《计算机辅助工业设计》-第4章

一、形态的种类及特征在人们的现实生活中，充满了各种各样的产品，这些产品都具有各自的形态特征。按照形态学的划分原则，形态一般分为两类：①可应用几何学进行处理的概念性形态；②可以通过视觉、触觉等直接感受的现实形态。前者是纯粹抽象化了的形态，又称抽象形态或纯粹形态，后者主要是指自然界中的自然物和人造物的形态。各种形态的分类见表4-1。产品的形态设计是指按照一定的要求对基本形态要素进行操作的行为。根据形态的定义，“形态”一词从符号学的角度包含了语构与语义两个层次的内容，而“形态设计”则属于符号学3个层次中最外层的内容——语用，即如何设计形态以使其产生特定的功能或意义。这里“设计”一词的含义：一是建立数据化的形态模型；二是为该形态模型赋予特定的功能或意义。第一节形态设计基础知识下一页返回工业设计的3个主要部分——平面设计、产品设计和环境设计，都离不开形态设计的内容，而其中产品设计中的形态设计则构成了设计任务的大部分内容。二、形态要素及其特征（一）点在几何学上，点只有位置，不具有大小和形状。但从造型意义上说，却有不同的含义。造型实践中的点，如果没有形状就无法成为视觉的感知对象。因此，造型中用到的点不仅有大小，也有面积与形状。以大小而言，越小点的感觉就越强，越大则越有面的感觉。以形状而言，圆形点的感觉最强，即使点的面积较大，也给人以点的感觉。点是造型最基础的元素，大量的点按照一定的方式组合起来，可以展现出线或面的感觉，并可形成各种图案化效果。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（二）线在几何定义里，线只具有位置、长度而不具宽度和厚度。它是点移动的轨迹。从造型含义来说，线具有位置、长度和一定的宽度。造型设计中，线的形状大致可分为直线和曲线两种。直线通常给人以严谨、秩序、明快的感觉，有时还象征刚直、统一、坚定、有力。不同方向的直线还体现出不同的知觉感，如水平线、垂直线、倾斜线、折线等。曲线按其曲率大小具有不同的动态感，常给人以轻松、柔和、优雅、流动的感觉。几何曲线的形态具有柔软圆滑、丰满愉快、理智明快的特征；自由曲线则有奔放之感。几何学上的线只有形状属性；而实际造型中用到的线除了形状外，还有线宽、线型等可被感知的特征，这些特征都是产生知觉与美感的因素。（三）面面，在几何学中的含义是线的移动轨迹。面具有长、宽两度空间，它在造型中形成各式各样的形态，是设计中的重要因素。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回造型中运用的几何面主要有平面、折面和曲面3类。平面形是平面上的轮廓所包围的面积。平面形一般分为几何形与自由形或直线形与曲线形。曲线形又包括几何曲线形和自由曲线形。几何曲线形有柔软、有数理性与秩序之感，一般给人以自由、高贵、整齐、明了的感觉；而自由曲线形不具有几何秩序，较为自由、流畅，易于引起人的兴趣，具有优雅、魅力、柔软、浪漫的感觉。面的形式有两种：平面形状与空间形状。平面形状的知觉特性主要来源于圈定该面的边界线形状的知觉特性，空间形状的知觉特性则来源于该空间面的三维实体特性。（四）点、线、面综合构成点、线、面是构成平面形态的3种最基本的要素，如图4-1所示，每种独立的形态元素都可以通过自身的形状特征体现出相应的美学特性。将点与线、线与面或点、线、面三要素作综合构成，使视觉语言的应用更加丰富，加之形态、数量、位置、方向、肌理、明暗与色彩等诸多要素的应用，使视觉语言千变万化。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回但是，这又容易使设计师失去画面的控制力，从而陷入杂乱而不可收拾的地步，这时就要特别注意抓住主要的矛盾关系，强化单纯和简洁化意识，应用统一的秩序原理去构成一种整体结构的力度，从杂乱中建立起有秩序的图形世界。（五）骨骼骨骼是构成图形的骨架和格式，如图4-2所示。它就像人的身体一样，用骨架支撑全身。在图形构成中，骨骼支配着构成单元的排列方法，它可决定每个构成单位的距离和空间。因此，在图形构成中骨骼起着重要的作用。骨骼可以分为规律性骨骼和非规律性骨骼。规律性骨骼是按照数学方式有秩序地排列，如重复、近似、渐变、发射等构成方式，都属于规律性骨骼；非规律性骨骼是比较自由的构成，它有很大的随意性，如密集、对比、变异等构成方式。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回另外，由于其表现形式的不同，在规律性骨骼中，还可分为作用性骨骼和无作用性骨骼两种。作用性骨骼，即每个单元的基本形，必须控制在骨骼线内，在固定的空间中，按整体形象的需要，去安排基本形。其骨骼线的确定，一般均采取正方形格式，它便于基本形方向的变换，构成灵活多样。但也可以用长方、斜向、水平错位或波形曲线等格式。无作用性骨骼，是将基本形单位安排在骨骼线的交点上。骨骼线的交点就是基本形之间的中心点。当形象构成完成后，即将其骨骼线去掉。