（服裝設計與工程專業(yè)論文）三維造型設計系統(tǒng)的研究.pdf

a b s t r a c t r e c e n t l y , p e o p l ep a yd o s ea t t e n t i o nt oc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，e s p e c i a l l yi n c o m p u t e rs t i m u l a t i o n , a n dc o m p u t e r3 dc a d b e c a u s eo f i t s r e a l i t ye f f e c t a n d p e r f e c t l ye x h i b i t e dc h a r a c t e r i s t i ca n dm o d e l i n g ，n o wc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nb e c o m e p o p u l a ro nt e x t i l e , f a s h i o n ，a i r p l a n e ，a r c h i t e c t u r ea n d s oo n t e x t i l ei saf l e xm a t e r i a l ，w h i c hp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lf u n c t i o ni sc o m p l e x i t y , a n de x t e r n a lf o r md o e s n tl i k er i g i db o d yw h i c he x t e r n a lf o r ms t e a d y - g o i n g e x t e m a l f o r mo ft e x t i l ew i l lc h a n g ef o l l o w i n ge n v i r o n m e n t , s oi ti sv e r yh a r dt os i m u l a t e t e x t i l e ，w h i c hi sq u a l i t yl i g h ta n de a s i l ym o d e l i n g , i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e p o p u l a ru s e di na r c h i t e c t u r e i nt h i s p a p e r , w eb r i n gf o r w a r da r ta n dm a t e r i a lt h e o r y , w h i c hb a s e do n c h a r a c t e r i s t i co ft e x t i l e a n du s i n gt h et h e o r y , w ew a n tt od e v e l o pc o m p u t e r - a i d e d d e s i g ns o f t w a r e u s i n gd e p a r t e dc o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns o f t w a r ew es t i m u l a t es o m ea r c h i t e c t u r e p i c t u r e ，a n dt h e ns u m m a r i z ec o m p u t e r - a i d e dm e a s u r ea n df u n c t i o n a lm e t h o d n o m a t t e rw h a tm o d e l i n g , i nc a n tg e tt h e o r e m i nt h i sp a p e rw es u m m a r i z et h em o d e l i n g t h e o r e mb a s e do na r tm o d e l i n g , m a t e r i a ls c i e n c ea n dh u m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo ft e x t i l e ，w ea d o p tm o d i f i e dm a s s s p r i n gm o d e l d e s c r i b i n gt e x t i l ep h y s i c sp a t t e r n ，w h i c hi st h et h e o r yb a s i n go fs o f t w a r ed e v e l o p i n g t h r o u g hs t u d y i n g3 dc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt e c h n i q u ea n ds u m m a r i z i n g3 dd e s i g n c a df u n c t i o n ，w eb r i n go u ts o f t w a r ef u n c t i o no f3 dd e s i g nc a d ，a n di n t r o d u c es o m e m a i nf u n c t i o na n di n t e r f a c e a l lo ft h e s ec a no f f e ra n a l y s i sb a s i n gt op o s t e r ns o f t w a r e d e v e l o p i n g k e y w o r d s ：3 dm o d e l i n g , a e s t h e t i ct h e o r e m ，t e x t i l e ，c o m p u t e rs t i m u l a t i o n ， f u n c t i o na n a l y s i s 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得云掛王些太堂或其他教育機構(gòu)的學位或 證書而使用過的材料。