《计算机辅助工业设计》-第3章

一、系统概念计算机辅助工业设计是一门学科、一种方法、一项技术，计算机辅助工业设计系统（ComputerAidedIndustrialDesignSystem，CAIDS）是实现这一方法、技术的物质基础。一般情况下，一个CAID系统的工作包括输入、处理、输出3部分。完成这样一个从输入到输出的CAID的全过程所需要的所有要素的总和构成了CAID系统，它包括硬件系统、软件系统和操作者。二、系统分类CAID系统由硬件系统、软件系统和设计师（操作者）这3方面构成，如图3-1所示。在系统构成中，操作者处于系统的核心位置，他通过操作系统构成中的软硬件来完成系统任务。如果没有操作者，系统的其他组成成分仅仅是一些死的仪器、设备和无意义的程序而已，而操作者才是整个系统的灵魂。第一节系统基础知识下一页返回对于本书特定的CAID系统而言，操作者即是设计师。设计师不仅操作、使用系统的软硬件，而且更为重要的是起到创意、设计的作用，其地位和作用更显突出。所以说设计师在这个CAID系统中的作用十分重要。除了熟悉系统硬件、会熟练使用相应的软件之外，设计师的设计水平至关重要。试想，同样的一个软件，同样的硬件配置，甚至配置更高，但是对于不懂设计的人来说，只能是简单地、机械地建模、填色、渲染，相比设计师的形态设计、色彩设计、人机分析、排版布局来说要低级得多。这就是要强调设计师的主观创意水平的原因。设计师的能力固然重要，但不是本书所要阐述的内容。本章主要是介绍软硬件系统。（一）硬件系统分类硬件这个词通常是指计算机系统中的物理设备，CAID硬件系统是指完成计算机辅助工业设计所需的机器设备等的总称，它们是计算机的物质基础，包括计算机及其外围设备，见表3-1。第一节系统基础知识上一页下一页返回计算机主机：是CAIDS的核心设备，具有控制、运算、存储等功能。输入设备：常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、手写板、数码相机、摄像机等。输出设备：常用的输出设备有显示器、打印机、投影仪、光盘刻录机、印刷设备等。由于最终方案的输出往往包括将数据输出到快速成型机、数控机床等，制造出实体模型等，因此，除了计算机系统以外，还应配备必要的测量、加工的硬件设备，这些包括三坐标测量仪、快速成型设备、小型数控机床、自由雕刻机等。实践证明，硬件配置越高，CAID系统的功能就越强。（二）软件系统分类软件系统分为系统软件和应用软件，操作系统是系统软件中最为重要的软件。系统软件主要是指应用于计算机本身的软件；第一节系统基础知识上一页下一页返回应用软件是指针对不同的用户需求，软件开发商开发的功能不同的应用型软件。这里所说的CAID的软件系统主要是指应用软件系统。由于工业设计包含了许多的设计领域（产品设计、视觉传达、环境设计），而产品设计又包括形态设计、色彩设计、人机设计、装饰设计、环境设计、设计评价、设计管理等诸多方面，单一软件往往很难（市售软件也没有）全面覆盖这些内容。大多都是某一软件只具备其中的几项功能，需要多种软件综合使用才能完成全部设计工作，所以说，目前市场上的软件（多为CAD软件）只能称为“准CAID应用软件”。二维软件方面，图形绘制软件CorelDraw和图像处理软件Photoshop具有相当大的市场优势，成为了目前中国市场上最常用的平面软件。加上矢量动画软件，从而可以完成绝大部分的平面设计工作。三维软件方面，目前市场上的准CAID应用软件主要可以分为3类，一类是以产品效果图的生成与显示为主要目的的软件，如3dsmax，Rhino，Maya等软件；第一节系统基础知识上一页下一页返回一类是传统的CAD软件中提供的工业设计模块，如Pro/Designer，UG，Alias等商用软件；第三类是一些相关专业软件，如渲染软件、人体建模软件、第三方插件等。从工业设计的角度来看，三类软件都不完全适合工业设计师使用。第一类软件注重产品的美学特征表现，但是这些软件没有严格的尺寸与结构定义，其设计结果很难与工程软件结合，使得设计方案只能用来展示，不能与生产加工的数据共享；第二类软件注重产品的功能、结构以及加工特性的设计，不能辅助设计师初期的创意设计及美学效果的表现；而第三类软件仅能完成某些特定的功能，难以独立辅助完成设计全过程。按照应用软件系统的不同功能，可将准CAID应用软件分类如下。1.二维软件这类软件主要用于在二维空间内对计算机图形、图像进行设计、编辑、修改。展示给用户的也是平面的图片，它们不能提供三维的模型。第一节系统基础知识上一页下一页返回这些软件大多用于视觉传达设计领域，制作标志、名片、招贴、版面、效果图、片头、网页、二维动画等。用在产品设计领域时，大多是对设计好的效果图进行加工处理，使其更加完善。近来，也有许多设计者习惯用二维软件（CorelDRAW，Photoshop等）绘制产品设计效果图，通过使用二维软件，可以快速、逼真地展现设计方案。但是由于是二维图片，所以不能提供多角度视图。常用的二维设计软件如下。（1）图形绘制软件（如CorelDRAW，Freehand，Illustrator等）；（2）图像处理软件（如Photoshop，PhotoImpact等）；（3）矢量动画软件（如Flash）；（4）网页设计软件（如Dreamweaver，Fireworks，Frontpage等）；第一节系统基础知识上一页下一页返回（5）桌面排版软件（如Pagemaker，QuarkXPress等）；（6）多媒体制作软件（如Authorware，Director等）。2.三维软件三维软件主要包括建模、渲染、动画等类软件。这些软件可以在三维空间内建立、编辑计算机三维模型，可以将设计方案图渲染成产品效果图，可以制作三维动画。在这些软件中，有些适合初级的计算机建模，其作品用于展示、动画、模拟、影视、娱乐等，视觉效果比较好，但是不适合工程应用，如3dsmax，Rhino，Maya等，我们可称其为三维造型软件。另外一些软件，则适合于工程的应用（即常说的CAD软件），它们有良好的工程背景，有些就是直接出自于产品（汽车、飞机等）的生产制造商。这些软件，在产品的结构、材料、加工、成型、强度、装配、检测等方面有很好的辅助作用。而缺少在概念设计、创新设计、造型艺术、快速效果展示等方面的功能，如AutoCAD等，通常称为CAD软件。第一节系统基础知识上一页下一页返回常用的三维软件见表3-2。3.其他软件还有一些软件，它们不能应用于工业设计的全过程，只是在某些特殊方面（手绘、人体建模、渲染、动画等）提供辅助功能，而有些则是作为插件在某个软件中使用。这类软件主要介绍如下。（1）市场调研软件（SPSS）；（2）手绘工具（Painter）；（3）渲染软件（如Lightscape，Renderman，MentalRay，Gelato，Cinema4D等）；（4）人体建模软件（如Poser等）；（5）特殊动画软件Cool3D；（6）第三方插件：第一节系统基础知识上一页下一页返回①渲染插件（V-RAY，Flamingo，FinalRender，Brazil，DreamScape等），②建模插件，③粒子插件（毛发、水、风、树、草等）。三、CAID硬件系统CAID系统是以计算机设备为平台的，并且这里所说的计算机特指微型计算机（微机），通用的微机设备的知识不是本节所要讲述的内容，本节只介绍对CAID影响较大的硬件设备的特点。按照信息的输入、输出，硬件设备可分为输入设备和输出设备。

