《计算机辅助工业设计》-第6章

一、材料与设计材料的组成及其性质即为材质，同时，材质也可以看成是材料和质感的结合。随着人类社会的进步和各种新材料的诞生，材质的运用不断发生着变化。从20世纪70年代起，各种丰富的材料质地和多样的肌理形态，在设计中充当着越来越重要的角色。材料在设计与制造中有如下两方面的重要作用。（1）材料是设计中重要的造型要素，是产品形态的物质载体，是设计所不可缺少的物质基础。（2）材料的选择直接影响设计的结果。材料的性能分为3个层面，如图6-1所示。在产品设计的两个方面（功能设计与形式设计）中，产品功能设计所要求的是与核心部分材料的物质性能相匹配。在形式设计中除了形态之外，还必须考虑所用材料与使用者的触觉、视觉要求相匹配。

第一节材质设计基础知识下一页返回为了达到家用电器、汽车、日用品等产品的特殊表面效果，现代设计中广泛采用各种人造材料作为表面装饰，如有些数码产品外壳表面处理成有凹凸感的皮革质感（图6-2），有的日用品表面处理成粗糙的触感肌理（图6-3），这些表面材质除了在与材料的光色形成对比而产生美感之外，还有良好的使用性，如舒适、防滑、易持握等，具有良好的人机性能和功能美。要合理地应用材质，首先要了解材料的基本特性。从生产、加工、使用、心理、审美等角度对材质进行分析和选择，才能获得成功的设计。二、材料的分类从人类开始使用自然界中固有的材料，到对自然界物质进行加工而获得的新的材质，能够应用于工业设计的材质种类越来越丰富。从加工的角度来说，人们习惯于将材质分为纯粹天然的材质（如木材、竹材、石材、黏土等）和人为加工的材质（如塑料、玻璃、水泥、金属、纸等），如图6-4所示。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回从材质的生物属性来说，材质可分为生物材质和非生物材质。为了进一步了解材质的全貌，根据不同的分类方式，可以将材质分为表6-1中的几种类型。另外，材料的分类方式还有许多种，如从材料的实用性能考虑可分为结构材料和功能材料，从使用的广泛与否考虑可分为传统材料与新型材料。三、材料的固有属性及加工技术（一）材料的固有属性由于材料的种类繁多，并且每种材质本身都具有复杂的属性，如无机材质的属性比较稳定，有机材质则比较不稳定；人工材质的品质容易建立生产及评价标准，自然材质的品质则几乎无法控制。材质的属性决定其应用范围，了解并熟悉不同材质的属性，并利用其属性进行合理的加工，在设计过程起着重要的作用。各种材质都具有不同的物理属性和化学属性，物理属性涵盖了决定材料物理特性的常数，第一节材质设计基础知识上一页下一页返回如相对密度、密度，以及承荷重量时的应力变化如弹性、硬度等；化学属性则由材质本身与其他物质所引起的化学作用来决定，如侵蚀、风化、溶解等。表6-2列出了材质的物理属性和化学属性指标。表6-3为一些常用材质的属性描述（注：指通常情况下材质的属性，如橡胶的抗酸性弱，但也有抗酸性强的橡胶）。（二）材料的性能加工技术任何一件设计产品都具有一定的形状和结构特征，形状和结构特征是通过对材料的成型加工获得的。材料通过成型加工成为产品，并体现出设计者的设计思想。不同的加工工艺会对材料的表面特性、物理性能等产生影响。（1）环境耐受性。这是指现代造型材料不因外界因素的影响而褪色、粉化、腐朽乃至破坏。外界因素多种多样，有室外和室内，水和大气，寒带和热带，高空和地上，白天和黑夜等。如室外使用的塑料制品，就不能选用易于老化的ABS树脂塑料，而应选用耐受性优良的聚碳酸酯塑料。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回（2）加工成型性。产品是通过多种加工而成型的，材料的加工成型性是衡量一种选型材料优劣的重要标准之一。如木材是一种优良的造型材料，主要是其加工成型性好；而钢铁之所以是现代工业生产中最重要的造型材料，同样也是因为其具有加工成型性好的特性。钢铁的加工成型方法较多，如铸造、锻压、焊接和各种切削加工（车、钻、铣、刨、磨等）。