无作用性骨骼的表现方法，主要靠基本形大小不同，所形成疏密关系的变化。通过密度大的重色，将密度小的亮度衬托出来，形成画面明暗的鲜明对比。特别是着重表现其渐变效果，使画面呈现较强的韵律感。（六）体在几何学中，体是面的移动轨迹，具有相对的长度、宽度和高度的三元单位，或三度空间单元，如图4-3所示。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回根据边界面的形状，体可分为平面体和曲面体两种。体的知觉特性与两个因素有关，一是边界面的形状，二是整体的几何特征。在体的构成中，由于截面的多样性，可以形成不同形状的多种几何体，而成为立体构成的基础。在工业设计中首先考虑的是体的外形形状改造，如各种家电产品的造型设计、建筑造型、亭台楼阁、园林绿化工程等。（七）色彩色彩在人们生活中是一种不可缺少的视觉感受。工业产品的造型美，并不是孤立存在的，它总是依存于色彩美、质感美来共同表现。色彩的美感是在色彩关系的基础上表现出的一种总体感觉。色彩的构成必然要遵循一定的构成原则。色彩设计要符合美学法则，主要包括：统一与变化，调和与对比，均衡与稳定，节奏与韵律，主从与重点，过渡与呼应，比拟与联想，等等。关于色彩的论述详见第五章。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（八）肌理肌理是物体的表面特征，也意指物体的质感，是具有表现力的造型要素，如图4-4所示。肌理有平面性的视觉肌理和有起伏变化的触觉肌理。视觉肌理只能用眼睛去感知，如印刷品中的图形；触觉肌理能够用手触摸，有浮雕式的凹凸感，眼睛也能感知，如绘画的厚涂笔触、粗糙的纸纹或凹凸印刷的花饰就属于触觉肌理。理解和把握各种材料的特性，可以用种种技法探求造型肌理的各种可能性和表现力，如应用各种不同工具的描绘、涂刷、挥洒，应用不同颜色的溅开与流淌、浸泽与喷射、厚涂与薄施，以及采用摄影和计算机等手段，获得规则性的或装饰纹理性的或自由笔触性的或偶然性的等不同视觉效果的肌理。

第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（九）空间空间与物体一样是构成三维形态的元素。空间可分为正空间和负空间，负空间即物体所占据空间之外的剩余空间，它通常是人们可以充分利用的部位。如图4-5（a）所示，碗的实体部分为正空间，碗内部的空间为负空间，二者都是产品设计的重要内容。又如图4-5（b）所示，室内空间为负空间，室内的实体如桌椅墙体等为正空间，二者都是室内设计的重要内容。在造型设计上，任何物体都存在于空间中，空间也可以存在于物体内部，如室内空间。如果用虚体和实体表示，则物体本体是实体，空间可谓虚体。在造型设计中，空间的灵活运用也是很重要的，如：在室内设计中家具的尺寸是否与空间协调，室内空间是否比例适当，家具的边缘是否进行圆滑处理，室内为了减弱各界面的对比性，是否采用线脚过渡等，都是空间的造型设计内容。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回三、形态构成方法（一）点的构成设计中的点是一种具有空间位置的视觉单位。点并没有一定的大小和形状，只要与周围其他造型要素共同比较时具有凝聚视觉的作用的形体，就可以称为点，即点的判断完全取决于它所存在的空间相互关系上。点具有以下特性：（1）单一点能使视线集中于这一点上。（2）距离相近的两点容易使人产生心理上的线条引力，即在心理上会自动地将两点用线连接起来。（3）点并不一定是具体的黑点，也可以以虚点存在，即以周围的线条或是面来形成点的形状。（4）存在于一个平面的3个点，容易使人感觉到由这3个点围成的虚面。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（5）点作线状排列时，会使人在心理上感觉成线。（6）点的集合可以构成虚面。点的主要构成要素是点的大小及点的圆心间距，对于这两个要素有计划性的规则或完全不规则的变化与组合，主要构成方法有连接（图4-6（a））、分离（图4-6（b））、重叠（图4-6（c））等。（二）线的构成设计中的线是一种具有长度的一维空间或一次元空间。线以长度的表现为主要特征，只要将线的粗细限定在必要范围内，且与视觉要素比较能显出充分的连续性质，皆可称为线。线可分为有确定方向的直线和不具有确定方向的曲线。其中，直线又可分为几何直线和任意直线；曲线又可分为几何曲线和任意曲线。直线是点的定向轨迹，具有运动感和方向感，给人以严谨、秩序、明快的心理知觉。粗直线有厚重、强壮、钝重、粗壮、有力的感觉；细直线有敏锐的视觉感觉，同时给人以脆弱的心理感觉。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回锯齿状直线给人以不安、焦虑的心理感觉，同时也给人以跳跃、前进的视觉感受。曲线常给人以柔和、轻松、圆滑、优雅、流动的感觉。曲线的曲率不同，具有不同的动感。