三维模型广泛应用于影视、动漫和游戏等领域,特别是随着三维打印技术的推广,越来越多的大众都有亲手建模的需求,而目前大部分三维建模系统门槛过高、学习难度大。如何简单又直接地让设计者的创意发挥出来一直是三维建模技术中的主要难题,尤其是新手设计者。针对这一问题,本文设计并实现了一个自由三维外形建模的原型系统,用于创意设计。本文的工作分为三个主要的部分:首先,在于曲面的表示方法。系统的曲面表示形式基于改进的Catmull-Clark细分规则,在四边形网格的边上引入尖锐边的概念,更新了顶点的计算公式,使得原本处处光滑的细分曲面,能够表示尖锐特征,从而更适用实际的设计应用。其次,在于曲面的编辑操作。编辑操作有四大类:智能选取,可以有效地减少了鼠标点击次数;几何变形,提供基本的旋转平移缩放;拓扑修改,可以快捷构造把手等结构;特征标记,标记尖锐特征边。所有操作都作用在控制网格上,且极具有代表性,简单实用,容易上手。最后,在于曲面类型的转换。由于主流的三维建模系统,在模型的详细设计阶段,通常采用非均有有理B样条曲面作为曲面的表示形式,系统提供了曲面转换的功能,以便创意设计结果复用。曲面转换的过程:先利用控制网格与结果网格对应关系,对结果网格进行四边形区域划分,方法简单高效;接着在四边形区域上查找长边,用三次B样条曲线拟合曲线,再在角点位置打断成短边,作为曲面拟合的约束,以保持正则边界的平滑性;最后用双三次B样条曲面片加上短边约束逼近每个四边形区域,再调整奇异点处的平滑性。为了验证本文系统的优势,进行相应的实验。首先邀请了专业设计师与新手设计者使用本系统构建指定的模型,二者都在短时间内完成了建模操作,而且所用时间差别不大。接着邀请专业设计师使用同类原型系统构建指定模型,相比之下,本文的系统更便捷地、更准确地让设计者的创意发挥出来。