目前，现代化大生产中，成型性能好的造型材料除钢铁外，还有塑料、玻璃、陶瓷等。例如，工程塑料由于加工成型性能好，几乎可以铸塑成任何形状复杂的形体，为造型师构思产品的艺术形象提供了有利的条件。目前一般电视机、计算机等的外壳都采用了工程塑料，既可使其外观线型圆滑流畅，又能为内壁提供支撑点，生产率高，成本低，外观造型效果好，如图6-5所示。（3）表面工艺性。工业产品加工成型后，通常对基材进行表面处理，其目的是改变表面特征，增加装饰效果；保护产品基材，延长其使用寿命等。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回表面处理的方法很多，常用的有：涂覆、电镀、化学镀、钢的氧化、磷化处理、铝及铝合金的化学氧化和阳极氧化、着色等。根据产品的使用功能和使用环境，正确地选用表面处理工艺和面饰材料是提高工业产品外观质量的重要因素。金属、木材、塑料、橡胶、玻璃等材质是生产生活中较为常见的材质，绝大多数产品都是由这些材质加工而成的。利用材质的特性及不同的加工技术，可以创造出多姿多彩的产品（图6-6，图6-7）。熟悉这些常用材质的性能、加工技术的特点、应用的范围以及注意事项（见表6-4），是进行材质设计的基础。四、计算机辅助材质设计原理目前，计算机辅助材质设计主要用于对产品三维模型的表面进行贴图等操作，借此仿真产品材质效果，经过评估完善设计。具体的操作过程可参考第九章“计算机辅助工业设计的表达方法及应用”部分内容，本章只介绍计算机仿真材质效果的基本原理。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回（一）基于色光的材质设计材质表现离不开光。没有任何光线照射的物体看起来是漆黑一片，人眼没有任何感觉，再漂亮的材质也体现不出来。从光学角度讲，材质就是从物体反射的光刺激人眼后产生的感觉。这个感觉取决于两个方面，一方面是光，另一方面是材料的反射特性。现实世界中的光很复杂，为了简化问题，人们建立了很多光学模型。最常见的是把光分解成红、绿、蓝三原色，相应地，对材料的反射特性也根据这个方法进行相应的分解。一般的计算机辅助材质设计就是采用红、绿、蓝三原色的反射特性的不同，构成不同的材质，这种表现材质的方法对于计算机辅助材质设计非常有用。1.色光原理（1）光的类型。从图形学的角度来讲，计算机模拟材质属于真实感图形显示问题。现实世界中，人们对物体的认识取决于光经过物体反射和折射后进入眼睛所引起的反应。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回事实上，光对物体的照射是非常复杂的，有必要对光进行分类。OpenGL中的光照是真实光照的一种逼近，它是一个高效的方法。OpenGL对光照效果的计算是由4个独立的部分叠加而成的，即环境光/泛射光（ambient）、散射光/漫射光（diffuse）、镜面反射光/镜射光（specular）、辐射光/发射光（emission）。环境光/泛射光（ambient）：环境光是从某个光源发出并由环境多次散射得到的，难以确定其最初的方向，看起来光好像来自于四面八方。环境光照射到一个表面上时，将均匀地在各个方向产生散射，它可用来模拟从环境中周围物体散射到物体表面再反射出来的光。在日常生活中，人们借助于大地、天空、房间的墙壁等反射的光所构成的环境光来看清房间里的物体。任何一种光都能向环境光贡献一定的成分。散射光/漫射光（diffuse）：散射光来自于一个固定方向，所以当光线垂直照射到物体表面上时要比斜照时亮一些。然而，一旦光线照到表面上就均匀地在各个方向发生散射，因此不论观察点在哪个位置，其亮度都是一样的。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回来自特定位置与方向的任何光线都可能带有散射光成分。进入人眼的光大部分属于漫射光。镜面反射光/镜射光（specular）：镜面反射光也来自特定方向，但它几乎全部反射到对称的方向上。