（服装设计与工程专业论文）三维造型设计系统的研究.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 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云挂王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：葛，厶签字日期：。7 年f 月对日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：苗0 签字日期：口) 年月玎日 、 剔磁氢汗 签字目期：u 年1 月纠晴 ， 学位论文的主要创新点 一、理论上，结合艺术造型理论、材料学和人机工程学总结了三维 造型应该遵循的造型法则。 二、以实际应用为出发点，讨论了建筑和设施用纺织品应具备的性 能，以及计算机的实现仿真技术。 三、结合不同造型设计软件的优点，分析了三维造型软件应具备的 功能，并对其中的主要功能和其操作方法进行了研究，为今后的 软件开发打下了基础。 第一章绪论 1 1 选题的意义 第一章绪论 传统的产品设计过程使用样品实物来表现设计者的构思，对每一种设计方案 都要制作实物样品，因此存在着修改调整困难、设计周期长和成本费用高等一系 列重大缺陷。随着全球市场竞争的加剧，社会历史和物质文明的高速发展，人们 对于产品有了更高的要求，不但要注意舒适美观，更讲究风格独特。企业面l 艋着 越来越大的压力，如何在尽可能短的时间内，用尽可能少的成本，生产出质量尽 可能高的产品，已成为企业生存和发展的重要问题。 产品的更新换代加快意味着设计部门的工作量加大。在这一前提下，设计人 员对于提高产品设计效率的愿望越来越迫切。而解决这些问题的关键技术之一就 是计算机三维造型设计系统的研究。这是因为计算机三维造型设计系统很容易的 展现了所需要的三维造型，这就能直接看到“立体”效果图，从而满足个性化的 需求，起到了很好的促销和设计作用。 计算机辅助三维造型设计是设计人员借助计算机辅助设计系统提供的图形 终端或工作站及其软件描述所设计产品的形状、结构、大小，以及模拟在光线照 射下表面的色彩、明暗和纹理等，是对造型设计信息进行提取、组织、创造、加 工、处理、转换、存贮和输出的过程“1 。通常它所提供的描述或模型是解析的而 不是具体的，因而可以方便而经济的用一个模型来代替实际产品的设计和处理， 无需样品原材料和制作设备就可以立即获得实物样品的色彩图像，并能对其任意 修改和调整，使设计达到最优化，大幅度缩短了设计周期、降低了设计费用0 1 。 由于计算机三维技术能够逼真的虚拟现实模型，以立体的、有光有色的生动 画面来表达设计人员的设计思维，较之传统的二维设计图更符合人的思维习惯与 视觉习惯，并使设计人员从本质上减轻大量简单、重复、繁琐的工作量，使他们 能集中精神进行富有创造性的高层次的创新设计活动，因此，三维设计方式在技 术领域已引起极大的重视，三维设计取代传统的纯二维c a d 系统已成为今后的发 展趋势。 从设计的观点来看，人们大脑中所构思的设计对象就是三维物体，因此，直 接用三维形式来描述设计对象是最直观、方便省力的设计方式。使用三维设计有 如下优势： 三维模型比二维图形更接近真实的对象。 第一章绪论 三维模型可以转变为多个视图。 三维模型可生成具有真实感的渲染图。 1 2 选题的创新点 纺织材料是一种柔性材料，本身的物理机械性能非常复杂，外形不像刚体那 样固定不变，而是随着外界条件的不同发生改变，因此模拟难度很大。目前对于 纺织材料的三维研究主要集中在服用悬垂模拟等方面，而对于其他领域的三维造 型研究却比较少纺织材料作为一种特性比较特殊的材料质轻、容易造型， 箕应用领域越来越广，特别是建筑和设施方面，如图1 - i 德国慕尼黑体育场就是 一个很好的例子，因而对于纺织材料在其他领域的三维造型研究是十分有实际意 义的。 图卜1德国慕尼黑体育场 纺织材料三维造型的研究，不仅要考虑到材料本身魄几何外形、机械性能、 力学性能。同时对造型的研究离不开造型本身，还需要考虑到造型的复杂外形和 造型规律。因此，本课题的研究要融合计算机图形学、纺织材料学、造型艺术等 多门学科的专业知识，对这一问题的研究已不仅仅是单纯的学科应用问题，更是 对科学理论的实际检验与证明。 