TWI819989B - 三維物件的建模裝置及建模方法 - Google Patents

Abstract

本案提出一種三維物件的建模裝置及建模方法。建模裝置用以執行多個操作包括載入一模型物件的一運動模型，其中運動模型定義模型物件的多個模型元件之每一者的一運動階層；接收包括多個元件的一待建模物件；讀取各元件的一元件屬性；基於各元件的元件屬性調整各模型元件的運動階層以產生具有元件屬性的一建模元件；以及於多個模型元件之每一者的運動階層完成設定後獲得一已建模物件，其中已建模物件包括各模型元件對應的建模元件。

Description

三維物件的建模裝置及建模方法

本案有關於一種建模裝置及建模方法，特別是有關於一種用於三維物件的建模裝置及建模方法。

現行的虛實整合的建模方法需要由使用者根據經驗進行建模。建模時，使用者需要逐一設定每一個元件的運動階層，以及元件之間的連接關係，初步完成模型架構的設定。接著，使用者再依據運動階層來逐一設定每一個元件的運動屬性值(例如可轉動的角度值範圍、運動速度限制、元件摩擦力及阻尼等)。然而，每一次建模時，使用者都必需對模型物件逐一設定每一個元件的參數，相當耗費時間並且容易出錯。

三維建模技術可應用的層面廣泛，但建模過程相當繁瑣且冗長。在每一次需要使用物件模型之前，使用者需要針對該物件的運作特性及屬性執行上述的建模程序。據此，如何改善繁瑣的建模程序為受到關注的技術問題。

根據本案的一實施例揭示一種三維物件的建模裝置，包括儲存媒體及處理器。儲存媒體經配置以儲存多個程式碼。處理器連接於儲存媒體，經配置以載入多個程式碼以執行多個操作。多個操作包括：載入一模型物件的一運動模型，其中運動模型定義模型物件的多個模型元件之每一者的一運動階層；接收包括多個元件的一待建模物件；讀取各元件的一元件屬性；基於各元件的元件屬性調整各模型元件的運動階層以產生具有元件屬性的一建模元件；以及於多個模型元件之每一者的運動階層完成設定後獲得一已建模物件，其中已建模物件包括各模型元件對應的建模元件。

根據本案的一實施例揭示一種三維物件的建模方法，包括載入建立一模型物件的一運動模型，其中運動模型定義模型物件的多個模型元件之每一者的一運動階層；接收包括多個元件的一待建模物件；讀取各元件的一元件屬性；基於各元件的元件屬性調整各模型元件的運動階層以產生具有元件屬性的一建模元件；以及於多個模型元件之每一者的運動階層完成設定後獲得一已建模物件，其中已建模物件包括各模型元件對應的建模元件。

10:建模裝置

110:處理器

120:儲存媒體

130:顯示裝置

310、320、330:模型元件

312、313:運動型態

400:框架

410、420、430:預設包圍盒

500:待建模物件

510、520、530:元件

510’、520’、530’:建模元件

610、620、630:最小包圍盒

900:已建模物件

910、920、930:建模元件

950:原點座標

S210~S250:操作

圖1為本案根據一實施例所繪示的建模裝置的方塊圖。

圖2為本案根據一實施例所繪示的建模方法的流程圖。

圖3為本案根據一實施例所繪示的二指式夾爪的運動模型的架構圖。

圖4為本案根據一實施例所繪示的模型物件的運動模型的框架的示意圖。

圖5為本案根據一實施例所繪示的待建模物件的示意圖。

圖6為本案根據一實施例所繪示的用於建立三維物件的互動介面的示意圖。

圖7為本案根據一實施例所繪示的用於建立三維物件的互動介面的示意圖。

圖8為本案根據一實施例所繪示的用於建立三維物件的互動介面的示意圖。

圖9為本案根據一實施例所繪示的已建模物件的示意圖。

以下結合圖式和實施例對本案作進一步說明，以使本發明所屬技術領域的相關人員可以更好的理解本發明並能據以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