几何曲线的形态具有柔软圆滑、丰满愉快、理智明快的特征；抛物线有运动的速度感，双曲线有对称美和流动感；自由曲线具有奔放、丰满的感觉；C曲线简要、华丽、柔软；S曲线优雅、高贵；涡线壮丽、浑然。透过直线和曲线的间隔距离、粗细、长短、方向角度的各种变化及连接（图4-7（a））、分离（图4-7（b））、交叉与重叠（图4-7（c））等方法之组合，可以产生各种不同的构成效果。（三）面的构成设计中的面是一种图形，也是由长度和宽度构成的二维空间。外轮廓线决定面的外形，可分为直线形、曲线形和偶然形。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回直线形面又分为几何直线形和自由直线形。它具有明快、简洁、有序和理性特征。容易被人理解和记忆，制作起来较为方便。曲线形面也分为几何曲线形和自由曲线形两种类型。曲线形面比直线形面要复杂，并富于变化和动感。它所表现出来的流动性和弹性给人以无限的想象空间，使人感到有种生命活力，它具有同曲线一样的女性特征。偶然形面是在现实生活中偶然获得的一种视觉形态。平面设计领域的大部分偶然形面是通过特殊技法（如绘图软件中的特效滤镜）获得的。它表现出来的是一种自然的、无序的形态，有着丰富的象征意义。面的心理知觉简介如下。几何直线形：安定，信赖，明确，强固，井然有序之感。自由直线形：强烈，尖锐，直接，活泼。几何曲线形：简洁，明了，自由，圆润，现代性秩序之感。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回自由曲线形：柔软，优雅，大胆，不明确，富于变化。面的构成方法包括内分割、连接和重叠等几种。内分割：利用直线或曲线将整体划分成部分的构成方法，包括：（1）等分割（等量，等形）；（2）级数分割（等差，等比，调和，费勃那齐，贝鲁）；（3）比例分割（黄金，根号）；（4）自由分割（没有规则性）。连接：形的轮廓具有重复的部分，如图4-8（a）和图4-8（b）所示。重叠：透明或不透明表现法，如图4-8（c）所示。

（四）半立体构成所谓半立体构成是指以平面为基础，将其部分空间立体化，是介于平面与立体之间的形状，亦即一般所指的“浮雕”。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回半立体的主要特征表现在凹凸的层次感和光影的效果上，它足以使单调的平面产生各种不同的变化。半立体的构成方法有：压折、切割、折捻等，或多种构成方法的综合运用，如图4-9所示。（五）线立体构成线立体是以线的形态在空间构成的形体，富于穿透性的深度感、延伸感，视觉上给人以轻巧灵活的层次感和节奏感。线，是以长度为特征的造型要素，本身不具有空间表现形体的功能。但是，它可以通过线条的群聚，表现出面的效果，再运用各种面加以包围，就能形成一封闭式的空间立体造型。线材所表现的效果具有半透明的形体性质。由于线与线之间会产生一定的距离，透过这些缝隙就可以观察到各种不同层次的线群结构，这样便能表现出各线面层次的交错构成。交错所产生的效果会呈现出网格的疏密变化，具有较强的韵律感和层次感。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回线立体的构成分为单一个体构成和基本单位构成。单一个体构成指用单一的线条采取扭曲、弯曲、弯折等方法的构成，如图4-10（a）所示。基本单位构成方法是指以单一的线条为单元，采取反复、重叠、交叉、渐变等手法的构成图，如图4-10（b）和（c）所示。（六）面立体构成面，是以长和宽构成的立体造型。面材所表现出来的特征形态具有平薄和延伸感。面材的立体构成更加灵活，在二维的基础上增加一个深度空间，便可以形成空间的立体造型。在现实生活中，面材的立体构成有很广的应用范围。例如：各种建筑物，便是以各种建筑材料构造起来的面的集合；各种大型产品，如汽车、飞机、机床等都可以看成是面的立体构成。面的构成方法有：第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（1）以单位个体构成（扭曲、弯折、挖空、切割等）（图4-11（a）和图4-11（b））。（2）以基本单位构成（反复、重叠、渐层等）（图4-11（c））。（七）块立体构成块立体乃是表面完全封闭的立体，占有独立的空间，给人以厚实和稳重的感受，其内部空间则可分为实心与空心两种，是介于二次元与三次元之间的形态。块立体构成的方法有：（1）以单位个体构成（雕－消减法、塑－添加法）（图4-12（a））。（2）以基本单位构成（反复、重叠、渐层、组合等）（图4-12（b）和图4-12（c））。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（八）线面块综合构成现实中的形态大多是线、面、块等形态要素的综合构成。在构造复杂的形体时，应把握以块要素为主体，以面修饰体，以线修饰面的原则。具体应考虑到以下方面。（1）块的大小以及整体的分割、布局。（2）面相对块体的面积以及比例位置。（3）线条对于面的装饰要素，包括线条的长短、粗细、位置等（图4-13）。