第一章绪论 1 3 论文的结构安排 论文第二章介绍了计算机辅助造型设计的概念，并对三维c a d 造型技术的发 展、c a d 系统的功能进行了简单介绍，为后面的软件需求分析打下了基础。最后 介绍了计算机辅助三维造型的历史、现状和发展趋势，以及目前流行的三维设计 软件的特点功能等。 第三章研究了造型设计的法则。造型设计是专门解决产品造型的一门科学。 “美”是通过形态被人感知的，所以造型设计必须遵循形式美法则的普遍规律； 另一方面，产品又是为了满足人们生活和生产的特定需要，并通过技术手段加工 制造出来的，所以还有必要研究技术美问题；第三，任何产品都与人有相关性， 要么为人所使用，要么在人所生存、生活的环境中，因此有必要对人机工程学进 行一定的研究。 纺织材料由于自身的特点开始应用于越来越多的领域。第四章纺织结构材料 在建筑和设施领域的应用，在简述膜结构材料优点基础上，详细介绍了纺织结构 材料应用于建筑领域的特点、应用范围及发展前景，并分析了建筑和设施用纺织 品的主要织物性能力学、光学等，最后通过实例图片，按照不同结构建筑应 用织物的角度，研究了建筑和设施用纺织品的材料和应用。 第五章在介绍质子一弹簧模型的发展基础上，根据经典的质子一弹簧模型， 将织物离散成四边域质子一弹簧模型。由于经典的质子一弹簧模型欠缺材料特性 的考虑，对于织物的仿真存在缺陷。本文在经典的质子弹簧模型基础上引入了 纺织材料特性，采用改进的质子一弹簧模型。 第六章在对三维计算机造型技术的了解和掌握基础上，提出了三维造型设计 软件应具备的软件功能，并介绍了其中的主要功能操作，以及操作界面。 第七章结论部分总结了课题的研究工作及主要的不足，并对今后的研究方向 提出了意见。 最后在附录部分是利用金顶针服装设计软件模拟的建筑和设施用纺织品三 维效果图。 第二章计算机辅助造型设计概论 第二章计算机辅助造型设计概论 2 1 计算机辅助造型设计 2 1 1 造型设计 2 1 1 1 造型设计的概念 设计是自远古就存在的。设计作为人类生物性与社会性的生存方式，其渊源 是伴随“制造工具的人”的产生而产生的。当远古的人们用一块石头砸向另一块 石头以便打造出具有某种功能的工具时，设计便已悄然产生了。设计其实就是人 类把自己的意识加在自然界用以创造人类文明的一种广泛的活动。对设计本身的 认识及设计学科的建立，则是2 0 世纪以来的产物( 图2 - 1 ) 。 原始社会 重委固墨垡丝竺塑堑垫，囤 业革命前匡圃型：塑旦竖区碑困 工业革命后匝塑圈蔓竖立珥至卫些翘 图2 - i 所谓造型设计不是单纯的外形设计，而是更为广泛的设计与创造活动，它不 仅包括形态的艺术性设计，而且包括与实现形态及实现有关功能的材料、结构、 构造、工艺等方面的技术性设计。在整个设计过程中，形态、结构、材料、工艺 与使用功能的统一，与人的心理、生理相协调，将始终是研究和解决的主要内容。 造型设计是工程技术与美学艺术相结合的一种现代设计方法。它在充分考虑 结构性能指标的同时，还需要考虑产品与社会、产品与人的心理和生理相关的文 化要素；对于现代的造型设计来讲，还必须强调形态与功能、形态与材料、结构、 工艺相统一而产生的使用价值。 设计源于社会的物质生产，是与人们的生产、生活密切相关的。从原始的器 物造型到现代的工业产品造型，人们都是按照不同时期的技术条件、生活水平和 第二章计算机辅助造型设计概论 审美观念创造各类不同的生产、生活用品。随着社会物质生活和文化生活水平的 不断提高，设计已经深入到人们生活，工作、生产、劳动的每个角落。从家庭日 用品、家用电器到各类生产设备、仪表仪器以及公共环境中的各类交通工具、公 共设施等，都涉及到造型设计。 2 i ，1 2 造型设计的基本要素 造型，是基于功能的总体布局、结构、金属工艺等与造型设计之间创造性劳 动的结合。它需要多工种、各种工艺的共同协作，通过多种造型手法，理想的表 达其艺术形象，归结为一个完美的外观造型。因此，影响造型的因素是很多的， 只有调动一切造型手段，才能创造出较为完美的产品形象。 功能、造型形象以及物质技术条件是构成造型设计的基本要素。这三者是有 机结合的，其中功能是设计的目的，造型形象是功能的具体表现形式，物质技术 条件是实现功能的基础。 功能是指产品具有特定的用途或作用，它是根据人的需求来设计的。功能具 有双重性，即物质和精神两个方面，物质功能是基本方面，精神功能是对基本功 能的补充和完善。物质功能包括技术功能和使用功能。精神功能包括审美功能和 象征功能。