如本文中所使用的，諸如「第一」、「第二」、「第三」、「第四」及「第五」等用語描述了各種元件、組件、區域、層及/或部分，這些元件、組件、區域、層及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅可用於將一個元素、組件、區域、層或部分與另一個做區分。除非上下文明確指出，否則本文中使用的諸如「第一」、「第二」、「第三」、「第四」及「第五」的用語並不暗示順序或次序。

請參照圖1，其為本案根據一實施例所繪示的建模裝置的方塊圖。本案的建模裝置10預先地分類欲建模的物件的型態或結構並針對每一種不同類型的物件建立標準化框架，讓使用者只需要依據標準化框架的引導執行對應操 作，即可快速地完成三維物件的模型建立，而不需自行從空白模型開始製作三維物件模型。

於一實施例中，建模裝置10包括處理器110及電性連接或通訊連接於處理器110的儲存媒體120。儲存媒體120儲存多個程式碼。於程式碼被載入處理器110後，處理器110執行本案的建模操作程序。

於一實施例中，建模裝置10包括顯示裝置130。顯示裝置130用以顯示互動介面。使用者觀看互動介面上的指示而更直觀地操作來控制建模裝置10執行建模程序。

於一實施例中，建模裝置10可以為但不限於平板電腦、筆記型電腦、個人電腦或具備處理器及/或儲存裝置，而可執行安裝在其上及/或雲端的應用程式或軟體之電子裝置。

於一實施例中，處理器110可以為但不限於數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、特定用途積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、中央處理器(Central Processing Unit，CPU)、系統單晶片(System on Chip，SoC)、現場可程式設計閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)及網路處理器(Network Processor)晶片等。

於一實施例中，儲存媒體120可以為但不限於隨機存取記憶體(Random Access Memory，RAM)或非揮發性記憶體(例如快閃記憶體(Flash memory)、唯讀記憶體(Read Only Memory，ROM)、硬碟機(Hard Disk Drive，HDD)、固態硬碟(Solid State Drive，SSD)或光儲存器等。

於一實施例中，顯示裝置130可以為但不限於顯示螢幕或投影機。

為便於說明本案的建模操作，請一併參照圖2。圖2為本案根據一實施例所繪示的建模方法的流程圖。圖2的建模方法可由圖1的建模裝置10所執行。於一實施例中，於處理器110載入程式碼後，執行至少以下的操作。

於操作S210，處理器110載入模型物件的運動模型，並儲存於儲存媒體120中。

於一實施例中，模型物件為依據機械裝置的各機件(machine part)的功能種類以及各機件與其他機件之間的相互運動或限制運動等條件所設計出來的用於建立虛擬三維物件的框架。機械裝置的種類眾多，舉例而言，可以為二指式夾爪、水平關節機器人、垂直關節機器人或XYZ線性平台等，本案不限制機械裝置的種類。模型物件可以為用於建立二指式夾爪、水平關節機器人、垂直關節機器人或XYZ線性平台等機械裝置的虛擬三維模擬物件的框架。

於一實施例中，一模型物件包括多個模型元件，此些模型元件之間的相互運動形成模型物件的功能。如上述說明，本案可應用於不同種類的模型物件，每一種模型物件的模型元件大致上可對應至機械裝置的各機件。使用者可根據實際應用需求來設計模型物件的運動模型並由處理器110來實現，以符合機械裝置的結構。

模型物件的運動模型是程式中所定義的模型元件的運動關係。於一實施例中，運動模型包括此模型物件中每一個模型元件的運動階層以及各個模型元件之間的運動型態。

為便於理解本案的運動模型的設計，以下為用於二指式夾爪的模型物件來舉例說明本案的運動階層。

二指式夾爪的功能結構包括二個連桿(link)及一座體(base)。二個連桿分別為夾爪的二指(finger)。座體連接二個連桿。二指式夾爪還包括設置於座體上的驅動模組，驅動模組用以控制夾爪的二指之夾取及放下動作。