與我同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文 中作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：葛，厶簽字日期：。7 年f 月對日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解丞洼王些太堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權(quán)丞洼王些太堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行 檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學 校向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學位論文作者簽名：苗0 簽字日期：口) 年月玎日 、 剔磁氫汗 簽字目期：u 年1 月糾晴 ， 學位論文的主要創(chuàng)新點 一、理論上，結(jié)合藝術造型理論、材料學和人機工程學總結(jié)了三維 造型應該遵循的造型法則。 二、以實際應用為出發(fā)點，討論了建筑和設施用紡織品應具備的性 能，以及計算機的實現(xiàn)仿真技術。 三、結(jié)合不同造型設計軟件的優(yōu)點，分析了三維造型軟件應具備的 功能，并對其中的主要功能和其操作方法進行了研究，為今后的 軟件開發(fā)打下了基礎。 第一章緒論 1 1 選題的意義 第一章緒論 傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計過程使用樣品實物來表現(xiàn)設計者的構(gòu)思，對每一種設計方案 都要制作實物樣品，因此存在著修改調(diào)整困難、設計周期長和成本費用高等一系 列重大缺陷。隨著全球市場競爭的加劇，社會歷史和物質(zhì)文明的高速發(fā)展，人們 對于產(chǎn)品有了更高的要求，不但要注意舒適美觀，更講究風格獨特。企業(yè)面l 艋著 越來越大的壓力，如何在盡可能短的時間內(nèi)，用盡可能少的成本，生產(chǎn)出質(zhì)量盡 可能高的產(chǎn)品，已成為企業(yè)生存和發(fā)展的重要問題。 產(chǎn)品的更新?lián)Q代加快意味著設計部門的工作量加大。在這一前提下，設計人 員對于提高產(chǎn)品設計效率的愿望越來越迫切。而解決這些問題的關鍵技術之一就 是計算機三維造型設計系統(tǒng)的研究。這是因為計算機三維造型設計系統(tǒng)很容易的 展現(xiàn)了所需要的三維造型，這就能直接看到“立體”效果圖，從而滿足個性化的 需求，起到了很好的促銷和設計作用。 計算機輔助三維造型設計是設計人員借助計算機輔助設計系統(tǒng)提供的圖形 終端或工作站及其軟件描述所設計產(chǎn)品的形狀、結(jié)構(gòu)、大小，以及模擬在光線照 射下表面的色彩、明暗和紋理等，是對造型設計信息進行提取、組織、創(chuàng)造、加 工、處理、轉(zhuǎn)換、存貯和輸出的過程“1 。通常它所提供的描述或模型是解析的而 不是具體的，因而可以方便而經(jīng)濟的用一個模型來代替實際產(chǎn)品的設計和處理， 無需樣品原材料和制作設備就可以立即獲得實物樣品的色彩圖像，并能對其任意 修改和調(diào)整，使設計達到最優(yōu)化，大幅度縮短了設計周期、降低了設計費用0 1 。 由于計算機三維技術能夠逼真的虛擬現(xiàn)實模型，以立體的、有光有色的生動 畫面來表達設計人員的設計思維，較之傳統(tǒng)的二維設計圖更符合人的思維習慣與 視覺習慣，并使設計人員從本質(zhì)上減輕大量簡單、重復、繁瑣的工作量，使他們 能集中精神進行富有創(chuàng)造性的高層次的創(chuàng)新設計活動，因此，三維設計方式在技 術領域已引起極大的重視，三維設計取代傳統(tǒng)的純二維c a d 系統(tǒng)已成為今后的發(fā) 展趨勢。 從設計的觀點來看，人們大腦中所構(gòu)思的設計對象就是三維物體，因此，直 接用三維形式來描述設計對象是最直觀、方便省力的設計方式。使用三維設計有 如下優(yōu)勢： 三維模型比二維圖形更接近真實的對象。 第一章緒論 三維模型可以轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€視圖。 三維模型可生成具有真實感的渲染圖。 1 2 選題的創(chuàng)新點 紡織材料是一種柔性材料，本身的物理機械性能非常復雜，外形不像剛體那 樣固定不變，而是隨著外界條件的不同發(fā)生改變，因此模擬難度很大。目前對于 紡織材料的三維研究主要集中在服用懸垂模擬等方面，而對于其他領域的三維造 型研究卻比較少紡織材料作為一種特性比較特殊的材料質(zhì)輕、容易造型， 箕應用領域越來越廣，特別是建筑和設施方面，如圖1 - i 德國慕尼黑體育場就是 一個很好的例子，因而對于紡織材料在其他領域的三維造型研究是十分有實際意 義的。 圖卜1德國慕尼黑體育場 紡織材料三維造型的研究，不僅要考慮到材料本身魄幾何外形、機械性能、 力學性能。同時對造型的研究離不開造型本身，還需要考慮到造型的復雜外形和 造型規(guī)律。因此，本課題的研究要融合計算機圖形學、紡織材料學、造型藝術等 多門學科的專業(yè)知識，對這一問題的研究已不僅僅是單純的學科應用問題，更是 對科學理論的實際檢驗與證明。 第一章緒論 1 3 論文的結(jié)構(gòu)安排 論文第二章介紹了計算機輔助造型設計的概念，并對三維c a d 造型技術的發(fā) 展、c a d 系統(tǒng)的功能進行了簡單介紹，為后面的軟件需求分析打下了基礎。最后 介紹了計算機輔助三維造型的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以及目前流行的三維設計 軟件的特點功能等。 