审美功能指造型形象通过人的感官传递给入的一种心理感受；象征功 能是造型形象所代表的时代特征及显示一定意义的作用。 造型形象是为了实现一定的目的所采取的结构或方式，是具备特定功能的实 体形态，其中包括色彩和材料等多种形式要素。造型形象是为功能服务的，必须 体现功能，有助于功能的发挥，而不是对功能进行阻碍。 物质功能和精神功能决定着形态和造型手段。不同类型的产品，其物质功能 和精神功能会有不同的侧重，但是它们的造型形象必须符合功能的要求，不同的 功能需要不同的形态与之褶适应。此外，在某种程度上，造委形象也具有相对的 独立性。从艺术性设计的角度出发，造型形象有其自身的形式法则和规律，并不 受功能的制约，因为功能的结构形式，并不能构成形象的全部内容，因此造型形 象的创造性才得以充分的发挥。 各种材料、技术和设备是实现功能和形象的基础，了解和掌握当代最新科学 技术和研究成果，是创造和设计的重要条件之一。 物质技术条件与功能和造型形象之问也具有不确定关系，即实现同一功能可 以选择不同的材科，技术和工艺，如木椅和钢管椅的基本功能相同，但实现功能 的物质技术条件不同。同时，除基本功能外，木椅和钢管椅所表现的精神功能和 造型形象却不尽相同。 综上所述，造型设计的三个基本要素( 见图2 - 2 ) 是互楣影响、互相制约和 互相促进的，只有三者有机结合，统一设计，才能充分体现出现代设计的实用性、 第二章计算机辅助造型设计概论 艺术性和科学性。 图2 - 2 造型设计的三要素 2 1 2 计算机辅助造型设计的概念和意义 随着计算机技术的进步及设计人员的参与，计算机已经成为当今设计领域发 生变化的最为重要的标志，无论在设计观念上，还是在设计方法及程序上都为设 计带来了全新的理念。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 是由计算机来完成 产品设计中的数据计算、几何分析、产品模拟、图纸绘制、编制技术文件等工作 ”1 。c a d 技术的研究始于5 0 年代后期，最初c a d 技术仅是二维计算机绘图技术， 即c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ，是一种被动的辅助设计技术。计算机辅助三维造 型设计是设计人员借助计算机辅助设计系统提供的图形终端或工作站及其软件 描述所设计产品的形状、结构、大小以及模拟在光线照射下表面的色彩、明暗和 纹理等，它以提高效率、增强设计的科学性与可靠性、适应信息化社会的生产方 式为目的。 计算机进入到设计领域中，取代了设计师的部分工作。根据计算机结构上的 第二章计算机辅助造型设计概论 特点，多用于完成设计工作中的理性分析、信息存储、建模表现等任务。这就使 我们真正的进入三维立体化设计，任何细节在计算机面前都能详尽的展现在设计 师面前，并能在任意角度和位置进行调整，在形态、色彩、肌理、比例、尺度等 方面可以做适时的变动。 在以计算机为代表的信息化时代，其自身的特点给现代设计带来了新的风 格、新的语言。一方面，计算机程序设计模仿了许多传统工具的特点，使人们的 经验得以延续；其进一步的发展又使计算机拥有了自己特有的崭新工具与表达手 段，如动画技术的发展，不仅可以模拟真实的景物环境，更可以在景物中穿梭， 甚至进入到物体中，寻找出独特的视角和表现效果；同时还可以感受到传统工具 所无法带来的人与图像之问的交互性。再者。由于计算机拥有强大的造型功能， 不仅能模拟复杂的空间曲面，还可对多个形体进行连接、打散，从而使其创造的 形体更加多样化。 2 1 3 计算机辅助造型设计软件中的图形技术 虽然各种c a d 软件各有特点，但其基本的原理大同小异。c a d 造型过程可分 为两大部分：建模和渲染嘲。 2 1 3 1 c a d 系统的建模 三维建模技术的发展经历了线框造型、曲面造型、实体造型和特征造型4 个 阶段旧，由于线框造型功能有限，丽特征造型尚处于进一步的研究中，因此，现 有的c a d c a m 软件均采用曲面造型和实体造型这两种方式。 1 线框造型 线框造型( 图2 3 ) 是c a d c a m 技术发展过程中最早使用的三维模型，这种模 型表示的是物体的棱边，由构成物体的一组顶点和边组成，其中边可以使曲线， 如圆弧、二次曲线、b 样条曲线和b e z i e r 曲线。线框模型的计算机表示包括两方 面的信息，一类是几何信息，记录各顶点的坐标值；另一类是拓扑信息，记录定 义每条边的两个端点，可用于进行基本的形体操作，如绘图、平移和旋转等。