請參照圖3，其為本案根據一實施例所繪示的二指式夾爪的運動模型的架構圖。於此實施例中，二指式夾爪的模型物件包括三個模型元件：模型元件310、320及330。

於一實施例中，模型元件310為對應至二指式夾爪的座體，模型元件320為對應至二指式夾爪的其中一指，模型元件330為對應至二指式夾爪的另一指。

於此實施例中，模型元件310的運動階層為基座連桿(base link)；模型元件320及模型元件330的運動階層為滑動連桿(slide link)。值得一提的是，本案可透過連桿機構的種類及連桿機構之間的運動關係來設計出一個模型物件中的每一個模型元件的運動階層，而所有模型元件的運動階層的集合即為此模型物件的運動模型。

於一實施例中，運動型態為每個模型元件與其他模型元件之間的協同運作。運動型態可以為旋轉或滑動。

承上述實施例，模型元件310為基座連桿，係連接於二個滑動連桿，故模型元件310與模型元件320之間的運動型態312為「滑動(slide)」，代表模型元件310與模型元件320彼此之間以滑動態樣協同運作。相似地，模型元件310和模型元件330之間的運動型態313也為滑動。

上述的運動模型的架構指示出，模型元件310與模型元件320之間為滑動關係，以及模型元件310和模型元件330之間也為滑動關係。

處理器110經由使用者的設計預先建立不同類型的模型物件的運動模型，運動模型中定義有模型物件的每一個模型元件的運動階層。如上述說明，模型元件320(二指式夾爪的其中一指)的運動階層為滑動連桿。

於一實施例中，每個運動模型對應於一機械裝置的結構，例如圖3的運動模型對應於二指式夾爪的機械裝置的結構。建模裝置10可以預先建立多個運動模型並儲存於儲存媒體120，以提升建模的廣度。

於一實施例中，運動模型記錄模型物件的框架屬性(模型元件的運動階層以及各個模型元件之間的運動型態)。為了提供使用者可以快速應用模型來建立客製化的虛擬三維物件，本案的建模裝置10提供互動介面來讓使用者可以依據自己的需求直觀地運用模型物件來建立可被應用於實際場域的虛擬三維物件。

於一實施例中，模型物件包括多個模型元件，且各模型元件具有對應的運動階層。模型物件包括對應於每一個模型元件的運動階層的預設包圍盒(default bounding box)。多個預設包圍盒之間的相對位置代表多個模型元件之間的相對連接關係。

請參照圖4，其為本案根據一實施例所繪示的模型物件的框架的示意圖。如上述說明，圖3所示的運動模型包括模型物件中每一個模型元件的運動階層以及各個模型元件之間的運動型態。

於一實施例中，運動模型保留模型物件中每一個運動階層的屬性欄位，屬性欄位的類型例如是元件的大小、外觀(色彩或紋路)等視覺設計資料。換言之，使用者可將模型物件作為基礎架構，自行匯入攜帶有可用於建模的三維 物件的大小或外觀等資訊的檔案，建模裝置10使用此檔案來實現快速建立虛擬三維物件。

如圖4所示，模型物件的框架400包括預設包圍盒410、420及430。於一實施例中，每個預設包圍盒對應於一模型元件。以二指式夾爪為例，預設包圍盒410對應於圖3的模型元件310(座體)，預設包圍盒420對應於圖3的模型元件320(二指式夾爪的其中一指)，及預設包圍盒430對應於圖3的模型元件330(二指式夾爪的另一指)。

預設包圍盒410、420及430為視覺化提示。使用者可以透過框架400的整體型態得知可被提供用來建模的模型物件的架構(可初步由外觀確認此模型物件是否對應於被用於建模的待建模物件的資料)，並且逐一增加元件的屬性資訊至預設包圍盒410、420及430(例如透過拖曳元件至預設包圍盒，將於後詳述)。建模裝置10編輯完所有元件的屬性資訊後，產生的客製化虛擬三維物件即為已建模物件。

請復參照圖2，於操作S220，處理器110接收包括多個元件的一待建模物件。待建模物件是使用者設計好欲用來產生虛擬三維物件的視覺設計資料。

請參照圖5，其為本案根據一實施例所繪示的待建模物件的示意圖。於一實施例中，待建模物件500是使用者依據電腦輔助設計軟體(CAD,Computer Aided Design)，例如AutoCAD、PRO-E或Solidworks等所製作出的視覺設計資料(例如儲存為CAD檔案格式)。