第三章研究了造型設計的法則。造型設計是專門解決產(chǎn)品造型的一門科學。 “美”是通過形態(tài)被人感知的，所以造型設計必須遵循形式美法則的普遍規(guī)律； 另一方面，產(chǎn)品又是為了滿足人們生活和生產(chǎn)的特定需要，并通過技術手段加工 制造出來的，所以還有必要研究技術美問題；第三，任何產(chǎn)品都與人有相關性， 要么為人所使用，要么在人所生存、生活的環(huán)境中，因此有必要對人機工程學進 行一定的研究。 紡織材料由于自身的特點開始應用于越來越多的領域。第四章紡織結(jié)構(gòu)材料 在建筑和設施領域的應用，在簡述膜結(jié)構(gòu)材料優(yōu)點基礎上，詳細介紹了紡織結(jié)構(gòu) 材料應用于建筑領域的特點、應用范圍及發(fā)展前景，并分析了建筑和設施用紡織 品的主要織物性能力學、光學等，最后通過實例圖片，按照不同結(jié)構(gòu)建筑應 用織物的角度，研究了建筑和設施用紡織品的材料和應用。 第五章在介紹質(zhì)子一彈簧模型的發(fā)展基礎上，根據(jù)經(jīng)典的質(zhì)子一彈簧模型， 將織物離散成四邊域質(zhì)子一彈簧模型。由于經(jīng)典的質(zhì)子一彈簧模型欠缺材料特性 的考慮，對于織物的仿真存在缺陷。本文在經(jīng)典的質(zhì)子彈簧模型基礎上引入了 紡織材料特性，采用改進的質(zhì)子一彈簧模型。 第六章在對三維計算機造型技術的了解和掌握基礎上，提出了三維造型設計 軟件應具備的軟件功能，并介紹了其中的主要功能操作，以及操作界面。 第七章結(jié)論部分總結(jié)了課題的研究工作及主要的不足，并對今后的研究方向 提出了意見。 最后在附錄部分是利用金頂針服裝設計軟件模擬的建筑和設施用紡織品三 維效果圖。 第二章計算機輔助造型設計概論 第二章計算機輔助造型設計概論 2 1 計算機輔助造型設計 2 1 1 造型設計 2 1 1 1 造型設計的概念 設計是自遠古就存在的。設計作為人類生物性與社會性的生存方式，其淵源 是伴隨“制造工具的人”的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。當遠古的人們用一塊石頭砸向另一塊 石頭以便打造出具有某種功能的工具時，設計便已悄然產(chǎn)生了。設計其實就是人 類把自己的意識加在自然界用以創(chuàng)造人類文明的一種廣泛的活動。對設計本身的 認識及設計學科的建立，則是2 0 世紀以來的產(chǎn)物( 圖2 - 1 ) 。 原始社會 重委固墨垡絲竺塑塹墊，囤 業(yè)革命前匡圃型：塑旦豎區(qū)碑困 工業(yè)革命后匝塑圈蔓豎立珥至衛(wèi)些翹 圖2 - i 所謂造型設計不是單純的外形設計，而是更為廣泛的設計與創(chuàng)造活動，它不 僅包括形態(tài)的藝術性設計，而且包括與實現(xiàn)形態(tài)及實現(xiàn)有關功能的材料、結(jié)構(gòu)、 構(gòu)造、工藝等方面的技術性設計。在整個設計過程中，形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料、工藝 與使用功能的統(tǒng)一，與人的心理、生理相協(xié)調(diào)，將始終是研究和解決的主要內(nèi)容。 造型設計是工程技術與美學藝術相結(jié)合的一種現(xiàn)代設計方法。它在充分考慮 結(jié)構(gòu)性能指標的同時，還需要考慮產(chǎn)品與社會、產(chǎn)品與人的心理和生理相關的文 化要素；對于現(xiàn)代的造型設計來講，還必須強調(diào)形態(tài)與功能、形態(tài)與材料、結(jié)構(gòu)、 工藝相統(tǒng)一而產(chǎn)生的使用價值。 設計源于社會的物質(zhì)生產(chǎn)，是與人們的生產(chǎn)、生活密切相關的。從原始的器 物造型到現(xiàn)代的工業(yè)產(chǎn)品造型，人們都是按照不同時期的技術條件、生活水平和 第二章計算機輔助造型設計概論 審美觀念創(chuàng)造各類不同的生產(chǎn)、生活用品。隨著社會物質(zhì)生活和文化生活水平的 不斷提高，設計已經(jīng)深入到人們生活，工作、生產(chǎn)、勞動的每個角落。從家庭日 用品、家用電器到各類生產(chǎn)設備、儀表儀器以及公共環(huán)境中的各類交通工具、公 共設施等，都涉及到造型設計。 2 i ，1 2 造型設計的基本要素 造型，是基于功能的總體布局、結(jié)構(gòu)、金屬工藝等與造型設計之間創(chuàng)造性勞 動的結(jié)合。它需要多工種、各種工藝的共同協(xié)作，通過多種造型手法，理想的表 達其藝術形象，歸結(jié)為一個完美的外觀造型。因此，影響造型的因素是很多的， 只有調(diào)動一切造型手段，才能創(chuàng)造出較為完美的產(chǎn)品形象。 功能、造型形象以及物質(zhì)技術條件是構(gòu)成造型設計的基本要素。這三者是有 機結(jié)合的，其中功能是設計的目的，造型形象是功能的具體表現(xiàn)形式，物質(zhì)技術 條件是實現(xiàn)功能的基礎。 功能是指產(chǎn)品具有特定的用途或作用，它是根據(jù)人的需求來設計的。功能具 有雙重性，即物質(zhì)和精神兩個方面，物質(zhì)功能是基本方面，精神功能是對基本功 能的補充和完善。物質(zhì)功能包括技術功能和使用功能。精神功能包括審美功能和 象征功能。審美功能指造型形象通過人的感官傳遞給入的一種心理感受；象征功 能是造型形象所代表的時代特征及顯示一定意義的作用。 造型形象是為了實現(xiàn)一定的目的所采取的結(jié)構(gòu)或方式，是具備特定功能的實 體形態(tài)，其中包括色彩和材料等多種形式要素。造型形象是為功能服務的，必須 體現(xiàn)功能，有助于功能的發(fā)揮，而不是對功能進行阻礙。 物質(zhì)功能和精神功能決定著形態(tài)和造型手段。不同類型的產(chǎn)品，其物質(zhì)功能 和精神功能會有不同的側(cè)重，但是它們的造型形象必須符合功能的要求，不同的 功能需要不同的形態(tài)與之褶適應。