其 功能有限，存在严重缺陷，如表示的图形不能进行无体积和特性计算、不便于消 隐、不能满足表面特性的组合，缺乏边与面、面与体之间关系的信息，在对模型 的分析与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，它在线框模型的基础上添加了面的信息，利用曲面 模型，就可以对物体做剖面、消隐并获得n c 加工所需要的表面信息等。对一些复 杂的物体表面，如汽车车身和模具型体面等自由曲面，不能利用基本立体要素( 如 第二章计舞机辅助造型设计概论 棱柱、棱锥、球、一般回转体和有界平面等) 进行描述，必须根据自由曲线和自 由曲面的理论进行计算目前曲面多采用n u r b s 样条( 非均匀有理b ) 表达。 图2 3 线框造型图2 - 4 实体造型 3 实体造型 实体造型( 图2 - 4 ) 是以立方体、圆柱体、球体、锥体和环状体等多种基本 体素为单位元素，经拼合或布尔运算，生成所需要的几何形体。这些形体具有完 整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。所以，实体造型包括两部分，即体素 定义和描述，以及体素间的布尔运算( 并、交、差) 。实体造型技术在实体模型 c a d 、实体机械零件的设计、物性计算、三维形体的有限元分析、运动学分析、 建筑物分析、空问布置、n c 计算、部件装配、机器人、电影动画与特技等方面得 到广泛的应用。 4 特征造型 特征造型是面向c o c a m 继承的、向生产过程提供全面完整的产品信息的造 型方法，它不仅包括产品的几何信息，更包含了产品的特征信息。所谓特征是指 产品描述的信息的集合，主要包括形状特征、精度特征、技术特征和材料特征。 以特征为基础的造型方法是c a d 建模方法的一个里程碑，它可以充分提供制 造所需要的几何数据，从而可用于制造可行性方案的评价、功能分析，过程选择、 工艺过程设计等。把设计过程和生产过程紧密结合。有良好的发展前景。 2 1 3 2 c a d 系统的渲染 当数字的三维模型建立后，接下来第二步工作就是渲染。渲染大致可分为以 下几步工作，即定义摄像机、定义灯光和定义材质和进行渲染计算。 跟实际的摄像机一样，电脑模拟的摄像机的主要参数是镜头焦距的大小，改 变焦距可以获得不同的视野。移动摄像机可方便的选择合适的观察角度。 光影的模拟是产生场景真实感的重要手段，精心设计的灯光效果无疑会使场 景更生动，更富表现力。计算机里灯光的类型一般有点光、管状光、聚光、平行 第二章计算机辅助造型设计概论 光等。 定义三维模型表面的材质效果可以产生逼真的质感及表面肌理图案，在材质 编辑模块中，可通过改变材质的颜色、纹理、反光特性、透明特性、发光特性、 反射特性等来模拟现实生活中的各种材质。贴图是表达木材、石材、织物或皮革 等有丰富纹理或图案表面的材质的重要手段，同时也是在初始设计阶段，在不丧 失太多细节的前提下一个有效的降低模型复杂度，以达到快速造型的很有用的工 具，比如：凹凸贴图能很快模拟物体表面的凹槽或小突起的效果。 前面的工作都完成以后，就可以进行静态图像的渲染工作，产生真实感的虚 拟图像。 如有需要可进一步生成动画，以进行功能仿真和使用状态的研究，还可以结 合影视编辑软件生成演示影片，使人对产品的使用过程有真实的感受。 2 1 3 3 c a d 系统的组成及功能 c a d 系统一般由数值计算与处理、交互绘图与图形输入输出、存储和管理设 计制造信息的工程数据库三大模块组成，其主要功能包括： 造型功能。 强大的图形处理功能，包括绘图、编辑、图形输入输出和真实感图形渲 染等。 有限元分析和优化设计能力。 三维运动机构的分析与仿真。 提供二次开发工具，以适应不同行业、不同情况的需要。 数据管理能力，以产品为中心对设计信息和与之相关的信息进行综合管 理，提高设计部门总体效率。 方便的数据交换功能，提供通用的文件格式转换接口，达到自动检索、 快速存取、不同系统甸传输与交换的目的 现代c a d 系统中采用了许多先进的设计思想和技术，大大提高了设计效率。 如： 基于特征的参数化设计。 草图器功能。 n u r b s 曲面的构造技术。 相关性设计。 第二章计算机辅助造型设计概论 2 2 计算机辅助造型设计的历史、现状与展望 2 2 1 计算机辅助造型设计的历史与现状 计算机辅助造型设计的历史，基本上就是计算机辅助设计的历史。