視覺設計資料是透過電腦輔助設計軟體設計出三維物件的元件尺寸及元件外觀(色彩或紋路)等的資料。使用者可以將CAD檔案作為視覺設計資 料匯入建模裝置10。建模裝置10的互動介面同時呈現運動模型的框架400(圖4)及待建模物件500(圖5)，讓使用者可直觀地進行建模操作。

如圖5所示，待建模物件500為二指式夾爪。待建模物件500包括元件510、520及530。於此實施例中，元件510顯示二指式夾爪的座體的實際外觀(即使用者欲建模的虛擬三維物件的外觀)，元件520及530顯示二指式夾爪的二個爪指的實際外觀。

請參照圖6，其為本案根據一實施例所繪示的用於建立三維物件的互動介面的示意圖。如圖6所示，使用者可在互動介面上同時觀看到運動模型的框架400及待建模物件500。

於一實施例中，互動介面提供使用者拖曳待建模物件500的功能。舉例而言，使用者可以分別拖曳元件510、520及530至各自的指定位置來實現建模。

請復參照圖2，於操作S230，處理器110讀取待建模物件500的每一個元件的元件屬性。於操作S240，處理器110基於每一個元件的元件屬性調整各模型元件的運動階層，以產生具有此元件屬性的建模元件。

於建模操作中，使用者可以將待建模物件500的元件逐一移動至框架400對應的預設包圍盒的位置。舉例而言，待建模物件500的元件520可被移動至預設包圍盒420的位置。如上述說明，預設包圍盒420對應於模型元件320。建模裝置10會讀取元件520的元件屬性(例如元件的大小、外觀(色彩或紋路)等視覺設計資料)，並以元件520的元件屬性來修改模型元件320的運動階層的屬性欄位(例如將元件520的其中一指的爪指大小、爪指色彩及爪指紋路等資料寫入至模型元件320的運動階層的屬性欄位)。於模型元件320的屬性欄位被寫入資料之後， 建模裝置10產生建模元件520’，其中建模元件520’具有元件520的元件屬性(例如建模元件520’的爪指的大小、色彩及紋路相同於元件520)。

於一實施例中，於建模裝置10產生建模元件520’之後，預設包圍盒420的大小會隨著建模元件520’的大小縮放。舉例而言，預設包圍盒420(圖4)的尺寸被放大至最小包圍盒(minimum bounding box)620(圖6)。最小包圍盒620為可包覆建模元件520’的三維最小外接矩形。

如上述說明，於使用者移動元件520至運動模型的框架之後，處理器110會讀取元件520的元件屬性。元件屬性例如是元件尺寸或元件外觀(色彩或紋路)等的視覺設計資料。

接著，處理器110基於元件520的元件尺寸及元件外觀來調整模型元件320的運動階層，而得到建模元件520’。因此，建模元件520’的運動階層的屬性欄位會包含元件520的元件屬性。換言之，建模元件520’的尺寸及外觀會相同於元件520的尺寸及外觀。

請復參照圖2，於操作S250，處理器110於每一個模型元件的運動階層完成設定後獲得已建模物件。

於一實施例中，處理器110會逐一將待建模物件500的元件510、520及530移動至運動模型的框架400中的預設包圍盒410、420及430的位置，並依據各個元件510、520及530的元件屬性來逐一調整對應的各個模型元件的運動階層。

請參照圖7，其為本案根據一實施例所繪示的用於建立三維物件的互動介面的示意圖。處理器110判斷仍有模型元件(例如模型元件330及310)的運動階層尚未被調整(即有關運動階層的屬性欄位(例如視覺設計資料)為空白)， 則待建模物件500的元件530被移動至模型元件330的預設包圍盒430的位置而產生建模元件530’(即建模裝置10將元件530的視覺設計資料加入模型元件330的運動階層的屬性欄位)。

預設包圍盒430的大小會隨著建模元件530’的大小縮放。舉例而言，預設包圍盒430(圖4)的尺寸被放大至最小包圍盒630(圖6)。最小包圍盒630為可包覆建模元件530’的最小三維外接矩形。