（九）动立体构成动立体构成是一种按平衡原则创作的活动构成，以线、面、块为基本要素，加上空间的分割以及微弱的空气振动使整个构成发生运动，如图4-14所示，实为一种空间艺术，开拓了活动构成的新境界。动立体构成多以线或铁丝将各个构成要素连接起来，寻找平衡点将整个构成定位在一个以平衡点为轴心的活动的区域。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回四、形态构造的CAID方法（一）点的设计CAID中的点一般不具有实体意义，多数是为造型提供辅助功能，如圆心、矩形的角点、自由曲线的控制点等。点的造型分为两种：直接建立一个点和从已有的形体上抽取特征点。1.点的直接建立点的直接建立方法比较简单，只要输入所需建立的点的坐标即可。坐标的输入方式有数字输入和鼠标屏幕点取两种，多数二维和三维设计软件都提供了这两种输入方式。2.特征点的抽取特征点是形态上具有几何意义或数学意义的点，如球体的球心、两条直线的交点、自由曲线的控制点等。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回特征点的抽取一般是利用造型软件提供的操作命令来实现的。图4-15显示了自由曲线和它的控制点，这些控制点的位置可以影响曲线的形态。四、形态构造的CAID方法（一）点的设计CAID中的点一般不具有实体意义，多数是为造型提供辅助功能，如圆心、矩形的角点、自由曲线的控制点等。点的造型分为两种：直接建立一个点和从已有的形体上抽取特征点。1.点的直接建立点的直接建立方法比较简单，只要输入所需建立的点的坐标即可。坐标的输入方式有数字输入和鼠标屏幕点取两种，多数二维和三维设计软件都提供了这两种输入方式。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回2.特征点的抽取特征点是形态上具有几何意义或数学意义的点，如球体的球心、两条直线的交点、自由曲线的控制点等。特征点的抽取一般是利用造型软件提供的操作命令来实现的。图4-15显示了自由曲线和它的控制点，这些控制点的位置可以影响曲线的形态。图4-16显示了一个椭球面的控制点，这些控制点是定义椭球面形状的关键点。（二）线的设计CAID中的线大致可分为3类：直线、函数曲线和自由曲线。1.直线CAID中的直线是通过两个端点来定义的。多数设计软件都有画直线与折线的工具，配合一些特定的键还可画出特定方向的直线，如水平、垂直或成45°斜角。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回2.函数曲线函数曲线是指可以用函数表达式生成的曲线，如y=-x2+2x+4，y=1/x等。图4-17是一段空间螺旋曲线，它是通过简单的函数关系生成的。3.自由曲线CAID中的自由曲线一般都是样条曲线。对于样条这一概念，可以通过绘图员所使用的一种工具加以理解：他们经常使用一把可以弯曲的木尺，以指定坐标点为控制点弯曲成曲线，作为绘图的模板。从这一示例中可以看到，在CAID系统中可以采用样条曲线描述设计对象的曲线特征，事实上在工业领域中样条曲线很早就被应用到船体放样的工作当中。利用软件建立样条曲线通常是给定一系列点，然后让软件自动生成一条通过这些点的光滑曲线或由这些点控制生成一条光滑曲线，这些点的位置就决定了曲线的形状。图4-18是一条由5个点生成的样条曲线。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（三）面的设计现代工业产品的外表面有不少呈曲面形状，有的是简单的球面或圆柱面，用少数几个视图或公式就可表达清楚，如碗、灯柱等；有的形状比较复杂，但尚有规律可循，如花瓶、鼠标等；有的则是完全自由形状，无法用投影视图描述清楚，如雕塑、工艺品等。对每一类曲面，CAID造型系统都有相应的造型方法，有些形体的造型方法还不止一种。正确地对曲面形体进行分析归类并选择合适的造型工具，可以大大提高造型效率，缩减文件尺寸，方便加工。1.曲面的种类与生成方式CAID系统与CAD造型系统类似，曲面有基本曲面、运动曲面、自由曲面和衍生曲面4种。（1）基本曲面。基本曲面是指可以用初等方程来表达的曲面，包括球面、圆锥面、圆柱面和圆环面，如图4-19所示。基本曲面的形状一般由1～3个参数就可以完全控制。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（2）运动曲面。运动曲面是指数学上易于描述，但多数需要使用参数方程的曲面，一般包括拉伸曲面、旋转曲面、直纹面、扫略面等，这类曲面的特点是可以由线的简单运动轨迹得到。拉伸曲面是直线或曲线按指定方向以一定角度运动的轨迹，拉伸曲面可以是单面、环面，甚至是自交曲面。如图4-20所示。旋转曲面是直线或曲线绕指定轴线旋转得到的曲面。旋转曲面可以是封闭的或敞开的，依旋转角度不同而异。如图4-21所示。直纹面是由两条线和连接两条线上相应点的一组直线组成的。实际上拉伸曲面也是一种直纹面。