计算机辅 助设计是随着计算机硬件、软件技术进展而发展起来的“1 自从第一台电子计算 机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 年问 世以来，利用计算机进行工程、产品辅助设计技术的发展大致经历了如下几个阶 段： 2 0 世纪4 0 年代末至5 0 年代末是孕育、形成阶段计算机辅助设计( c a d ) 的起源可追溯到5 0 年代中期，当时美国麻省理工学院( m i t ) 开始实施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 刀具控制自动编程系统) 的开发计划，该 计划设想将设计图样直接转化成n c 纸带，最后由于各种原因未能完成，但却促 进了计算机绘图的出现与发展。此时期少数大公司，如美国通用电气公司曾用于 进行变压器、电动机等的设计计算。 5 0 年代末至6 0 年代中、后期是成长阶段。1 9 5 9 年1 2 月，麻省理工学院首 先提出c a d 概念。1 9 6 3 年，麻省理工学院的研究生i e s u t h e r l a n d 在美国计算 机联合会年会上宣读了题为“s k e t c h p a d 一人机交互系统”的论文，阐述了交 互式图形技术的基本概念与原理，为计算机图形技术的发展奠定了基础。 7 0 年代以后进入开发应用阶段。7 0 年代初期，美国的h p p l i n c o m 公司开发 了一个完整的c a d 系统。7 0 年代后期出现了能产生逼真图形的光栅显示器，开 发了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备。c a d 技术开始实用化， 从二维的电路设计到三维的飞机、汽车的设计。 8 0 年代中期以后是c a d 向标准化、集成化、智能化方向的发展时期。计算 机图形学得到了进一步发展，不但解决了二维图形处理中各方面的理论问题和三 维图形中的三维旋转、各种透视、消去隐藏线等问题，而且还在三维几何造型、 自由曲面等理论方面有了重大突破。 近年来，由于个人计算机性能的迅速提高，已具有较强的图形处理能力和支 持多处理机并行处理的能力。在三维造型软件的开发上，发展也相当迅速，3 d s m a x 、r h i n o 等专业的三维建模软件纷纷出台8 0 年还处于理论研究的三维几何 造型n u r b s 曲面造型己进入实际运用阶段“。 2 2 2 计算机辅助造型设计的展望 综上所述，计算机辅助设计技术在短短的几十年问取得了巨大的成就，从当 第二章计算机辅助造型设计概论 初被纯粹用作“计算”的计算机，至今已在影响着各个领域，并且成为各个领域 必不可少的辅助工具，它为人类的生产和生活带来了“无限”的便利，创造了巨 大的效益。对于现代设计来说，计算机已经取代传统的笔和纸，成为普遍的新的 设计工具，全面影响着设计的观念与方法。 1 人与计算机的互动 人与计算机的互动是指计算机通过合理的人机界面展示，把设计师与计算机 联系起来，达到最大方便与高效的可能，从而使计算机达到人性化要求的一种概 念。 虚拟现实( v r ) 技术的发展，使设计中的虚拟现实成为可能，设计师可以通 过模拟人眼的v r 头戴跟踪设备( 删d ) 和交互式的传感数据手套，以及三维鼠标 等辅助设备获取信息，去感受模型的各种感觉，达到虚拟逼真的效果蜘产品的 生产工艺过程和检验也可以通过计算机模拟出来，以这种虚拟产品开发的方法设 计产品，增强了设计的科学性、可靠性、减少了盲目性，真正起到了人机互动。 2 “无墙设计室埘” “无墙设计室”的建立，是计算机网络和远程传输技术发展的必然趋势。在 设计过程中，不通国家、不同地区的设计师可通过网络，直接进行设计信息的交 流，展现各自的设计方案和构思意图，从而可以直接参与讨论各方的设计构想， 寻找灵感，互相合作。从某种意义上讲，这种跨越不同国家、不同地区的设计环 境构成了一个虚拟而又广阔的“无墙设计室”。 “无墙设计室”概念的引入以及将来的广泛应用，使得设计师可以从网络中 搜寻信息资源来创意，从昂贵而又复杂的前期调查分析、信息处理中脱离出来。 同时传统意义上的办公室，也将成为一个虚拟的空间，减少了距离的局限。目前， 美国、日本以及欧洲等地的公司建立的设计中心已经在网络上广泛的开展设计合 作。