光滑的镜面、金属和塑料都可以产生较高的镜面反射光成分，而柏油马路或地毯等材质几乎不发生镜面反射。镜面反射度反映了物体的光洁度。在光的照射下，光滑的物体会形成一个非常亮的区域，这个区域通常称为高光区，物体反射的这部分光称为高光。高光与光源的入射方向、反射方向、视线方向以及物体的反射特性有关。表面光滑的物体，高光区域较小，但亮度很高；而表面粗糙的物体，高光区域大，但亮度小，往往不会引起视觉上的特别注意。辐射光/发射光（emission）：辐射光是最简单的，它由物体发出，并且不受任何光源的影响。一个灯笼里的灯发出的光就可以认为是辐射光。辐射光可以用来模拟自身发光的物体，如灯泡等，以产生特殊的效果。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回（2）光与物体。光照到物体表面时，可能被物体吸收、反射或透射。光的反射或透射部分进入视觉系统使人们能看见物体。光的颜色由其波长决定，一束白光含有所有可见波长的光。白光照射物体时只有所有可见光波被等量吸收，物体才会呈现灰色；如果被不等量吸收，物体会呈现其他的颜色。光的亮度由光强决定，从物体表面反射出来的光的强度取决于光源的位置、光强、物体材质、物体表面位置、物体表面法线和视点的位置。材质是指物体表面对光的反射特性。一种材质由环境色、扩散色、镜面高亮色等组成，分别说明了它对环境光、漫反射光和镜面反射光反射的多少，即反射率。材质影响物体的颜色、反光度、透明度等。假设一个物体只反射蓝光，则在一束白光的照射下就呈蓝色。一般来说，物体对环境光和漫反射光的反射方式是相同的，因而对环境光和漫反射光的反射率基本上是相等的。但是，物体对于镜面反射光的反射率是由镜面反射光决定的，且物体的高亮色基本上是与镜面反射光的颜色相同的。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回如果一个物体在青色光的照射下呈蓝色，只需设定物体的环境色和扩散色均为蓝色即可。为了让它看起来有高光效果，可设定其镜面高亮色为青色。在编程和图像制作的过程中，有时并不遵循这些物理规律，而是任意地利用它们的组合来产生一些特殊的效果。光和材质的颜色都采用红、绿、蓝三原色来合成。例如，有一个黄色光源（0.8,0.8,0.0），一个对环境光、漫反射光的红、绿、蓝三原色的反射率均为0.5的物体，则进入视觉系统的颜色为R=0.8×0.5=0.4，G=0.8×0.5=0.4，B=0.0×0.5=0.0，最后复合成一个饱和度更低的黄色物体。在多个光源的照射下，物体的颜色将进行线性叠加。2.基于色光的材质参数模型与光线对应，材质具有独立的环境反射、漫反射和镜面反射颜色成分，分别决定了材质对环境光、漫反射光和镜面光的反射能力。环境反射和漫反射决定了物体的颜色，这两种成分很相似，甚至可以当做一种来看。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回镜面反射色通常为白色或灰色，因此镜面反射的高光（highlights）通常由光源的镜面光成分的颜色和强度决定。例如一束白光照射在一个有光泽的红色金属球上，球体的大部分将表现为红色，而高光处则为白色。一个光源决定了光的颜色、反射特性、强度和入射光的方向；物体的几何性质及材质决定反射光的颜色、反射特性、强度。光和物体间的相互作用远比人们能够实时模拟的情况复杂，例如，在不同光照条件下模拟人的皮肤的质感是一件十分困难的事。OpenGL作为一种专业的3D程序接口，在逼真显示和实时绘制之间通过以下方法实现均衡：只在几何顶点上进行光照运算，对在所绘制的每个像素上执行光照运算的复杂处理进行简化。因而在OpenGL中，用以下4个参数来建立材质模型：环境光反射色（ambientC）、漫射光反射色（diffuseC）、镜面光反射色（specularC）以及它的光泽度（shininessC），第一节材质设计基础知识上一页下一页返回前3个参数分别代表3种光照到物体上之后被物体反射的比率，而后一个则代表材质的光度，取值范围为0～128（见表6-5）。