此時，處理器110判斷仍有模型物件的運動階層尚未被調整。請參閱圖8，其為本案根據一實施例所繪示的用於建立三維物件的互動介面的示意圖。待建模物件500的元件510被移動至模型元件310的預設包圍盒410的位置而成為建模元件510’(即建模裝置10將元件510的視覺設計資料加入模型元件310的運動階層的屬性欄位)。

預設包圍盒410的大小會隨著建模元件510’的大小縮放。舉例而言，預設包圍盒410(圖4)的尺寸被放大至最小包圍盒610(圖6)。最小包圍盒610為可包覆建模元件510’的最小三維外接矩形。

於一實施例中，模型物件的運動模型的架構可能與待建模物件的結構存在些許差異，故模型物件中部分的模型元件的運動階層可以依據預設的調整屬性被設定為是否為必需被填入屬性值或者是否可為空值的欄位。

於操作S240中，若模型物件的一模型元件沒有任何待建模物件的元件可以對應且處理器110判斷此模型元件的運動階層的調整屬性可以為空值，則可跳過此運動階層的調整。

圖8所示的建模元件510’、520及530’尚未被組合為一體(即尚未被組合為已建模物件)，其運動座標系也尚未被整合至統一的座標系統。

於一實施例中，處理器110會將建模元件510’、520’及530’組合為已建模物件，並將建模元件510’、520’及530’各自的運動座標系整合為統一的運動座標系。

被整合在一起的建模元件510’、520’及530’形成已建模物件。已建模物件具備了使用者繪製的待建模物件500的尺寸及外觀，並且為可在虛擬環境被操控的虛擬三維物件。處理器110可藉由整合後的運動座標來精準控制已建模物件的動作(例如移動或轉動)。

請參照圖9，其為本案根據一實施例所繪示的已建模物件的示意圖。處理器110基於模型物件的運動模型來組合建模元件510’、520’及530’。舉例而言，建模元件910(二指夾爪的座體)接合建模元件920及930(二指夾爪的二指)，而獲得已建模物件900(具有統一運動座標系的二指夾爪)。

於一實施例中，已建模物件900的運動座標系的原點座標950可以為處理器110依據三個建模元件910、920及930的中心座標來計算得到(例如計算三個建模元件910、920及930的中心座標的中心座標)。於另一實施例中，原點座標950也可以由使用者操作建模裝置10，於互動介面上進行點選而得到。

於一實施例中，於產生建模元件510’、520’及530’之後(即在獲得建模物件900之前)，處理器110會分別設定建模元件510’、520’及530’的運動階層屬性值。於另一實施例中，於產生建模元件910、920及930之後，處理器110會分別設定建模元件910、920及930的運動階層屬性值。

運動階層屬性值包括運動位置限制(position limit)、運動速度限制(velocity limit)、摩擦力(friction)及阻力(damping)等屬性值。

舉例而言，建模元件910的運動位置限制可以是沿著一軸向左旋轉180角及向右旋轉180角，用以表示建模元件910的運作態樣或運動極限。

於一實施例中，建模裝置10可執行三維建模軟體以在虛擬三維空間中建構具有三維資料的模型，包括三維物件的架構設計資料及視覺設計資料。建構好的模型，如本案的已建模物件900，可被應用於工業控制領域、外科醫學領域及遊戲設計領域等。虛擬的三維物件模型可以用於虛擬環境中的測試，在實作前先行模擬實作的可行性、安全性、良率等，以決定是否進行改良，以減少實作上的失敗機率。

綜上所述，本案提出的三維物件的建模裝置及建模方法基於機械的結構(例如工控元件的行為)預先設計出模型物件各自的運動模型，其中運動模型包括每一個模型元件的運動階層及運動型態。使用者可隨著模型物件的預設包圍盒的引導(例如待建模物件是否已經被移入至預設包圍盒)，直接將待建模物件的尺寸及外觀等資訊套用到設計好的運動模型來快速完成虛擬三維物件的建模。