生成直纹面的两条线可以是直线、圆弧、圆或样条曲线等。如图4-22所示。扫略面是一条曲线沿着某一路径连续运动的轨迹。工程造型设计中，圆管是一种最常见的扫略曲面，它是由一个封闭的圆沿着管路移动产生的。如图4-23所示。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（3）自由曲面。自由曲面是指形状复杂、不规则，无法用数学方程表示，有的甚至无法用有限标准视图可以描述清楚的表面。除了雕塑、工业品等艺术造型外，工程零件上也有不少可划归为自由曲面的曲面，如模拟人手形状的仿生鼠标外形曲面、汽车车体外形曲面、机翼曲面等。有些曲面如涡轮和螺旋桨表面，虽然可以用方程来表示，但造型方法过于复杂，习惯上也划归为自由曲面，由自由曲面特殊的造型方法来统一造型。自由曲面的造型方法经过多年的研究，已经有了很大的进展，但至今仍有许多悬而未决的疑难问题。自由曲面一般分为U向曲面和UV双向曲面两类。如图4-24和图4-25所示。U向曲面也称为放样曲面，是根据造型面的特征，按顺序先安排一组与造型面大致相似的曲线，然后把一张曲面“蒙”在这组曲线上，如此，蒙在曲线上的曲面的形状便与造型面相似。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回作为骨架的曲线选得越多，曲面就与所需形状越接近，但曲面也就越复杂，文件也越大。UV双向曲面又称网格曲面，它是由两组交叉的曲线组成骨架网格，然后把曲面“蒙”在骨架上以产生与所需形状类似的曲面，曲面的精确程度取决于骨架曲线。U和V为曲面坐标系中的两轴，类似于直角坐标系的X轴与Y轴。如此定义曲面可以方便地把直角坐标系中的曲线或图像按一定规则映射到自由曲面上去。U向曲面和UV双向曲面中的“骨架”曲线可以是直线、圆弧、圆、样条曲线或其他参数曲线。（4）衍生曲面。衍生曲面是指由已经建立的曲面派生而来的曲面，一般有倒圆角曲面、融接曲面和等距面等。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回倒圆角曲面一般是在两个平面或基本曲面的相接处产生的圆滑过渡面，圆角的半径可以根据需要选择，特殊情况下也可以采用变半径倒圆角。倒圆角曲面是机械产品设计中最常用的一种曲面形式，因为多数机械零件中都有圆角。大多数三维造型系统中都有产生倒圆角面的命令。如图4-26所示。融接曲面是在多个（一般为2～4个）相邻曲面之间产生的光滑过渡的曲面。融接曲面常用于有机形体的造型，当主要部分的造型完成后，用融接曲面来填补次要的空隙以产生完整光滑的整体效果。如图4-27所示。等距面是将已知曲面沿其法向移动一定距离得到的曲面。曲面造型方法主要有编辑、加工和切割实体等。2.曲面的编辑曲面和体素一样，在造型的过程中也是需要不断地调整才能满足要求。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回不同的是，除了编辑体素的比例、错切等简单操作外，曲面还有一些特殊的编辑操作方式来产生更加细微的变化。对于基本曲面的编辑，如果要求编辑后的曲面仍为基本曲面，则可以采用修改生成基本曲面的方程参数的方法来实现。如球面只有一个半径参数，调整此参数可以修改球面的半径；圆柱面有底圆半径和高度两个参数，分别修改两个参数可以得到不同尺寸的圆柱面。运动曲面多数是由线的简单运动生成的，原则上可以通过编辑母线或修改运动方式来调整曲面形状，但在多数非参数化造型软件中，不允许曲面生成后编辑母线或修改运动方式，运动曲面的编辑无异于重建，因此，要注意规划。如果基本曲面和运动曲面的编辑修改不要求保持原来的性质，如圆柱面侧面开窗、球面上产生突起或更复杂的自由变形，则只能将其视为自由曲面，用NURBS方法进行局部调整。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回NURBS（非均匀有理B样条）是Non-UniformRationalB-Splines的缩写，是自由曲面造型的重要方法，有关理论可以参考相关书目，这里仅介绍其特点及其应用方式。NURBS是一种高级曲面编辑工具，它用有限阶有理方程的形式统一了各种曲面（包括平面），并可以任意细化曲面的局部，使曲面的调整更加便利。NURBS的基本思想是：将曲线或曲面与相应的控制直线段或控制网格联系起来，这些控制直线段或控制网格的形状与相应的曲线或曲面大致类似，因此可以通过调整控制直线段或控制网格上有限节点的位置来使节点附近的曲线或曲面发生变化，达到曲线或曲面局部调整的目的。以曲线为例，图4-28为一曲线和它的控制直线段，图中空心圆圈为节点，调整节点的位置可以使节点附近的曲线发生局部变化，离节点越近，受节点影响就越大。节点就如同一个引力场中心，离节点越近，引力越大，吸引着曲线向它靠近。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回为了对曲线进行更精确的调整，可以增加节点的数目。