此外，在某種程度上，造委形象也具有相對的 獨立性。從藝術性設計的角度出發(fā)，造型形象有其自身的形式法則和規(guī)律，并不 受功能的制約，因為功能的結(jié)構(gòu)形式，并不能構(gòu)成形象的全部內(nèi)容，因此造型形 象的創(chuàng)造性才得以充分的發(fā)揮。 各種材料、技術和設備是實現(xiàn)功能和形象的基礎，了解和掌握當代最新科學 技術和研究成果，是創(chuàng)造和設計的重要條件之一。 物質(zhì)技術條件與功能和造型形象之問也具有不確定關系，即實現(xiàn)同一功能可 以選擇不同的材科，技術和工藝，如木椅和鋼管椅的基本功能相同，但實現(xiàn)功能 的物質(zhì)技術條件不同。同時，除基本功能外，木椅和鋼管椅所表現(xiàn)的精神功能和 造型形象卻不盡相同。 綜上所述，造型設計的三個基本要素( 見圖2 - 2 ) 是互楣影響、互相制約和 互相促進的，只有三者有機結(jié)合，統(tǒng)一設計，才能充分體現(xiàn)出現(xiàn)代設計的實用性、 第二章計算機輔助造型設計概論 藝術性和科學性。 圖2 - 2 造型設計的三要素 2 1 2 計算機輔助造型設計的概念和意義 隨著計算機技術的進步及設計人員的參與，計算機已經(jīng)成為當今設計領域發(fā) 生變化的最為重要的標志，無論在設計觀念上，還是在設計方法及程序上都為設 計帶來了全新的理念。 計算機輔助設計( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，簡稱c a d ) 是由計算機來完成 產(chǎn)品設計中的數(shù)據(jù)計算、幾何分析、產(chǎn)品模擬、圖紙繪制、編制技術文件等工作 ”1 。c a d 技術的研究始于5 0 年代后期，最初c a d 技術僅是二維計算機繪圖技術， 即c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ，是一種被動的輔助設計技術。計算機輔助三維造 型設計是設計人員借助計算機輔助設計系統(tǒng)提供的圖形終端或工作站及其軟件 描述所設計產(chǎn)品的形狀、結(jié)構(gòu)、大小以及模擬在光線照射下表面的色彩、明暗和 紋理等，它以提高效率、增強設計的科學性與可靠性、適應信息化社會的生產(chǎn)方 式為目的。 計算機進入到設計領域中，取代了設計師的部分工作。根據(jù)計算機結(jié)構(gòu)上的 第二章計算機輔助造型設計概論 特點，多用于完成設計工作中的理性分析、信息存儲、建模表現(xiàn)等任務。這就使 我們真正的進入三維立體化設計，任何細節(jié)在計算機面前都能詳盡的展現(xiàn)在設計 師面前，并能在任意角度和位置進行調(diào)整，在形態(tài)、色彩、肌理、比例、尺度等 方面可以做適時的變動。 在以計算機為代表的信息化時代，其自身的特點給現(xiàn)代設計帶來了新的風 格、新的語言。一方面，計算機程序設計模仿了許多傳統(tǒng)工具的特點，使人們的 經(jīng)驗得以延續(xù)；其進一步的發(fā)展又使計算機擁有了自己特有的嶄新工具與表達手 段，如動畫技術的發(fā)展，不僅可以模擬真實的景物環(huán)境，更可以在景物中穿梭， 甚至進入到物體中，尋找出獨特的視角和表現(xiàn)效果；同時還可以感受到傳統(tǒng)工具 所無法帶來的人與圖像之問的交互性。再者。由于計算機擁有強大的造型功能， 不僅能模擬復雜的空間曲面，還可對多個形體進行連接、打散，從而使其創(chuàng)造的 形體更加多樣化。 2 1 3 計算機輔助造型設計軟件中的圖形技術 雖然各種c a d 軟件各有特點，但其基本的原理大同小異。c a d 造型過程可分 為兩大部分：建模和渲染嘲。 2 1 3 1 c a d 系統(tǒng)的建模 三維建模技術的發(fā)展經(jīng)歷了線框造型、曲面造型、實體造型和特征造型4 個 階段舊，由于線框造型功能有限，麗特征造型尚處于進一步的研究中，因此，現(xiàn) 有的c a d c a m 軟件均采用曲面造型和實體造型這兩種方式。 1 線框造型 線框造型( 圖2 3 ) 是c a d c a m 技術發(fā)展過程中最早使用的三維模型，這種模 型表示的是物體的棱邊，由構(gòu)成物體的一組頂點和邊組成，其中邊可以使曲線， 如圓弧、二次曲線、b 樣條曲線和b e z i e r 曲線。線框模型的計算機表示包括兩方 面的信息，一類是幾何信息，記錄各頂點的坐標值；另一類是拓撲信息，記錄定 義每條邊的兩個端點，可用于進行基本的形體操作，如繪圖、平移和旋轉(zhuǎn)等。其 功能有限，存在嚴重缺陷，如表示的圖形不能進行無體積和特性計算、不便于消 隱、不能滿足表面特性的組合，缺乏邊與面、面與體之間關系的信息，在對模型 的分析與制造方面存在很大的局限性。 2 曲面造型 曲面造型又叫表面造型，它在線框模型的基礎上添加了面的信息，利用曲面 模型，就可以對物體做剖面、消隱并獲得n c 加工所需要的表面信息等。對一些復 雜的物體表面，如汽車車身和模具型體面等自由曲面，不能利用基本立體要素( 如 第二章計舞機輔助造型設計概論 棱柱、棱錐、球、一般回轉(zhuǎn)體和有界平面等) 進行描述，必須根據(jù)自由曲線和自 由曲面的理論進行計算目前曲面多采用n u r b s 樣條( 非均勻有理b ) 表達。 圖2 3 線框造型圖2 - 4 實體造型 3 實體造型 實體造型( 圖2 - 4 ) 是以立方體、圓柱體、球體、錐體和環(huán)狀體等多種基本 體素為單位元素，經(jīng)拼合或布爾運算，生成所需要的幾何形體。這些形體具有完 整的幾何信息，是真實而唯一的三維物體。所以，實體造型包括兩部分，即體素 定義和描述，以及體素間的布爾運算( 并、交、差) 。實體造型技術在實體模型 c a d 、實體機械零件的設計、物性計算、三維形體的有限元分析、運動學分析、 建筑物分析、空問布置、n c 計算、部件裝配、機器人、電影動畫與特技等方面得 到廣泛的應用。 4 特征造型 特征造型是面向c o c a m 繼承的、向生產(chǎn)過程提供全面完整的產(chǎn)品信息的造 型方法，它不僅包括產(chǎn)品的幾何信息，更包含了產(chǎn)品的特征信息。