需要强调指出的是，这里用于表示材质属性的几种“色”是与光的类型中的几种“光”有区别的，它们表示的是对相应的光的反射特性。而每一种光里面又包括R、G、B、A4个分量，分别代表光的红、绿、蓝及透明度4个属性。每一个分量值都介于0与1之间。3.利用材质参数模拟常见物质根据上述材质模型，通过试验的方法，调节模型中的参数（ambientC，diffuseC，specularC，shininessC），可以调整出逼真的材质效果。表6-6为根据上述的材质模型，通过试验方法得到的部分常用材质的参数值。图6-8为计算机模拟铝、黄铜、青铜、金的材质效果。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回（二）基于纹理映射的材质设计1.纹理映射原理基于色光的材质设计很好地说明了计算机辅助材质设计的基本原理，但是在实际设计过程中更多地使用纹理映射来实现材质，这是由于对物体赋予通过调节基本材质参数而得到的材质，物体就会表现出一定的真实感。但是，此时的物体表面过于光滑和单调，看起来反而不真实，这是因为现实世界中的物体其表面往往有各种纹理，即表面形貌。利用材质基本参数只能模拟出材质反射光的特性，并不能反映出材质的肌理。对于一些有纹路，或有凹凸质感的材质表面，例如刨光的木材表面的木纹、建筑物墙壁上的装饰图案、机床装饰用的美术漆或未磨光的粗糙表面等，则必须运用纹理映射的方法来表现。图6-9为计算机模拟木纹、石材及斑马纹的材质效果。纹理的定义方法有连续法和离散法两种。连续法把纹理定义为一个二元函数，函数的定义域就是纹理空间；第一节材质设计基础知识上一页下一页返回离散法把纹理函数定义在一个二维数组中，代表纹理空间中行间隔和列间隔固定的一组网格点上的纹理值。网格点之间的其他点的纹理值则通过网格点的值插值获得。通过纹理空间与物体空间之间的坐标变换，把纹理贴图到物体表面。简单地说，纹理分为两种，一种是通过颜色色彩或明暗的变化体现出来的表面形貌，这种纹理称为颜色纹理；另一种纹理则是由不规则的细小凹凸造成的，称为凸凹纹理，例如，橘子皮的皱纹和未磨光的凹痕等。生成颜色纹理的一般方法是在一平面区域（即纹理空间）上预定义纹理图案，然后建立物体表面的点与纹理空间的点之间的对应（即映射）。当物体表面的可见点确定之后，以纹理空间的对应点的值乘以亮度值，就可以把纹理图案赋到物体的表面上。也可以用类似的方法给物体表面产生凸凹不平的凸凹纹理，不过这时纹理值作用在法线向量上，而不是作用于颜色亮度上。表现纹路、图案等材质效果需用二维纹理映射技术，二维纹理映射通过读入位图文件，利用OpenGL函数库进行纹理映射；第一节材质设计基础知识上一页下一页返回而表现橘皮等凸凹的材质效果需用凸凹纹理映射技术，凸凹纹理映射需和渲染结合起来。在计算机辅助材质设计中，纹理映射是一种非常实用的方法。纹理映射亦称贴图，下面就对一些常用的材质贴图类型，及在贴图中起着非常重要的作用的贴图坐标作一些说明。2.材质贴图法以材质设计为目的贴图称为材质贴图。给三维几何体所指定的材质并不只限于单一的肌理，还可以将各种不同的图形应用到材质中，以产生如木纹、反射、雕刻和大理石等效果。贴图类型有很多种，但大致都可以归于两种，一种贴图是直接利用图像的颜色信息，另一种则是利用图像的灰度信息，如蒙板贴图、凸凹贴图等。后一种贴图方式又往往是与程序式贴图联系在一起的，其主要贴图类型如下。（1）Bitmap贴图：这是最直接的一种贴图方式。首先通过图像确定贴图位置，即指定贴图坐标，将图像直接贴在物体上。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回（2）材质类贴图：这种贴图指的是如Marble贴图、Water贴图、Wood贴图、Smoke贴图等类型。通过程序实现真实材质的模拟，适当调节其参数，则可以调出非常逼真的材质效果。（3）效果类贴图：这种贴图指的是Noise贴图、Dent贴图等类型。这也是一种程序式贴图，但它模拟的是现实世界中的某种效果。