统流程图，包括以下步骤：

1)构建基础3D灯罩模型，构建方法如下：

1.1)选取有厚度的2D规则平面，设置平面底部横向坐标为[x₀,x₁]，纵向坐标为[y₀,y₁]，垂直于屏幕为z轴；

1.2)将2D规则平面拼接成光滑圆柱体，即基础3D灯罩模型，光滑圆柱体顶端和底端不封闭，拼接方法是将2D规则平面的2D坐标(x_i,y_i)转换至3D坐标(x_i',y_i',z_i')，转换公式如下：

其中，UnitV()是标准化计算，R和r是卷曲后的内外圆的半径差值，with为底边长；

具体实施例中，当x_i的横向取值密度越大，即x_i和x_i+1的差值越小，卷曲后得到的曲面就越光滑；得到的光滑卷曲3D圆柱体，其顶部和底部，即灯罩的上沿和下沿都是不封闭的，预先加入镂空体元素后其基本模型如图2所示。

2)在基础3D灯罩模型上添加镂空体元素，包括如下步骤：

2.1)构造单个基本的镂空体元素，单个基本镂空体元素除了规则图形外，用户还可以自定义复杂图形元素，该类图形可以作为一个基本的模型库导入至镂空3D灯罩设计系统中；

具体实施例子中，镂空体元素的基本模型库如图3所示，基本模型库分为功能区，绘制区和展示区三个部分。用户在功能区选择或者自定义不同的基础图形，在二维绘制区设计镂空体元素的内外两侧，采用Delaunay三角网格连接算法连接成多个三角网格面片，在展示区形成3D模型；

2.2)灯罩的镂空体元素采用选择性网格连接，即在镂空体元素的中心镂空部分删除相连的网格单元；

2.3)将灯罩的镂空体元素绑定至圆柱体的控制网格中，即将整个圆柱体按需要设置n个控制网格，镂空体元素被迭代绑定至每个控制网格中；其中，根据用户需求可以将控制网格均匀分布在圆柱体中，也可以根据设定的密度差的从底部至顶部均匀加密或均匀减密分布；

具体实施中，不同镂空体元素绑定至圆柱体控制网格中效果如图4所示；镂空体元素的不同密度分布效果图如图5所示；

3)对基础3D灯罩模型进行简单形变，简单形变包括高度形变和简单半径形变；其中，高度形变是在圆柱体顶端和底端两个朝向进行延展，在圆柱体高度变化时，其底端和顶端朝向的不同方向延伸会使得镂空体元素进行自动调节分布，采用自动复制和平移技术放大或者缩小镂空体元素；简单半径形变是将圆柱体均匀变粗或者变细，在整体变化的同时，镂空体元素在控制网格的作用下个体进行凹陷和凸起形变，但对于镂空元素的行密度，即一圈内镂空体元素个数不变；

具体实施中，滑动功能区中的高度和半径滑块，圆柱体发生长短形变和半径形变，如图6所示。

4)对基础3D灯罩模型进行复杂形变，即将半径曲线等比绑定圆柱体，在半径曲线上设置多个控制点，通过拖动控制点控制3D灯罩模型的复杂形变，实现圆柱的局部半径发生变化；其中，非控制点之间的映射点采用线性插值，映射点的线性插值半径计算方法如下：

式中，D'为需要求解的当前该圈段的半径值，即映射点的线性插值半径；D为未调整基线时的圆柱半径，d_with为圆柱体两映射点间的距离长度，d为圆柱上两映射点间的某一点相距左边映射点的距离值，d_add为一个映射点半径变化量，另一个映射点使半径减少d_dec为另一个映射点半径变化量；

具体实施中，在半径曲线调节面板中的基线与设计的圆柱体的高度成一定比例，在基线上添加多个控制点后，鼠标拖动控制点使得基线变化，映射到该圆柱后半径发生相应变化，复杂形变效果图如图7所示。