所謂特征是指 產(chǎn)品描述的信息的集合，主要包括形狀特征、精度特征、技術特征和材料特征。 以特征為基礎的造型方法是c a d 建模方法的一個里程碑，它可以充分提供制 造所需要的幾何數(shù)據(jù)，從而可用于制造可行性方案的評價、功能分析，過程選擇、 工藝過程設計等。把設計過程和生產(chǎn)過程緊密結(jié)合。有良好的發(fā)展前景。 2 1 3 2 c a d 系統(tǒng)的渲染 當數(shù)字的三維模型建立后，接下來第二步工作就是渲染。渲染大致可分為以 下幾步工作，即定義攝像機、定義燈光和定義材質(zhì)和進行渲染計算。 跟實際的攝像機一樣，電腦模擬的攝像機的主要參數(shù)是鏡頭焦距的大小，改 變焦距可以獲得不同的視野。移動攝像機可方便的選擇合適的觀察角度。 光影的模擬是產(chǎn)生場景真實感的重要手段，精心設計的燈光效果無疑會使場 景更生動，更富表現(xiàn)力。計算機里燈光的類型一般有點光、管狀光、聚光、平行 第二章計算機輔助造型設計概論 光等。 定義三維模型表面的材質(zhì)效果可以產(chǎn)生逼真的質(zhì)感及表面肌理圖案，在材質(zhì) 編輯模塊中，可通過改變材質(zhì)的顏色、紋理、反光特性、透明特性、發(fā)光特性、 反射特性等來模擬現(xiàn)實生活中的各種材質(zhì)。貼圖是表達木材、石材、織物或皮革 等有豐富紋理或圖案表面的材質(zhì)的重要手段，同時也是在初始設計階段，在不喪 失太多細節(jié)的前提下一個有效的降低模型復雜度，以達到快速造型的很有用的工 具，比如：凹凸貼圖能很快模擬物體表面的凹槽或小突起的效果。 前面的工作都完成以后，就可以進行靜態(tài)圖像的渲染工作，產(chǎn)生真實感的虛 擬圖像。 如有需要可進一步生成動畫，以進行功能仿真和使用狀態(tài)的研究，還可以結(jié) 合影視編輯軟件生成演示影片，使人對產(chǎn)品的使用過程有真實的感受。 2 1 3 3 c a d 系統(tǒng)的組成及功能 c a d 系統(tǒng)一般由數(shù)值計算與處理、交互繪圖與圖形輸入輸出、存儲和管理設 計制造信息的工程數(shù)據(jù)庫三大模塊組成，其主要功能包括： 造型功能。 強大的圖形處理功能，包括繪圖、編輯、圖形輸入輸出和真實感圖形渲 染等。 有限元分析和優(yōu)化設計能力。 三維運動機構(gòu)的分析與仿真。 提供二次開發(fā)工具，以適應不同行業(yè)、不同情況的需要。 數(shù)據(jù)管理能力，以產(chǎn)品為中心對設計信息和與之相關的信息進行綜合管 理，提高設計部門總體效率。 方便的數(shù)據(jù)交換功能，提供通用的文件格式轉(zhuǎn)換接口，達到自動檢索、 快速存取、不同系統(tǒng)甸傳輸與交換的目的 現(xiàn)代c a d 系統(tǒng)中采用了許多先進的設計思想和技術，大大提高了設計效率。 如： 基于特征的參數(shù)化設計。 草圖器功能。 n u r b s 曲面的構(gòu)造技術。 相關性設計。 第二章計算機輔助造型設計概論 2 2 計算機輔助造型設計的歷史、現(xiàn)狀與展望 2 2 1 計算機輔助造型設計的歷史與現(xiàn)狀 計算機輔助造型設計的歷史，基本上就是計算機輔助設計的歷史。計算機輔 助設計是隨著計算機硬件、軟件技術進展而發(fā)展起來的“1 自從第一臺電子計算 機e n i a c ( e l e c t r o n i cn u m e r i c a li n t e g r a t o ra n dc a l c u l a t o r ) 在1 9 4 5 年問 世以來，利用計算機進行工程、產(chǎn)品輔助設計技術的發(fā)展大致經(jīng)歷了如下幾個階 段： 2 0 世紀4 0 年代末至5 0 年代末是孕育、形成階段計算機輔助設計( c a d ) 的起源可追溯到5 0 年代中期，當時美國麻省理工學院( m i t ) 開始實施a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l s 刀具控制自動編程系統(tǒng)) 的開發(fā)計劃，該 計劃設想將設計圖樣直接轉(zhuǎn)化成n c 紙帶，最后由于各種原因未能完成，但卻促 進了計算機繪圖的出現(xiàn)與發(fā)展。此時期少數(shù)大公司，如美國通用電氣公司曾用于 進行變壓器、電動機等的設計計算。 5 0 年代末至6 0 年代中、后期是成長階段。1 9 5 9 年1 2 月，麻省理工學院首 先提出c a d 概念。1 9 6 3 年，麻省理工學院的研究生i e s u t h e r l a n d 在美國計算 機聯(lián)合會年會上宣讀了題為“s k e t c h p a d 一人機交互系統(tǒng)”的論文，闡述了交 互式圖形技術的基本概念與原理，為計算機圖形技術的發(fā)展奠定了基礎。 7 0 年代以后進入開發(fā)應用階段。7 0 年代初期，美國的h p p l i n c o m 公司開發(fā) 了一個完整的c a d 系統(tǒng)。7 0 年代后期出現(xiàn)了能產(chǎn)生逼真圖形的光柵顯示器，開 發(fā)了手動游標、圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設備。c a d 技術開始實用化， 從二維的電路設計到三維的飛機、汽車的設計。 8 0 年代中期以后是c a d 向標準化、集成化、智能化方向的發(fā)展時期。計算 機圖形學得到了進一步發(fā)展，不但解決了二維圖形處理中各方面的理論問題和三 維圖形中的三維旋轉(zhuǎn)、各種透視、消去隱藏線等問題，而且還在三維幾何造型、 自由曲面等理論方面有了重大突破。 近年來，由于個人計算機性能的迅速提高，已具有較強的圖形處理能力和支 持多處理機并行處理的能力。在三維造型軟件的開發(fā)上，發(fā)展也相當迅速，3 d s m a x 、r h i n o 等專業(yè)的三維建模軟件紛紛出臺8 0 年還處于理論研究的三維幾何 造型n u r b s 曲面造型己進入實際運用階段“。 