通过计算机互联网，使处在不同国家的设计师形成了一个局域网。 2 3 计算机辅助造型设计的相关软件介绍 由于计算机技术的迅速发展，针对不同的用户及不同产品的造型法则，各大 公司相继推出了各种档次的计算机图形软件，如表2 - i 所示，为设计师提供了适 合自身条件的各种软件，大大提高了计算机的普及程度和计算机辅助设计的水 平。 第二章计算机辅助造型设计概论 表2 一l 各种计算机图形软件功能分类 目的低档组合中档组合高档组合 f r e e h a n d 1 1 l u s t r a t e r 二维绘图 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 三维曲面建模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 动画 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 工程设计 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，低档软件，并不是严格意义上的划分，在很多设计的 实际应用中，根据自身的特色，通常在计算机辅助造型设计流程中将这些软件在 不同阶段混合使用。 下面介绍现阶段使用最为普及的计算机辅助造型设计软件，从中可以更好的 了解造型设计软件的功能。 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 机上最流行的三维建模及动画制作软件， 它集实体造型、着色渲染、动画制作于一体，强调空间感和视觉效果，不注重精 确性。广泛应用于建筑和室内装饰设计、产品外观设计、广告设计、影视特技制 作、三维游戏开发等领域。但是作为计算机辅助造型设计方面的应用，主要是取 其三维立体建模、场景灯光、材质编辑和渲染等功能，并以其方便的操作和出色 的效果，深受广大设计师的喜爱。 3 d ss t u d i om a x 制作流程包括建模、材质贴图、动画设计、场景渲染、后 期处理等几个环节。其中后期处理工作( 效果调整、拼装组合和打印输出) 通常 借助于二维图像处理软件p h o t o s h o p 完成。另外，存为3 d s ，d x f 和d w g 格式的 a u t o c a d 图形可在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 最先进的动画及数字效果技术。不仅包括一 般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发 渲染、运动匹配技术结合。m a y a 可在w i n d o w sn t 与s g ii r i x 操作系统上运行。 第二章计算机辅助造型设计概论 在目前市场上用来进行数字和三维制作的工具中，m a y a 是首选鳃决方案。 m a y a 已在全世界广泛应用于影视、视频、游戏、商业产品、宽带、本地化 娱乐、高端广播、多种图形运用、 吖、，、模拟仿真等领域，其杰出性能都巧妙的 集成在一个整体的工作环境中，给用户以最优化的产品性能。 3 a u t o c a d a u t o c a d 是a u t o d e s k 公司开发的，用途最为广泛的计算机辅助设计软件。 a u t o c a d 的功能非常健全，使用容易，用户一旦学会了程序命令和菜单结构，就 很快的完成了手工所不能完成或是干起来非常琐碎的工作。 另外，a u t o c a d 的性能由庞大的第三方的工作而得到进一步增强。a u t o c a d 自身只提供了一些程序，使特殊的用户能对基本的a u t o c a d 迸行改造工作。目前， 国内的许多机械设计、建筑设计的中文版专业软件的内核都是a u t o c a d 。 a u t o c a d 最大的优势是绘制工程制图。除此而外，a u t o c a d 三维建模的能力 也相当强，除了双曲面、倒角难做外，构建任何形体都很方便。a u t o c a d 还有一 个特点就是具有广泛的兼容性，其文件格式除本身的d n g 外，d x f 格式几乎是所 有软件都能接受的通用格式，为设计师在混合使用软件时，提供了广泛的交流性。 