（4）灰度类贴图：这种贴图指的是如Mask贴图、Bump贴图等类型。这种贴图利用的是图像中的深度信息。Mask贴图由深度信息来决定物体中原有颜色的可见程度，而Bump贴图则利用图像的灰度信息来控制物体的凸凹程度。3.贴图坐标对大多数的贴图而言，必须告诉渲染程序此贴图要从对象的何处开始显示，而这就必须依赖“贴图坐标”。大部分的材质贴图都是指定到3D表面的2D平面图。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回用来描述贴图放置位置及变化的坐标系，不同于3D空间所使用的X，Y，Z坐标。为了区分，贴图坐标则使用U，V，W来代表坐标轴，U，V，W坐标平行于X，Y，Z坐标的相对位置。如果观察一个2D贴图，会发现U相当于X，代表贴图的水平方向；V相当于Y，代表贴图的垂直方向；W相当于Z，代表垂直于贴图之UV平面的方向。如图6-10所示。贴图坐标一般有以下几种基本类型：Planar（平面式）；Cylindrical（圆柱式）；Spherical（球体式）；Shrink-wrap（收缩包裹式）；Box（方体式）；Face（面式）。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回Planar直接将图像映射到平面上；Cylindrical用图像包裹住对象的侧面，而图像重复的部分会扭曲显示于上下两端的平面上；Spherical是用图像包裹住整个对象，在它的顶端及底部收敛起来；Shrink-wrap与Spherical类似，但只留下一个收口；Box是从6个方向应用的平面贴图；Face把贴图分别贴在模型的每一个面上。现实生活中的物体多数是基本的几何体或其组合，所以以上几种贴图坐标能满足大多数需求。下面以图6-11中的图案及条纹纹理为例，说明各种贴图坐标。（1）Planar。Planar（平面式）贴图坐标是比较常用的方式。如图6-12（a）所示，图中橘色细线框为贴图的投影面Gizmo，纹理正投影于与投影面平行的面上，而在与投影面夹角等于或接近于90°的面上，贴图则产生拉伸现象，因而Planar（平面式）贴图坐标比较适合于薄且表面接近平面的物体，如图6-12（b）所示。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回（2）Cylindrical。Cylindrical（圆柱式）贴图坐标的投影原理如图6-13（a）所示，图中橘色细线框为包围物体的圆柱形。纹理沿着圆柱的四周进行包裹，最终纹理的左侧边界和右侧边界相交在一起，形成接缝，这个接缝的位置在三维软件中是可以进行控制的。圆柱顶面和底面可以选择是否贴图，如果贴图，顶面和底面则使用Planar贴图坐标，如图6-13（b）所示。Cylindrical贴图坐标一般用于圆柱形或接近圆柱形状的物体贴图，如柱子、树干等。对于弯曲的物体，例如手臂，可以将其分成不同的部分，分别使用Cylindrical贴图坐标。（4）Shrink-wrap。Shrink-wrap（收缩包裹式）贴图坐标将纹理看作一个弹性很好的矩形塑料薄膜，并用它包裹在物体上，然后把薄膜的4个角紧紧地捏在一起，成为一个点，如图6-15（a）所示。这样，纹理就包裹在物体表面，且不会产生接缝。但是，由于纹理收缩于一个点，贴图会产生一定的变形，如图6-15（b）所示，这使得Shrink-wrap贴图坐标使用场合的局限性较大，使用它的物体只能显示贴图变形较小的那一部分。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回（5）Box。Box（方体式）贴图坐标对物体6个方向的面分别进行投影贴图，每个面单独使用Planar贴图坐标。对于形状规则的物体，使用Box贴图坐标能获得良好的贴图效果且方便快捷，如图6-16（a）所示。如果物体形状不规则，Box贴图则自动把物体按照上、下、左、右、前、后分为6个区域，然后分别进行贴图，如图6-16（b）所示。这样物体表面会产生一些接缝。