2 2 2 計算機輔助造型設計的展望 綜上所述，計算機輔助設計技術在短短的幾十年問取得了巨大的成就，從當 第二章計算機輔助造型設計概論 初被純粹用作“計算”的計算機，至今已在影響著各個領域，并且成為各個領域 必不可少的輔助工具，它為人類的生產(chǎn)和生活帶來了“無限”的便利，創(chuàng)造了巨 大的效益。對于現(xiàn)代設計來說，計算機已經(jīng)取代傳統(tǒng)的筆和紙，成為普遍的新的 設計工具，全面影響著設計的觀念與方法。 1 人與計算機的互動 人與計算機的互動是指計算機通過合理的人機界面展示，把設計師與計算機 聯(lián)系起來，達到最大方便與高效的可能，從而使計算機達到人性化要求的一種概 念。 虛擬現(xiàn)實( v r ) 技術的發(fā)展，使設計中的虛擬現(xiàn)實成為可能，設計師可以通 過模擬人眼的v r 頭戴跟蹤設備( 刪d ) 和交互式的傳感數(shù)據(jù)手套，以及三維鼠標 等輔助設備獲取信息，去感受模型的各種感覺，達到虛擬逼真的效果蜘產(chǎn)品的 生產(chǎn)工藝過程和檢驗也可以通過計算機模擬出來，以這種虛擬產(chǎn)品開發(fā)的方法設 計產(chǎn)品，增強了設計的科學性、可靠性、減少了盲目性，真正起到了人機互動。 2 “無墻設計室塒” “無墻設計室”的建立，是計算機網(wǎng)絡和遠程傳輸技術發(fā)展的必然趨勢。在 設計過程中，不通國家、不同地區(qū)的設計師可通過網(wǎng)絡，直接進行設計信息的交 流，展現(xiàn)各自的設計方案和構(gòu)思意圖，從而可以直接參與討論各方的設計構(gòu)想， 尋找靈感，互相合作。從某種意義上講，這種跨越不同國家、不同地區(qū)的設計環(huán) 境構(gòu)成了一個虛擬而又廣闊的“無墻設計室”。 “無墻設計室”概念的引入以及將來的廣泛應用，使得設計師可以從網(wǎng)絡中 搜尋信息資源來創(chuàng)意，從昂貴而又復雜的前期調(diào)查分析、信息處理中脫離出來。 同時傳統(tǒng)意義上的辦公室，也將成為一個虛擬的空間，減少了距離的局限。目前， 美國、日本以及歐洲等地的公司建立的設計中心已經(jīng)在網(wǎng)絡上廣泛的開展設計合 作。通過計算機互聯(lián)網(wǎng)，使處在不同國家的設計師形成了一個局域網(wǎng)。 2 3 計算機輔助造型設計的相關軟件介紹 由于計算機技術的迅速發(fā)展，針對不同的用戶及不同產(chǎn)品的造型法則，各大 公司相繼推出了各種檔次的計算機圖形軟件，如表2 - i 所示，為設計師提供了適 合自身條件的各種軟件，大大提高了計算機的普及程度和計算機輔助設計的水 平。 第二章計算機輔助造型設計概論 表2 一l 各種計算機圖形軟件功能分類 目的低檔組合中檔組合高檔組合 f r e e h a n d 1 1 l u s t r a t e r 二維繪圖 3 d3 dp a i n t c o r e d r a w p h o t o s h o p a 1 i a s r h i n o s l o i d e d g e 三維曲面建模p r o d 3 d s m a x s o l i d w o r k s c a t i a p h o t o w o r k sp h o t o r e n d e r 渲染 b m r t f l a m i n g o l i g h t s c a p e r a n d e r m a n 動畫 3 d s m a x s o f t l m a g em a y a a 1 i a s u g p r o e s l o i d e d g e 工程設計 a u t o c a d m d ti - d e a s s o l i d w o r k s c a t i a 表2 - i 所列的中、高，低檔軟件，并不是嚴格意義上的劃分，在很多設計的 實際應用中，根據(jù)自身的特色，通常在計算機輔助造型設計流程中將這些軟件在 不同階段混合使用。 下面介紹現(xiàn)階段使用最為普及的計算機輔助造型設計軟件，從中可以更好的 了解造型設計軟件的功能。 1 3 d s m a x 3 d ss t u d i om a x ( 3 d s 姒x ) 是在p c 機上最流行的三維建模及動畫制作軟件， 它集實體造型、著色渲染、動畫制作于一體，強調(diào)空間感和視覺效果，不注重精 確性。廣泛應用于建筑和室內(nèi)裝飾設計、產(chǎn)品外觀設計、廣告設計、影視特技制 作、三維游戲開發(fā)等領域。但是作為計算機輔助造型設計方面的應用，主要是取 其三維立體建模、場景燈光、材質(zhì)編輯和渲染等功能，并以其方便的操作和出色 的效果，深受廣大設計師的喜愛。 3 d ss t u d i om a x 制作流程包括建模、材質(zhì)貼圖、動畫設計、場景渲染、后 期處理等幾個環(huán)節(jié)。其中后期處理工作( 效果調(diào)整、拼裝組合和打印輸出) 通常 借助于二維圖像處理軟件p h o t o s h o p 完成。另外，存為3 d s ，d x f 和d w g 格式的 a u t o c a d 圖形可在3 d ss t u d i om a x 中倒入。 2 m a y a m a y a 集成了a l i a s w a v e f r o n t 最先進的動畫及數(shù)字效果技術。不僅包括一 般三維和視覺效果制作的功能，而且還與最先進的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā) 渲染、運動匹配技術結(jié)合。m a y a 可在w i n d o w sn t 與s g ii r i x 操作系統(tǒng)上運行。 第二章計算機輔助造型設計概論 在目前市場上用來進行數(shù)字和三維制作的工具中，m a y a 是首選鰓決方案。 m a y a 已在全世界廣泛應用于影視、視頻、游戲、商業(yè)產(chǎn)品、寬帶、本地化 娛樂、高端廣播、多種圖形運用、 吖、，、模擬仿真等領域，其杰出性能都巧妙的 集成在一個整體的工作環(huán)境中，給用戶以最優(yōu)化的產(chǎn)品性能。 3 a u t o c a d a u t o c a d 是a u t o d e s k 公司開發(fā)的，用途最為廣泛的計算機輔助設計軟件。 