节点数目越多，曲线段的形状就越接近曲线的形状，调整就越精确，当然，文件也就越大。建立曲线时，可以先选取几个与所需形状大致接近的点，连点成线段，然后根据线段生成曲线，再调整点的位置对曲线形状进行修改。曲线的控制线段可以是平面的，也可以是立体的。也可以先用其他方法生成曲线，然后转化成NURBS曲线，这样，曲线的形状不会改变，而表达方式则变成了NURBS方程，控制线段也会由NURBS方程自动给出，之后就可以随意增加与删除节点或调整曲线了。NURBS曲面与NURBS曲线类似，只是NURBS曲面是由一张网格来控制的。NURBS控制网格为一张节点数为M×N的网格，或称为M行N列网格。移动节点可以使附近的曲面发生局部变化。为了增加调整精度，可以增加节点，但只能按行或按列增加，不能任意增加，以保证控制网格为M×N网格。原则上任意曲面都可以转化为NURBS曲面，不少造型软件都提供了这种功能，只是文件的大小会成倍增加，因此，不到必要时刻一般不要使用NURBS曲面功能。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回图4-29为由同一控制网格的不同位置变化生成的一系列形状不同的NURBS曲面。由基本曲面、运动曲面或自由曲面生成的造型虽然可以在很大程度上满足造型的需要，但是对一些特殊的形状还需要进一步加工才能得到满意的效果。例如在一个圆柱面的侧面开一个洞，这样的“怪异”曲面虽然也可以用NURBS曲面的方式得到，但是太复杂。因此，在许多三维造型系统中提供了曲面的加工功能，这种加工是在已生成曲面的基础上的进一步造型，主要有切割、拼接、延展、自由雕塑等。切割是在已有曲面上进行裁剪。曲面的切割有两种方式，一种是曲面与实体进行布尔运算，使曲面分成两部分而取其一；另一种是利用曲面上的线对曲面进行裁剪。工业产品大都具有实体形状，曲面只是实体的外表面。而且造型后续的加工过程也需要造型的实体信息而不仅仅是表面，因此在曲面造型完成后还要产生实体模型。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回目前从表面模型产生实体模型的方法主要是实体切割法。例如，图4-30为一个长方实体被曲面切割后得到的一个包含曲面形状的实体。（四）体的设计CAID中体的设计方法可以分为两类：一类是体素造型法，另一类是曲面造型法。体素是计算机造型系统内预先定义好的一些标准形体元素，利用这些体素，经过变形、组合、布尔运算等基本操作可以得到复杂的形体。由于体素多数都是形态简单的规则形体，因此体素造型法多用来塑造外形为平面或简单曲面的人造形态。在多数计算机造型系统中，体素的种类是类似的，一般分为平面体与曲面体两大类。其中平面体包括立方体、楔状体、棱柱体、棱锥体等，曲面体包括球体、圆锥体、圆柱体、圆环体等。如图4-31所示。大批量生产的工业产品由于其形态多数为规则的几何形体，因此更适合于使用体素造型法来产生。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回基本体素的造型法则主要有变形和组合两种以及两种的综合运用。变形法则主要有比例、伸缩、错切等。多数三维造型系统都带有这些变形操作命令。更为复杂的变形方式需要用到自由曲面造型。组合法则主要有并置（包括函数阵列）、融合、贯穿、凹凸等。组合法则一般是通过布尔运算来实现的。变形和组合两种法则综合运用可以产生多种人造形态。图4-32（a）为只使用一种圆柱体素构造的机床法兰盘，4-32（b）为使用长方体、圆柱体和楔状体（edge）体素的机床刀架座。各种体素通过布尔运算可以产生人造物品中的大部分规则形态。曲面造型法生成体的原理和曲面造型基本一样，不同的是生成的曲面是封闭的。事实上，多数3D造型系统中的体就是通过封闭曲面构成的。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（五）复杂形态的设计复杂形态的设计需要点、线、面、体的多种造型方法的不同组合实现，针对不同造型对象、具体情况来选择组合造型方法。下面以一个汽车轮毂的造型（图4-33）为例阐明复杂形态的设计方法。如图4-33所示，这个轮毂由众多的曲面组成。这些曲面可分为4种：（1）边缘与中心部分；（2）顶面；（3）内腔；（4）连接部分。分析零件各部分可以看出：边缘与中心部分为轴对称的回转形状，可以用旋转曲面来构造；顶面为一个微向外鼓起的对称面，也可以用旋转曲面构造，但轮毂内腔在此面上开了5个孔，需要对顶面进行裁剪；第一节形态设计基础知识上一页下一页返回内腔底部为一完整旋转曲面的一部分，也可以用构造顶面的方法来产生然后进行裁剪；内腔侧面为自由曲面，可以用放样法构造；连接部分为上述3种曲面之间的光滑过渡，做好连接曲面，再用连接曲面的边缘对顶面和底面进行裁剪，也可以先造好裁剪曲面之后再根据具体情况选择连接曲面的构造方式。轮毂的5个内腔形状是相同的，因此，只要造好一个，再进行圆周阵列复制即可。经分析之后，可以大致确定造型流程：构造一个1/5轮毂，然后旋转复制其他4份。