（6）Face。Face（面式）贴图坐标把纹理分别贴在物体的每一个面上，如图6-17所示。如果“面”包含隐藏的边，那么面将会被自动分成若干小面再单独被贴图。4.纹理贴图中间框架纹理映射本质上是一个映射过程，对于复杂一点的物体表面，如果直接进行纹理空间到物体空间的映射，纹理则难以控制。为了对映射纹理进行有效控制，需要利用中间框架对纹理作进一步的控制，这样，第一节材质设计基础知识上一页下一页返回就把原来从纹理空间（TextureSpace）到物体空间（ObjectSpace）的一步映射变成了从纹理空间到中间框架再到物体空间的两步映射，即map1:TextureSpace→MiddleFramemap2:MiddleSpace→ObjectSpace纹理贴图的中间框架通常有平面框架、立方体框架、圆柱体框架和球形框架几种类型，可根据待施加纹理的物体形状自行选取适当的中间框架。下面以圆柱体框架为例，说明此种材质设计方法的过程。如图6-18所示。使用纹理映射实现材质设计牵涉物体表面点的几何坐标与纹理坐标的对应，需要进行几个坐标系的转换：绝对直角坐标系→以中间框架圆柱底面中心为原点的相对直角坐标系→圆柱坐标系。此后，再将物体的几何坐标投影到指定半径的圆柱面上，物体表面的直角坐标系坐标就与二维纹理坐标对应了。第一节材质设计基础知识上一页下一页返回设物体上一点在绝对直角坐标系中的几何坐标为（X，Y，Z），转换后的纹理坐标为（U，V），目标圆柱底面中心在绝对直角坐标系中的几何坐标为（X0，Y0，Z0），相对直角坐标系为（X′，Y′，Z′）物体集的目标圆柱高为H，坐标转换公式为U=

(Z-Z0)

/HV=

arctan[(Y-Y0)

/

(X-X0)]

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2p其他几种中间框架的设计过程类似，只要根据不同情况，作相应的坐标变换即可。第一节材质设计基础知识上一页返回凡有形之物皆离不开材料、材质，它是产品造型的物质基础。当代工业产品的先进性不仅体现在它的功能与结构方面，同时也体现在新材料的应用和工艺水平的高低方面。材料本身不仅制约着产品的结构形态和外观，还决定材质的装饰效果，所以合理、科学地选用材料是造型设计极为重要的组成环节，就是无形的、非物质设计也都离不开材料的应用。一、材质设计的总导则材质是材料本身固有的属性，人对于材质的感受，有的是心理上感应的，有的是人们生活习惯、印象造成的，有的则是人触觉到的。造型设计是根据不同的产品特性和功用，相应地选用满意的造型材料，运用美学的法则科学地将其组织在一起，使其各自的美感得以表现和深化，以求得产品造型的形、色、质的完美统一。设计包含着两个方面的内容，即功能设计与形式设计。功能设计满足产品的结构、功能等使用要求，形式设计则通过材质所具有的美感满足产品的审美要求。第二节材质设计导则下一页返回明确产品的目标意图和功能特性，全面了解和客观评价材质的性能、加工工艺，才能在材质特性与产品功能之间建立良好的匹配关系，如图6-19所示。

所谓材质设计主要是指对材料、加工方法的选用，应满足功能和形式两个方面的需求。（1）材质设计应满足功能要求。如机械工程材料应具有足够的机械强度、硬度、冲击韧性等机械性能，而电气工程材料除了机械性能外，还需具备导电性、传热性、绝缘性、磁性等特性。（2）材质设计应满足审美的要求。从造型角度来讲，除了材料的物理、机械性能要符合产品功能要求外，还需要符合美学原则。不同材质具有不同的审美特性，从色泽、肌理、质地等视觉或触觉的语言中显示出各自的独特个性和内涵，并通过人的感官传达不同的心理感受。材质设计应能传递出合理的设计意图，使材质的特性得到有效发挥。第二节材质设计导则上一页下一页返回图6-20中的水壶选用了金属材质的外壳、塑料材质的把手，利用金属导热性强、塑料导热性弱的特点，满足了产品的实用性，又表现出了高度的艺术性。图6-21中玻璃材质的饮料瓶，带给人们一种清凉、明澈的感受，恰到好处地烘托了其所承载的需求。二、材质设计基本导则1.