工业产品外观设计在现代工业产品开发过程中起着越来越重要的作用,产品外观包括产品外形和表面装饰,一般采用计算机辅助工业设计方法(Computer Aided Industrial Design,CAID)进行设计。目前CAID系统普遍采用纹理贴图的方法将二维图形转化到三维物体表面,完成三维物体表面装饰,纹理贴图过程复杂、占用计算机资源较多,不利于设计师灵感的捕捉和发挥。随着虚拟绘制技术的发展,引入了直接在三维产品表面进行绘制和装饰的技术,本文提出了基于实时力反馈技术的虚拟产品表面绘制方法,主要研究内容如下:(1)分析了力对毛笔变形的影响机理,研究毛笔的压力、虚拟表面摩擦力与毛笔变形的关系,提出一种新的毛笔力反馈仿真模型,利用弹簧振子模型仿真毛笔压力与毛笔下压位移关系,根据产品表面特性确定相应的摩擦系数,计算仿真毛笔与产品表面的摩擦力,通过毛笔中心骨架和表面模型构建毛笔几何模型,根据毛笔压力和虚拟表面摩擦力,实时仿真毛笔中心骨架弯曲变形和毛笔表面变形,实现力对毛笔变形的动态控制。(2)提出基于力反馈技术的三维笔道控制与仿真方法。研究了虚拟毛笔与虚拟油泥模型表面的碰撞检测方法,模拟真实绘制过程中毛笔碰触三维表面时的触感。研究了每个采样时刻变形的毛笔与绘制表面相交时的几何关系,利用B样条方法拟合了笔触形状,提出了毛笔的压力与出墨量的正相关关系,实时计算了笔触中的油墨,对采样笔触叠加形成三维笔道。艺术家通过视觉和触觉反馈控制交互绘制过程,形成满足要求的三维笔道绘制效果,增强了交互绘制过程真实感。(3)提出了基于力反馈技术的三维干笔飞白控制与仿真方法。随着绘制过程的进行,毛笔所含水墨量降低,毛笔产生分叉,艺术家通过控制毛笔的受力与姿态可在三维物体表面进行夸张表示,形成中空留白的三维笔道效果(干笔飞白)。根据不同笔法形成的干笔飞白效果,构建了飞白纹理库,研究了毛笔受力、含墨量对干笔飞白效果的影响,提出了飞白值的概念,飞白值越大,笔道的飞白现象越明显,当飞白值大于预设值时,根据飞白值和笔法将飞白纹理库中的飞白纹理实时映射到笔道中,形成二维笔道干笔飞白效果。根据产品表面特性确定相应的预设值等参数,通过实时映射实现三维干笔飞白仿真。(4)提出了基于力反馈技术的三维水墨扩散仿真方法。研究了基于力反馈技术的二维水墨扩散机理,提出沉积率和扩散率概念,实时计算沉积和扩散的水墨量,仿真笔道扩散区域轮廓的变化和油墨的变化。构建以纸元为基本单位的参数化宣纸纤维模型,提出纤维团数的概念,水墨沿着纤维在纸元之间进行传输,根据纤维团数随机分配纸元中墨量,仿真了宣纸上水墨扩散“粒状现象”。根据产品表面特性确定相应的宣纸纤维模型参数,通过实时映射实现三维水墨扩散仿真。(5)基于Kubelka-Munk(KM)颜色光学理论,提出了一种中国书画颜料颜色仿真新算法。根据中国书画颜料中植物性颜料和矿物性颜料的不同遮盖力特性,给出相应颜料的遮盖力计算规则,通过KM理论计算得到绘制颜料或多层颜料合成的颜色亮度值(R,G,B),并通过记录颜色亮度值(R,G,B)实现对三维表面绘制结果的存储。本文开发了一套基于实时力反馈技术的虚拟产品表面绘制系统。利用三维鼠标和力反馈设备,构建了多自由度双手交互任务分配模式,改善了系统的交互性能。论文分析了力反馈响应频率的影响因素,通过优化虚拟毛笔动态采样时间,保证了三维虚拟交互绘制过程的实时性。