在这个1/5轮毂的造型构造中：（1）使用旋转曲面做好不需要裁剪的边缘与中心部分；（2）构造顶面与轮毂内腔底部这两个需要裁剪的曲面，也采用旋转曲面方式；（3）在顶面与内腔底部之间用自由曲面构造内腔侧面；第一节形态设计基础知识上一页下一页返回（4）构造内腔侧面曲面与其他曲面之间的光滑连接曲面；（5）用连接曲面的边缘线裁剪顶面和底面。图4-34为边缘部分、中心部分、顶面和内腔底面的旋转截面线，由于它们的对称轴相同，因此用共同的截面线来表达，这样还可以保证面与面之间的无缝连接，这是由截面线的连续性来保证的。图4-35为旋转后的曲面，由于只需做1/5个轮毂，所以只旋转72°即可。内腔侧面为一环状面，可以用扫略曲面来构造，图4-36为扫略面的母线与路径，图4-37为生成后的扫略面。内腔侧面与顶面和内腔底面的连接采用圆角曲面的形式，产生侧面与顶面和底面之间的光滑过渡曲面，如图4-38与图4-39所示。为了避免场景过于混乱，需关闭与本阶段工作无关的其他图形。最后，利用过渡曲面的边缘对顶面和底面进行裁剪，如图4-40所示。第一节形态设计基础知识上一页下一页返回使已经造好的部分全部可见，这个1/5轮毂已经基本成型，如图4-41所示。把已经成型的1/5轮毂进行旋转阵列复制4份，就可以得到整个轮毂，如图4-42所示。第一节形态设计基础知识上一页返回产品形态作为传递产品信息的第一要素，它能使产品内在的组织、结构、内涵等本质因素上升为外在表象因素，并通过视觉而使人产生一种生理和心理的变化过程。产品形态是信息的载体，设计师通常利用特有的造型语言，遵循一定的条例化理论导则，进行产品的形态设计，利用产品的特有形态向外界传达出设计师的思想和理念。以下分别就形态设计总导则以及产品形态设计、视觉传达设计、环境的形态设计分导则加以介绍。一、形态设计总导则（1）根据“天人合一”理念，形态设计应以人的生理及心理需求为尺度，科学应用人机学的参数和要求，遵循心理学基本准则。（2）坚持功能论，形态服从功能（物质及精神）需求，合理地应用抽象形态，“少就是多”。（3）优选科技原理，减少动力能源消耗。第二节形态设计导则下一页返回（4）协调结构关系，简化组织结构。（5）合理选用制造工艺（技术）。（6）活用人为形态构成原理，发掘形态构成要素的形式知觉特性，巧妙地进行线、面和体的分割与组成，构成美的新形态。（7）矫正错觉，设计新形态。（8）用自然形态机理，创造新形态。（9）用形态的遗传与变异法则。（10）按形式美法则，赋予形态艺术性。（11）应用形态美学理论与方法做形态设计。（12）满足目标市场需求。（13）尊重用户的文化传统、宗教与民俗，不犯忌。（14）符合积极的时代潮流。第二节形态设计导则上一页下一页返回（15）坚持创新，构建奇形怪状，合乎真善原则，继承与创新相统一。（16）绿色设计，保护人和环境。（17）协调与色彩、装饰及环境等的关系。（18）坚持美与用、感性与理性、形态与功能对立统一的设计学原理，创造真善美合一的新形态。（19）执行相关设计标准及法规。（20）应用相应评价标准做适时、阶段和总结评价，及时修改设计。（21）按优选的对应设计流程作设计，提高设计质量和效率。二、形态设计分导则（一）产品形态设计导则（1）应用三维造型理论、方法和工具。第二节形态设计导则上一页下一页返回（2）遵循“三化”（标准化、通用化和系列化）设计原则。（3）采用模块化设计技术。（4）多用抽象几何形，使造型简约、实用和经济。（5）合理地做“一次性”设计。（6）正确地处理形态与相关因素，如色彩、质感、人机、表现法，乃至评价的呼应关系。（二）视觉传达设计导则（1）主要采用平面设计方法和准则。（2）以个人智慧为主。（3）设计应注意：视觉性、交叉性、系统性、公益性及环境的和谐性等。（4）科学地应用CAID方法。（5）执行绿色设计、杜绝污染，保护人及环境。第二节形态设计导则上一页下一页返回（6）使设计可制造、可维护、可靠、安全、卫生、经济。（7）广告、标志、包装、CI和网页等设计都要具备合适性、功能独创性、创造力、能动价值、同一性、发展力、宜人性、艺术性、工艺性、绿色性和经济性等个性。（三）环境设计导则（1）城区设施系统、配景和小品等的形态设计，要分清相关性和主辅性，使整体具有艺术性，界面友好，整体和谐。（2）复杂多层次的结构，多采用钢结构，加细部处理。（3）可适度采用弧线和曲面造型。（4）选用科学的设计方法和设计流程，采用构图法、立体模型、计算机虚拟模拟和仿真，乃至动漫法等。（5）空间布局要科学化、公益化、适用化、艺术化、系统化、时代化和绿色化等。第二节形态设计导则上一页下一页返回（6）室内外装饰性展示设计要多样性、艺术性、工程性、文化性和和谐性。（7）巧用照明设计手法，节约能源和材料，减少光（色）污染。（8）正确应用环境工程学、人体工程学和环境艺术等理论和方法。（9）积极发掘、应用中华优秀传统文化、方法，如园林艺术手法等。（10）特别注意无形、非物质空间形态设计的探索。第二节形态设计导则上一页返回根据设计对象的复杂程度、新度和开发方式不同，形态设计流程会有所不同。一般在经过市场调查后提出设计对象的需求，包括其定位、消费者需求等相关信息；得到设计对象输入之后，组织人员进行研究，从事设计对象构思，做平面效果方案，进而开展方案斟选，确定方案；接下来根据需求确定是否做三维效果图，同时与结构设计人员等进行沟通，确保设计方案可行。以下分别对产品形态设计流程、视觉传达设计流程以及环境设计流程加以介绍。一、产品形态设计流程结合国内比较先进的工业设计公司采用的设计流程，进一步明确计算机辅助产品形态设计的流程，如图4-43所示。