a u t o c a d 的功能非常健全，使用容易，用戶一旦學會了程序命令和菜單結(jié)構(gòu)，就 很快的完成了手工所不能完成或是干起來非常瑣碎的工作。 另外，a u t o c a d 的性能由龐大的第三方的工作而得到進一步增強。a u t o c a d 自身只提供了一些程序，使特殊的用戶能對基本的a u t o c a d 迸行改造工作。目前， 國內(nèi)的許多機械設計、建筑設計的中文版專業(yè)軟件的內(nèi)核都是a u t o c a d 。 a u t o c a d 最大的優(yōu)勢是繪制工程制圖。除此而外，a u t o c a d 三維建模的能力 也相當強，除了雙曲面、倒角難做外，構(gòu)建任何形體都很方便。a u t o c a d 還有一 個特點就是具有廣泛的兼容性，其文件格式除本身的d n g 外，d x f 格式幾乎是所 有軟件都能接受的通用格式，為設計師在混合使用軟件時，提供了廣泛的交流性。 4 r h i n o c e r o s ( r h i n o ) r h i n o c e r o s ( r h i n o ) 是全世界第一套將n u r b s 曲面引進w i n d o w s 操作系統(tǒng) 的3 d 計算機輔助造型設計軟件。由于價格低廉、系統(tǒng)要求不高、建模能力強、 易于操作等優(yōu)異性，讓金世界的3 dc a d c a i d 使用者有很大的震撼 r h i n o 是以n u r b s 為主要構(gòu)架的三維模型軟件，因此在曲面造型特別是自由 雙曲面造型上有異常強大的功能，幾乎能做出我們在造型設計中所碰到的任何曲 面。 r h i n o 在渲染( r e n d e r ) 方面的功能不夠理想，但其較強的兼容性，可將模 型輸出到其它的c a d 軟件中去完成。所以設計師在使用r h i n o 時，在渲染上一般 和3 d s m a x 等軟件配合使用。 5 a 1 i a s a l i a sd e s i g ns t u d i o ( a l i a s ) 是一套十分專業(yè)的工業(yè)設計與模擬動畫的軟 件，由加拿大a l i a s - w a v e f r o n t 公司開發(fā)。 a l i a s 在工業(yè)設計、動畫、雕塑、室內(nèi)設計、建筑設計等領域，居于主導地 位已經(jīng)十余年了，在此期間，a l i a s 經(jīng)過許多大的變革，例如線性變革，由 b - s p l i n e 到當前的n u r b s ；界面的改變，從文字晃面到圖表界面。 在工程設計上，它擅長表達概念階段的造型設計，讓設計者能夠快速的將構(gòu) 想的草圖，以逼真的三維模型呈現(xiàn)在眼前。另外，a l i a s 是一套以曲面模型 ( s u r f a c em o d e l ) 為基礎的軟件，用戶在設計過程中，不必局限于傳統(tǒng)的實體 第二章計算機輔助造型設計概論 模型在參考面的設置。用戶的創(chuàng)意造型隨著意念走，輕松的利用計算機建立的三 維模型發(fā)揮出個人創(chuàng)意。 6 p h o t o s h o p p h o t o s h o p 是專業(yè)圖像處理軟件，通過三維設計軟件的場景渲染輸出后，對 細節(jié)補充或是色彩調(diào)整等工作，基本上可在該軟件中完成。 第三章造型設計基本法則 第三章造型設計基本法則 3 1 設計美的構(gòu)成要素 當代人們生活方式的一大特點就是對生活質(zhì)量的重視。生活質(zhì)量包括的方面 很多，但核心的東西可說是美。隨著生活水平的提高，本屬于功能性的消費，越 來越多的滲透進審美性的內(nèi)涵，有的功能性的需求甚至降低到次要地位，而審美 性的需求上升到首要地位。 i 體量 產(chǎn)品的物質(zhì)功能是形成產(chǎn)品體量大小的根本依據(jù)，體量分布與組合的結(jié)果， 將派生出多種形體，形成不同方案，并構(gòu)成不同的造型。因此，在造型上，體量 的分布與組合會直接影響產(chǎn)品的基本形狀和風格，是造型設計的關鍵。 一般來說，結(jié)構(gòu)對稱的形狀如同對稱的平面圖形一樣，具有端正、莊重、穩(wěn) 固的性格。在進行立體設計時要有變化的因素，以求得在整個形體對稱結(jié)構(gòu)的前 提下，產(chǎn)生變化、豐富、活躍生動的美。結(jié)構(gòu)不對稱的造型，在進行體量的組合 時，首先要考慮符合實際均衡的要求，以保證造型的穩(wěn)定。 體量的組合要避免單調(diào)和雜亂，大體積的單調(diào)組合和小體積的多體量的雜亂 拼湊都不符合形式美的要求，必須力求用最緊湊的空間、簡潔而又有個性的形體 來表達產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)的特征。另外，設計時還應該注意體量的大小、虛實的 對比以及主從、韻律的安排，以創(chuàng)造統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的造型。 2 形態(tài) 自從人類社會產(chǎn)生以來，人類所需要的各種產(chǎn)品造型的形態(tài)隨著生產(chǎn)力的不 斷發(fā)展而不斷地改變著。在這漫長的演變過程中，人類所創(chuàng)造的產(chǎn)品可分為四種 形態(tài)：原始形態(tài)、模仿的自然形態(tài)、概括的自然形態(tài)、抽象幾何形態(tài)“川。 構(gòu)成產(chǎn)品外觀的線、面、體等形態(tài)要素具有各種不同的形狀，如方圓、扁厚、 高低、寬窄、粗細、幾何形與非幾何形等，大多數(shù)產(chǎn)品的基本形態(tài)是由點、線、 面結(jié)合所產(chǎn)生的綜合視覺效果。點的集中、線的延長、面的重量和體積等特征， 如果將它們巧妙的結(jié)合起來，可以表現(xiàn)出豐富多彩的視覺魅力。 形態(tài)的統(tǒng)一，就是將造型繁復的變化轉(zhuǎn)化為高度的統(tǒng)一，形成簡潔的外觀。 獲得形態(tài)的統(tǒng)一感有兩個主要方法：一是將所有次要部分去陪襯某一主要部分； 二是統(tǒng)一產(chǎn)品的各組成部分在形狀和細部上保持相互協(xié)調(diào)。 