配比原则在材质的选择上，将各部分材料按形式美的法则进行组织，同时注意材料的整体与局部、局部与局部之间的关系，才能获得好的视觉印象，配比原则的实质就是和谐，即多样统一，这是形式美法则的高级形式。2.主从原则所谓主从关系是指事物的外在因素在排列组合时要突出中心、主从分明。没有主从的材料设计，会使设计显得呆板、单调。第二节材质设计导则上一页下一页返回3.适合原则各种材质有明显的个性，在设计中应充分考虑到材料的功能和价值。针对不同的产品、不同的使用者、不同的消费对象以及不同的使用环境，在材料选择上要充分利用适合法则，将具体的产品、具体的材料与具体消费对象的审美感觉有机结合在一起，使材料的美感得到淋漓尽致的体现。4.功能性原则产品的最终目的是使用，材质的选择应首先遵循功能性原则。从产品的使用和功能出发，充分考虑产品的使用状态，考虑产品的受力状态、载荷性质、工作介质、工作温度等，确定对材质物理性能、化学性能以及安全性的要求，这是选材的基本要则。5.工艺性原则制造一个合格的产品，必须经过一系列的加工过程，产品质量受工艺影响最大。材质本身的优劣直接影响产品质量、生产效率、成本等。第二节材质设计导则上一页下一页返回如果在设计产品时忽略了材质的加工制作工艺性，轻则影响美观，重则导致产品无法顺利生产、使用及维修。一般来说，同材性或材形的材料，加工便利者优先选用。6.经济性原则产品设计的原则是实用、经济、美观，经济是实用和美观的制约条件。材质的选用涉及材料成本高低、工艺性好坏、同一产品的耗材量大小等，所以应当以综合效益来评价材料的经济性。经济用材不是指一味地追求使用材料越少越好，越便宜越好，而是指用最少的材料发挥最大的效用，尽力用最经济的材料满足相同的功能要求，切忌单纯以价格高低来评价。7.环保性原则随着人们环保意识的增强，选用对环境、人体不造成污染、危害的材质，已经成为用材的重要标准之一。环保材料必将成为今后产品设计用材的趋势。第二节材质设计导则上一页下一页返回三、材质设计细则（一）产品材质设计细则（1）产品造型的重点，由功能和结构等决定，对功能特征的关键部位，即主体部位的使用材料要重点处理，这样可以形成视觉中心，达到视觉的安定美感。（2）在产品的整体设计中，对可见部位、常触部位、主要部位，如面板、商标、操纵件等，应作良好的视觉质感与触觉质感的设计，加工工艺要精良、质感好、选材好、手感好。而对不可见部位、手触部位、次要部位就应从略、从简处理。（3）用材料的对比来突出重点，常采用非金属衬托金属，用轻盈的材质衬托沉重的材质，用粗糙的材质衬托光洁的材质。（4）使整体各部位的物面质感统一、和谐。在差异中趋向统一，使人感到融合、协调。第二节材质设计导则上一页下一页返回（5）各部位材料表面有对比的变化，形成材质对比、工艺对比、色彩对比。（6）用各种材料的触觉质感，使产品接触部分体现防滑、易把握、使用舒适等实用功能，而且通过不同肌理、质地材料的组合，丰富了产品的造型语言，同时也给用户更多的感受。（7）运用各种面饰工艺手段，以近乎乱真的视觉材质感达到触觉材质感的错觉，如在陶瓷上镀一层金属，在工程塑料上烫印铝箔呈现金属质感。（8）自然质感突出材料的自然特性，强调材料自身的美感，关注材料的天然性和价值性。（9）产品的固有色彩是产品设计中的重要因素，设计中必须充分发挥材料固有色彩的美感属性，而不能削弱和影响材料色彩美感功能的发挥，应运用对比、点缀等方法去加强材料固有色彩的美感功能，丰富其表现力。关于色彩设计的原则参看第五章。第二节材质设计导则上一页下一页返回（二）视觉传达材质设计细则视觉传达设计是通过视觉媒介表现并传达给观众的设计，体现着设计的时代特征和丰富的内涵，其领域随着科技的进步、新能源的出现和产品材料的开发应用而不断扩大，并与其他领域相互交叉，逐渐形成一个与其他视觉媒介关联并相互协作的设计新领域。其内容包括：印刷设计（海报、报纸等）、书籍装帧设计、展示设计、包装设计等。就现阶段的设计状况分析，视觉传达设计的主要内容依然是GraphicDesign，一般专业人士习惯称之为平面设计或视觉传达设计。