1.明确设计内容了解客户的设计要求，全面掌握要设计的内容，明确设计目标。2.确定产品主要内部模块第三节形态设计流程下一页返回根据客户提供的样品或产品模型，分析产品的功能原理及结构特征，确定产品的限制条件和设计重点。3.产品市场调研设计调研是设计师设计展开的必备步骤，工业设计师必须了解产品的销售状况、所处生命周期的阶段、产品的竞争者的状况、使用者和销售商对产品的意见。这些都是设计定位和设计创造的依据。如对于指纹锁这类产品，设计难度主要集中于外观的悦目性和形态定位的准确性以及如何缩短设计周期等。4.与客户议定产品粗略结构在对产品的概念进行定位后，与客户议定产品的粗略结构布局，分析技术的可行性、成本预算和商业运作的可行性。了解客户对产品的基本构思。第三节形态设计流程上一页下一页返回5.构思产品草图构思草图阶段的工作将决定产品设计70%的成本和产品设计的效果，所以这一阶段是整个产品设计过程中最为重要的阶段。通过思考形成创意，并加以快速的记录。这一设计初期阶段的想法常表现为一种即时闪现的灵感，缺少精确尺寸信息和几何信息。基于设计人员的构思，通过草图勾画方式记录，绘制各种形态或者标注记录下设计信息，确定3～4个方向，再由设计师进行深入设计。6.完成产品平面效果图2D效果图将草图中模糊的设计结果确定化、精确化，这个过程可以通过CAD软件来完成。通过这个环节生成精确的产品外观平面设计图，即可以清晰地向客户展示产品的尺寸和大致的体量感，表达产品的材质和光影关系，是设计草图后的更加直观和完善的表达。第三节形态设计流程上一页下一页返回7.产品3D设计图三维建模即用3D的语言来描述产品形态和结构的过程，它的最大优点是设计的直观性和真实性，在三维的空间内多角度地观察调整产品的形态，可以省去原来的部分样机的试制过程，可以更为精确直观地构思出产品的结构，从而更具体地表达产品构思，提高产品设计质量。3D图有精确的形态比例关系和精致的细节设计，可以直观地用于与客户的沟通交流。8.多角度效果图多角度效果图，给人以更为直观的方式，从多个视觉角度去感受产品的空间体量，全面地评估产品设计，减少设计的不确定性。9.制作手板模型完成产品设计图纸以后，最想知道的便是自己设计的东西做成实物是什么样，外观和自己的设计思想是否吻合，第三节形态设计流程上一页下一页返回结构设计是否合理等。手板制造便是迎合这种需求而生成的。通俗点讲，手板就是在没有开模具的前提下，根据产品外观图纸和结构图纸先做出的一个或几个用来检查外观或结构合理性的功能样板。二、视觉传达设计流程视觉传达设计的过程是有计划、有步骤的渐进式不断完善的过程，设计的成功与否很大程度上取决于理念是否准确以及考虑是否完善。图4-44为视觉传达设计流程图。1.明确设计内容在对背景、市场调查、行业调查、定位、表现手法等内容进行有目的和完整的调查的基础上，进一步明确设计内容，分为主题和具体内容两部分，这是设计师在进行设计前的基本材料。2.创意构思创意构思是设计的第一步，在设计中思路比一切更重要。根据前期沟通获得的信息，基于设计人员的构思，第三节形态设计流程上一页下一页返回分析得出设计稿的定位，通过草图勾画方式记录，绘制各种形态或者标注记录下设计信息，确定3～4个方向以及方案的基调、风格等内容，再由设计师进行深入设计。3.整体方案设计根据创意构思阶段确定的设计方向，按照视觉传达设计（字体设计、标志设计、插图设计、编排设计、包装设计、展示设计等）相应的原则方法以及应包含的设计内容，完成完整的设计方案，并进行方案评价。4.设计方案确认在方案评价所提出的修改意见的基础上，修改设计方案，并进行方案确认。三、环境设计流程结合目前环境设计的实际工作情况，对环境设计的一般过程或一般程序进行总结，其流程如图4-45所示。第三节形态设计流程上一页下一页返回1.确定设计任务书确定需进行环境设计的任务，或更直接地说，就是明确工作任务。一般应做下述工作。（1）了解基本情况。应收集与环境设计任务相关的平面图、立面图、剖面图和设计说明书。如上述资料无法收集，则需采用测绘的方法予以补救。（2）了解设计意图与要求。了解其对各个空间的具体的使用要求，及其要求进行环境设计的意图和预期的效果。但是，所要获取的不是其要求设计方做什么，而是其需要设计方做什么。换句话说，设计方要得到的不是一些具体的规定，而应是一些心理方面的要求和限制。在这里，不顾设计委托方的需求而自行其是的做法或一味听从甲方要求的做法都是不妥的。正确的做法是，将其潜在的心理需求通过设计师的创造性劳动来得以实现。第三节形