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 ) 是全世界第一套将n u r b s 曲面引进w i n d o w s 操作系统 的3 d 计算机辅助造型设计软件。由于价格低廉、系统要求不高、建模能力强、 易于操作等优异性，让金世界的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 为主要构架的三维模型软件，因此在曲面造型特别是自由 双曲面造型上有异常强大的功能，几乎能做出我们在造型设计中所碰到的任何曲 面。 r h i n o 在渲染( r e n d e r ) 方面的功能不够理想，但其较强的兼容性，可将模 型输出到其它的c a d 软件中去完成。所以设计师在使用r h i n o 时，在渲染上一般 和3 d s m a x 等软件配合使用。 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 ) 是一套十分专业的工业设计与模拟动画的软 件，由加拿大a l i a s - w a v e f r o n t 公司开发。 a l i a s 在工业设计、动画、雕塑、室内设计、建筑设计等领域，居于主导地 位已经十余年了，在此期间，a l i a s 经过许多大的变革，例如线性变革，由 b - s p l i n e 到当前的n u r b s ；界面的改变，从文字晃面到图表界面。 在工程设计上，它擅长表达概念阶段的造型设计，让设计者能够快速的将构 想的草图，以逼真的三维模型呈现在眼前。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 ) 为基础的软件，用户在设计过程中，不必局限于传统的实体 第二章计算机辅助造型设计概论 模型在参考面的设置。用户的创意造型随着意念走，轻松的利用计算机建立的三 维模型发挥出个人创意。 6 p h o t o s h o p p h o t o s h o p 是专业图像处理软件，通过三维设计软件的场景渲染输出后，对 细节补充或是色彩调整等工作，基本上可在该软件中完成。 第三章造型设计基本法则 第三章造型设计基本法则 3 1 设计美的构成要素 当代人们生活方式的一大特点就是对生活质量的重视。生活质量包括的方面 很多，但核心的东西可说是美。随着生活水平的提高，本属于功能性的消费，越 来越多的渗透进审美性的内涵，有的功能性的需求甚至降低到次要地位，而审美 性的需求上升到首要地位。 i 体量 产品的物质功能是形成产品体量大小的根本依据，体量分布与组合的结果， 将派生出多种形体，形成不同方案，并构成不同的造型。因此，在造型上，体量 的分布与组合会直接影响产品的基本形状和风格，是造型设计的关键。 一般来说，结构对称的形状如同对称的平面图形一样，具有端正、庄重、稳 固的性格。在进行立体设计时要有变化的因素，以求得在整个形体对称结构的前 提下，产生变化、丰富、活跃生动的美。结构不对称的造型，在进行体量的组合 时，首先要考虑符合实际均衡的要求，以保证造型的稳定。 体量的组合要避免单调和杂乱，大体积的单调组合和小体积的多体量的杂乱 拼凑都不符合形式美的要求，必须力求用最紧凑的空间、简洁而又有个性的形体 来表达产品的功能与结构的特征。另外，设计时还应该注意体量的大小、虚实的 对比以及主从、韵律的安排，以创造统一和协调的造型。 2 形态 自从人类社会产生以来，人类所需要的各种产品造型的形态随着生产力的不 断发展而不断地改变着。在这漫长的演变过程中，人类所创造的产品可分为四种 形态：原始形态、模仿的自然形态、概括的自然形态、抽象几何形态“川。 构成产品外观的线、面、体等形态要素具有各种不同的形状，如方圆、扁厚、 高低、宽窄、粗细、几何形与非几何形等，大多数产品的基本形态是由点、线、 面结合所产生的综合视觉效果。点的集中、线的延长、面的重量和体积等特征， 如果将它们巧妙的结合起来，可以表现出丰富多彩的视觉魅力。 形态的统一，就是将造型繁复的变化转化为高度的统一，形成简洁的外观。 获得形态的统一感有两个主要方法：一是将所有次要部分去陪衬某一主要部分； 二是统一产品的各组成部分在形状和细部上保持相互协调。 3 线型 造型物的线形包括视向线和实在线两大类。 第三章造型设计基本法则 视向线指的是造型物的轮廓线。由于观察造型物的视线方向不是固定不变 的，因而造型物的轮廓线随着视线方向的变化而不同。因此，用视向线来称呼随 着观察角度不同而变化的轮廓线。 