在三维影视特效及电子游戏中,三维角色模型是必不可少的部分。虽然现有大量的商业建模系统,可以满足各种建模需求,但这些系统非常复杂,难以掌握,更多地局限于专业人员使用。过去十几年里,图形学界在简单易用且功能强大的建模技术方面进行了大量研究,提出了草图式建模、组合式建模等方法,取得了重大进展。总体来看,现有的建模技术更多地将三维建模视为工艺过程,即在建模之前有明确的目标。然而,三维建模也是个开放式的艺术创作过程,其建模目标会经常发生不可预知的改变。显然,现有的建模技术不适用于开放式建模。因此,如何在开放式建模过程中提供创意支持以辅助用户更好地创作在三维建模中具有重要的理论研究意义与实际应用价值。其中一类计算机辅助三维创意建模技术向用户建议可添加到当前模型的部件。然而,这类技术都依赖预分割(或标记)的模型数据库。用户仅可使用预分割的部件组合模型。这极大地限制了建模空间与用户的创造力。另一类是模型建议技术。这类技术更适合处理具有相同结构的同类模型,产生的是与输入具有相同结构的同类模型。其最大缺点是不适合产生拓扑结构变异的模型。此外,在计算机动画中,建模仅是第一步,接下来还要编辑动画甚至三维打印制造实物。编辑动画之前需要蒙皮。三维打印之前需要经过很多处理,比如,平衡性分析,关节优化等。然而,现有的计算机辅助三维创意建模系统往往局限于建模。简单地将蒙皮与面向三维打印的模型处理做为建模的后续处理步骤无法达到实时交互。因为,"建模-蒙皮-面向三维打印的模型处理"是个迭代的步骤,简单组合现有技术会导致用户在不同工具间频繁变换,降低效率。本文针对现有计算机辅助三维创意建模技术不适合产生拓扑结构变异,依赖预分割的模型数据库限制建模空间,缺少蒙皮及面向三维打印的模型处理三方面的问题,进行了深入研究与探索,提出了一系列新技术新方法,在实际应用与理论研究上取得重大突破。本文主要研究内容如下:·提出一种辅助用户快速建模大量虚拟生物的技术。这些虚拟生物具有合理的奇异的拓扑结构。用户从数据库内选择若干个不同类的常规模型,我们的技术迭代地产生一代代结构奇异的虚拟生物模型做为建议提示给用户,以激发灵感。我们方法的核心是生物语法(Creature grammar)。生物语法是针对建模虚拟生物特化的形状语法(Shape grammar)。生物语法改变部件的排列方式与数目,同时保持生物的语义约束。·提出一种基于草图的按需部件建议方法—SketCh2Cut系统。用户输入草图表达设计概念,我们的方法依此生成三维代理部件并从数据库内搜索出一系列候选部件,提示给用户。我们的方法首先将三维模型局部匹配问题转化为多视角下的二维轮廓局部匹配。然后基于三维模型的超面片图表示,快速地从三维模型上提取与用户意图匹配的三维部件,提取过程由粗到细,边界逐步优化。与以前的工作不同,我们的方法不依赖预分割的三维模型数据库,并可以建议定制的任意部件,极大地扩展了用户设计空间。·提出一个统一的框架,将建模、蒙皮与面向三维打印的模型处理无缝地融合到一起。输入一组蒙皮的三维模型,我们的系统迭代地产生一代代新模型,做为建议提示给用户以激发灵感。用户选择感兴趣的模型用于动画编辑与三维打印分析。我们的方法首先融合部件表面及其骨架,然后快速更新融合模型的蒙皮权重,接着采用面向三维打印的骨架优化算法选择出最优关节位置与半径,最后优化模型内部质量分布,确保模型在不同姿势下保持平衡。通过将建模、蒙皮与面向三维打印的模型处理集成至统一的框架,我们的方法更好地辅助了用户的创新性建模过程。