本节将详细讨论视觉传达设计的材质设计细则。1.印刷设计大部分印刷设计的材料为纸类，除此之外还可见到以塑料为材料的设计。设计者应熟悉尽可能多的印刷材料、工艺。设计中需要遵循以下原则。第二节材质设计导则上一页下一页返回（1）材料满足设计作品使用时的功能、物理需求，如印刷性能、折叠性能、加工性能、强度等。（2）材料与设计内容和谐呼应，视觉吸引力强，艺术感染力强。（3）材料与工艺兼顾总体设计的要求，与设计内容及结构相适应。2.书籍装帧设计书籍装帧设计是指书籍的整体设计。它包括的内容很多，其中封面、扉页和插图设计是其中的三大主体设计要素。书籍不是静止的装饰之物。读者在翻阅过程中，与书沟通并产生互动。书籍装帧的材质设计应遵循以下原则。（1）材质表层性能，如印刷性能、纸质色彩、表面工艺性能等，应体现该书籍的特质。（2）材质的物理性能，如光滑度、味道、纹理等，能够满足使用者的触觉需求。第二节材质设计导则上一页下一页返回（3）材质的物质性能，如机械加工性能、抗撕拉度等，应满足书籍生产和使用中的需求。3.展示设计展示设计的设计对象——展示空间特指为人类活动所构造的场所，同一种空间形态可以用不同材料来体现，而每一种材质所构造的空间都会使人产生不同的心理感受。材质是传达设计思想、体现展示主题的重要载体之一。其材质设计的主要原则如下。（1）功能性。材质应满足支撑、遮蔽、分割等多种实际功能的需求，努力实现展示设计的预期效果。（2）经济性。材质成本与展示总体目标一致，在设计过程中应多采用。（3）装饰性。在考虑材料的强度的同时，设计者也应发挥出材质的造型作用、天然纹路的装饰作用等，使材质与展台主题吻合，并充分发挥自身的表现力。第二节材质设计导则上一页下一页返回（4）绿色性。符合环境保护的要求，对室内装饰材料的放射性、挥发性要格外注意，以免对人体造成伤害。4.包装设计包装设计离不开对包装材质的了解，熟练地掌握材质的性能、规格等性能，有助于对材质合理使用。包装设计的材质设计原则主要是经济、安全、环保。包装材质的设计必须符合内容物的档次、销售环境、使用环境等的需求，并在此基础上平衡综合，达到最佳的性价比，避免消费者“买椟还珠”。用于包装的材质需要在各个环节最大限度地保证产品完整，避免产品性质发生变化，如食品的包装材料必须卫生、无菌、无污染杂质。用于包装的材质应符合有效利用资源、节约能耗、保护环境的要求，如使用天然的、可循环利用的材料。第二节材质设计导则上一页下一页返回（三）环境材质设计细则环境设计是与人的生存及活动紧密相关的设计领域，覆盖了室内外各类环境的设计。设计中的创意及灵感均需用具体的材质去表现，在材质设计的过程中应满足地域性、环保性、装饰性、经济性等要求。1.地域性地域性指的是针对不同的国家、民族及地理、气候条件，依据设计思想确定设计表现载体，如用在湿热环境下成长的树木制成的板材，不宜用于干燥、炎热的环境，否则会直接影响材料的强度及耐久性。2.环保性环保性的提出是为了保证环境中的主体——人的生存安全，使用天然的、可降解的、可循环利用的或无污染的材料可以使人与环境和谐共处。第二节材质设计导则上一页下一页返回3.装饰性装饰性则是指设计者利用材料本身的纹理、加工特性、气味等特质，表现设计主题，使环境更加充满视觉表现力。4.经济性经济性是在满足以上3点的基础上综合权衡，选择适当的材料或性能相当的替代材料，可降低成本，使设计与造价平衡。对城市及建筑物用材的选取，应参照相应的标准及导则进行。这里提炼出的材质设计总导则、基本导则及领域的细则，都是对相应的众多理论知识的条例化，旨在深入浅出、简明扼要地启迪思路，引导设计，抛砖引玉，辅助创意，在设计实践中还需要设计师灵活应用，开拓创新。第二节材质设计导则上一页返回一、计算机辅助材质设计计算机辅助材质设计是利用计算机的强大功能对设计中的材质进行模拟仿真，与在现实中试制样品来判断材质是否合适相比，这种方式更高效、经济、直观。在用计算机辅助工业设计系统进行产品设计时，如果不能对物体施加合适的材质，则渲染结果就缺乏真实感，很难令人满意。图6-22为施加材