3 線型 造型物的線形包括視向線和實在線兩大類。 第三章造型設計基本法則 視向線指的是造型物的輪廓線。由于觀察造型物的視線方向不是固定不變 的，因而造型物的輪廓線隨著視線方向的變化而不同。因此，用視向線來稱呼隨 著觀察角度不同而變化的輪廓線。 實在線指的是裝飾線、分割線等。這些都是客觀存在的線。 線型是造型藝術中一種富有表現(xiàn)力的藝術表現(xiàn)手段。線型設計直接影響造型 的質(zhì)量及外觀的藝術效果。因此，無論是建筑物還是各種工業(yè)產(chǎn)品都很重視線型 的處理。不同的線型，決定著造型物不同的基本性格，同時體現(xiàn)出造型物的形式 美。線型的選擇應該與產(chǎn)品的物質(zhì)功能相適應；應考慮各種線型的性格特征，使 之與人的心理需求相適應；還要考慮整個產(chǎn)品的形式美。 4 方向與空間 造型設計中，常常采用方向的對比或空間的安排，以豐富產(chǎn)品的外觀形象。 方向與空闖的安排，同樣必須建立在對產(chǎn)品功能的正確理解與對材料、結(jié)構(gòu)的確 切表達的基礎上。 方向是指形體形狀的方向，即水平與垂直、陡與緩、同向與反向、敞開與緊 閉、動與靜等。空間是指前與后、上與下、左與右、淺近與深遠、平坦與凹凸、 虛與實等。由于人們會進行各種聯(lián)想，對上述情況常常有明顯不同的感受，因而 空間和方向功能對于造型的藝術表現(xiàn)力也起著重要的作用。 5 色彩 造型設計主要有兩個方面：一是形態(tài)的設計；二是色彩設計。雖然色彩是依 附子形體的，但是色彩比形體對人更具有吸弓i 力。色彩在造型中具有先聲奪入的 藝術魅力。根據(jù)有關的實驗表明：人們在看物體時，最初2 0 s 內(nèi)，色彩的成分占 8 0 ：2 m i n 后，色彩占6 0 ；5 m i n 后，色彩、形體各占5 0 ，以后這種狀態(tài)就將 持續(xù)下去。 產(chǎn)品的色彩設計，總的要求是使產(chǎn)品的物質(zhì)功能、使用環(huán)境與人們的心理產(chǎn) 生統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的感覺。顯示功能是色彩設計的首要任務，如調(diào)和使人寧靜，對比 使人興奮，太亮使人疲勞，太暗使人沉悶等。色彩設計總的要求必須與產(chǎn)品的物 質(zhì)功能、使用場所等各種因素統(tǒng)一起來，在人們的心理中產(chǎn)生統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的感覺。 在產(chǎn)品的色彩設計時，應注意色彩配合應有“色彩主調(diào)”，避免色相、明度、 純度的過于近似及色彩面積的對等。且色相不宜太多，一般以二到三種為宜。除 此而外，色彩設計時應注意產(chǎn)品與使用環(huán)境、民族風俗、地理氣候條件保持一定 的適應關系。 6 材質(zhì) 造型是由材料、結(jié)構(gòu)、工藝等物質(zhì)技術條件構(gòu)成的。在造型處理上，一定要 體現(xiàn)構(gòu)成產(chǎn)品的材料本身所特有的美學因素，體現(xiàn)材料運用的科學性，發(fā)揮材科 第三章造型設計基本法則 或涂料的處理、色彩，觸感等方面的藝術表現(xiàn)力，求得外觀造型中形、色、質(zhì)的 完美統(tǒng)一。 在造型過程中，能否合理的運用材料，充分發(fā)揮材料的質(zhì)地美，不僅是現(xiàn)代 工業(yè)生產(chǎn)中工藝水平高低的體現(xiàn)，而且也是現(xiàn)代審美觀念的反映。 質(zhì)感是產(chǎn)品形式美的重要體現(xiàn)之一，指的是物質(zhì)表面的質(zhì)地，即粗糙還是光 滑，租框還是驚喜，堅硬還是柔軟，交錯還是條理，下沉還是漂浮，金屬還是非 金屬等。材料質(zhì)感的表現(xiàn)往往與色彩運用相互依存。如本來從心理上認為沉悶、 陰暗的黑色，如將其表面處理成皮革紋理，則給人以莊重、親切感。 3 2 形式美法則 形式與美學有著極為密切的聯(lián)系，美的根源表現(xiàn)在潛在心理與外在形式的協(xié) 調(diào)統(tǒng)一，美的形式原理基礎是整個形態(tài)所呈現(xiàn)的各種構(gòu)成關系是否具有美的感 覺。一件產(chǎn)品如果具有莢的形式，就能馬上吸引人的視覺，喚起人們的美感而產(chǎn) 生愉悅的心理。形式不美，無法使人得到審美的愉悅，也妨礙內(nèi)容的表達及人們 對內(nèi)容的接受。因此，在造型設計的時候應遵循美學原則，最大可能的增加美感 效能。 多樣統(tǒng)一是形式美的總規(guī)律“”。其它的美都要統(tǒng)一在這個總規(guī)律下面。多樣 統(tǒng)一是指造型的各個部分之間要有一個共同的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)奏，使人感到整個藝 術作品內(nèi)部既有變化與差異，又是一個統(tǒng)一的整體。它也指多樣的美學法則在美 的創(chuàng)造中綜合統(tǒng)的運用。多樣統(tǒng)一是任何優(yōu)秀藝術作品所必須遵循的一個共同 原則，它是美學的基本規(guī)律，美學的辯證法。多樣統(tǒng)一，是在統(tǒng)一中求變化，在 變化中求統(tǒng)一。多樣統(tǒng)一的和諧美，是藝術美的關鍵。美的形式法則如下； 1 主從與重點 任何藝術上的感受都必須具有統(tǒng)一性，這早已是一條公認的藝術原則。為了 加強藝術作品整體的完整統(tǒng)一性，各組成部分應該有主與從的區(qū)別，重點與一般 的區(qū)別。所謂“圭”，即主體部位或主要功能部位，對設計來說，是表現(xiàn)的重點 部分。一般來說這部分是加工部分、主操作部分，是人的觀察中心。而“從”則 是非主要功能部位，是局部、次要的部分。主從關系非常密切，沒有從也無所謂 主。一個完整狀態(tài)的構(gòu)成，必然在整體上表現(xiàn)主導與從屬，并由此派生出整體與 局部的關系。 主從關系是整體與局部的構(gòu)成法則。具體表現(xiàn)在設計中的主題與副主題，