实在线指的是装饰线、分割线等。这些都是客观存在的线。 线型是造型艺术中一种富有表现力的艺术表现手段。线型设计直接影响造型 的质量及外观的艺术效果。因此，无论是建筑物还是各种工业产品都很重视线型 的处理。不同的线型，决定着造型物不同的基本性格，同时体现出造型物的形式 美。线型的选择应该与产品的物质功能相适应；应考虑各种线型的性格特征，使 之与人的心理需求相适应；还要考虑整个产品的形式美。 4 方向与空间 造型设计中，常常采用方向的对比或空间的安排，以丰富产品的外观形象。 方向与空闯的安排，同样必须建立在对产品功能的正确理解与对材料、结构的确 切表达的基础上。 方向是指形体形状的方向，即水平与垂直、陡与缓、同向与反向、敞开与紧 闭、动与静等。空间是指前与后、上与下、左与右、浅近与深远、平坦与凹凸、 虚与实等。由于人们会进行各种联想，对上述情况常常有明显不同的感受，因而 空间和方向功能对于造型的艺术表现力也起着重要的作用。 5 色彩 造型设计主要有两个方面：一是形态的设计；二是色彩设计。虽然色彩是依 附子形体的，但是色彩比形体对人更具有吸弓i 力。色彩在造型中具有先声夺入的 艺术魅力。根据有关的实验表明：人们在看物体时，最初2 0 s 内，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、形体各占5 0 ，以后这种状态就将 持续下去。 产品的色彩设计，总的要求是使产品的物质功能、使用环境与人们的心理产 生统一、协调的感觉。显示功能是色彩设计的首要任务，如调和使人宁静，对比 使人兴奋，太亮使人疲劳，太暗使人沉闷等。色彩设计总的要求必须与产品的物 质功能、使用场所等各种因素统一起来，在人们的心理中产生统一、协调的感觉。 在产品的色彩设计时，应注意色彩配合应有“色彩主调”，避免色相、明度、 纯度的过于近似及色彩面积的对等。且色相不宜太多，一般以二到三种为宜。除 此而外，色彩设计时应注意产品与使用环境、民族风俗、地理气候条件保持一定 的适应关系。 6 材质 造型是由材料、结构、工艺等物质技术条件构成的。在造型处理上，一定要 体现构成产品的材料本身所特有的美学因素，体现材料运用的科学性，发挥材科 第三章造型设计基本法则 或涂料的处理、色彩，触感等方面的艺术表现力，求得外观造型中形、色、质的 完美统一。 在造型过程中，能否合理的运用材料，充分发挥材料的质地美，不仅是现代 工业生产中工艺水平高低的体现，而且也是现代审美观念的反映。 质感是产品形式美的重要体现之一，指的是物质表面的质地，即粗糙还是光 滑，租框还是惊喜，坚硬还是柔软，交错还是条理，下沉还是漂浮，金属还是非 金属等。材料质感的表现往往与色彩运用相互依存。如本来从心理上认为沉闷、 阴暗的黑色，如将其表面处理成皮革纹理，则给人以庄重、亲切感。 3 2 形式美法则 形式与美学有着极为密切的联系，美的根源表现在潜在心理与外在形式的协 调统一，美的形式原理基础是整个形态所呈现的各种构成关系是否具有美的感 觉。一件产品如果具有荚的形式，就能马上吸引人的视觉，唤起人们的美感而产 生愉悦的心理。形式不美，无法使人得到审美的愉悦，也妨碍内容的表达及人们 对内容的接受。因此，在造型设计的时候应遵循美学原则，最大可能的增加美感 效能。 多样统一是形式美的总规律“”。其它的美都要统一在这个总规律下面。多样 统一是指造型的各个部分之间要有一个共同的结构形式和节奏，使人感到整个艺 术作品内部既有变化与差异，又是一个统一的整体。它也指多样的美学法则在美 的创造中综合统的运用。多样统一是任何优秀艺术作品所必须遵循的一个共同 原则，它是美学的基本规律，美学的辩证法。多样统一，是在统一中求变化，在 变化中求统一。多样统一的和谐美，是艺术美的关键。美的形式法则如下； 1 主从与重点 任何艺术上的感受都必须具有统一性，这早已是一条公认的艺术原则。为了 加强艺术作品整体的完整统一性，各组成部分应该有主与从的区别，重点与一般 的区别。所谓“圭”，即主体部位或主要功能部位，对设计来说，是表现的重点 部分。一般来说这部分是加工部分、主操作部分，是人的观察中心。而“从”则 是非主要功能部位，是局部、次要的部分。主从关系非常密切，没有从也无所谓 主。一个完整状态的构成，必然在整体上表现主导与从属，并由此派生出整体与 局部的关系。 主从关系是整体与局部的构成法则。具体表现在设计中的主题与副主题，