現有技術需要由使用者操作建模軟體，逐一設計元件的運動階層(例如連桿的特徵)開始、元件之間的運動關係、元件的運動階層屬性，以及元件的視覺上屬性等，相當耗費時間。相較之下，本案可以大幅減少使用者建立虛擬三維物件模型的時間。本案提出標準化及模組化的設計，使用者不需逐一執行虛擬三維物件的建模程序，可以快速地完成建模。當需要建立的模型物件的數量多且模型物件的運動行為相似時，使用者更不需要花大量時間在執行重複且瑣碎的建模程序。因此，本案的建模技術可以提升建模的效率並降低建模的錯誤率。

以上所述僅為本案之較佳具體實例，非因此即侷限本案的專利範圍，故舉凡運用本案內容所為的等效變化，均同理皆包含於本案的範圍內，合予陳明。

S210~S250:操作

Claims (10)

1. 一種三維物件的建模裝置，包括：一儲存媒體，經配置以儲存多個程式碼；以及一處理器，連接該儲存媒體，經配置以載入該多個程式碼以執行多個操作，該多個操作包括：載入一模型物件的一運動模型，其中該運動模型定義該模型物件的多個模型元件之每一者的一運動階層及各該模型元件之間的一運動型態；接收包括多個元件的一待建模物件；讀取各該元件的一元件屬性；基於各該元件的該元件屬性調整各該模型元件的該運動階層以產生具有該元件屬性的一建模元件；以及於該多個模型元件之每一者的該運動階層完成設定後獲得一已建模物件，其中該已建模物件包括各該模型元件對應的該建模元件。
2. 如請求項1所述的建模裝置，其中該處理器執行的該多個操作包括：於獲得該已建模物件之後，調整該已建模物件的一原點座標以基於該原點座標來控制該已建模物件的動作。
3. 如請求項1所述的建模裝置，其中該處理器執行基於各該元件的該元件屬性調整各該模型元件的該運動階層的該操作包括：依據該多個元件的該元件屬性逐一調整各該模型元件的該運動階層，使得各該模型元件的該運動階層的屬性欄位分別包括該元件屬性記錄的一尺寸及一外觀。
4. 如請求項1所述的建模裝置，其中該處理器執行基於各該元件的該元件屬性調整各該模型元件的該運動階層的該操作包括：將對應於該模型元件的一預設包圍盒縮放為一最小包圍盒的尺寸，其中該最小包圍盒為包覆該建模元件的三維最小外接矩形。
5. 如請求項1所述的建模裝置，其中該處理器執行載入該模型物件的該運動模型之前的該操作包括：建立各該模型元件的該運動階層及一運動型態，該運動型態為各該模型元件與其他模型元件之間的協同運作，其中該運動型態包括一旋轉或一滑動。
6. 一種三維物件的建模方法，包括：載入一模型物件的一運動模型，其中該運動模型定義該模型物件的多個模型元件之每一者的一運動階層及各該模型元件之間的一運動型態；接收包括多個元件的一待建模物件；讀取各該元件的一元件屬性；基於各該元件的該元件屬性調整各該模型元件的該運動階層以產生具有該元件屬性的一建模元件；以及於該多個模型元件之每一者的該運動階層完成設定後獲得一已建模物件，其中該已建模物件包括各該模型元件對應的該建模元件。
7. 如請求項6所述的建模方法，更包括：於獲得該已建模物件之後，調整該已建模物件的一原點座標；以及基於該原點座標來控制該已建模物件的動作。
8. 如請求項6所述的建模方法，其中基於各該元件的該元件屬性的調整各該模型元件的該運動階層的操作包括： 依據該多個元件的該元件屬性逐一調整各該模型元件的該運動階層，使得各該模型元件的該運動階層的屬性欄位分別包括該元件屬性記錄的一尺寸及一外觀。
9. 如請求項6所述的建模方法，其中基於各該元件的該元件屬性調整各該模型元件的該運動階層的操作包括：將對應於該模型元件的一預設包圍盒縮放為一最小包圍盒的尺寸，其中該最小包圍盒為包覆該建模元件的三維最小外接矩形。
10. 如請求項6所述的建模方法，其中載入該模型物件的該運動模型之前的操作包括：建立各該模型元件的該運動階層及一運動型態，該運動型態為各該模型元件與其他模型元件之間的協同運作，其中該運動型態包括一旋轉或一滑動。

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