（一）输入设备通用的输入设备包括键盘、鼠标、光驱、软驱、移动式存储器、视频捕捉卡、操纵杆、扫描仪、触摸屏、话筒、光笔、数码相机、网线等。现摘其要者，简介如下。第一节系统基础知识上一页下一页返回1.扫描仪扫描仪可以设置成不同的分辨率以捕获彩色或黑白图像。滚筒式激光扫描仪的分辨率可达每英寸2000个像素，滚筒扫描仪主要用于大幅面的工程图纸的输入。平板扫描仪可以以每英寸1200点以上的分辨率扫描图片，主要用于视频或桌面媒体产品的图像获取。2.数码照（摄）相机（DigitalCamera）数码照相机能通过高感光度半导体材料，将图像转化为数据，再通过内部芯片将图像数据转换成相机内部存储格式，保存在内部的存储器中。3.光笔光笔是一种能检测出光的仪器，它与键盘、显示器配合，可完成图形的输入。其外形像一支笔，笔尖处有一圆孔，使用时将笔尖对准屏幕上的某一点，按下光笔上的开关，屏幕上的光通过圆孔进入光笔。第一节系统基础知识上一页下一页返回光笔将光信号转换成一个脉冲电信号输入计算机，经过计算这个脉冲信号，即可获得光笔尖所指的点的坐标。4.触摸屏触摸屏又称接触控制板（TouchPanel），是将透明的控制板安装在CRT的表面上，它通过触摸来处理图像。当用户手指触及屏幕时，所触及的位置就被检测到了。如今，触摸屏以其色彩亮丽的画面，丰富的多媒体表现形式，简便的使用操作，被广泛地应用于形象展示、业务咨询、信息查询等各个领域。5.三维模型数字化仪三维模型数字化仪又称三维扫描仪或三维数字化仪，是一种先进的三维模型建立设备，该设备利用CCD成像、激光扫描等手段实现物体模型的取样，同时通过配套的矢量化软件对三维模型数据进行数字化，从而实现计算机系统对数字模型的控制，特别适用于建立一些不规则三维物体模型的工作，第一节系统基础知识上一页下一页返回在医疗、动植物研究、文物保护等应用领域有广阔的应用前景。图3-2显示了一个使用中的三维数字化仪。（二）输出设备通用输出设备包括显示器、打印机等。现摘其要者，简述如下。

1.显示器显示器主要有阴极射线管显示器（随机扫描式、光栅扫描式）、存储管式显示器、液晶显示器以及等离子显示器等。本书仅对应用较广泛的阴极射线管显示器和液晶显示器加以介绍。（1）阴极射线管（Cathode-raytube，CRT）显示器。如图3-3所示，阴极射线管由阴极、控制栅、聚焦系统、加速系统、偏转系统、屏幕等几部分组成。电流通过阴极的灯丝对其加热，使其产生热量以发射出电子束，电子束打在荧光屏上，由于荧光屏上涂有光粉，电子束打在上面，荧光粉就会发光而形成光点。第一节系统基础知识上一页下一页返回彩色CRT的每个栅格显示单元为呈三角形的一组3个荧光点，这种类型的CRT有3个电子枪，分别与三基色相对应，每个枪发射的电子束必须打到对应颜色的栅格上，可根据混合色所需的各种成分，以不同的强度激发红、绿、蓝3个荧光点，在三元组合上产生范围很宽的色彩等级，因而能产生多达几百万种颜色。阴极射线管（CRT）式显示器亮度高、色彩能力好、刷新频率高、价格低，缺点是体积大、质量大。对图形显示要求高的用户以及考虑经济性的用户而言，最好选择CRT式显示器。（2）液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）。液晶显示器一般由6层组成，形成薄板，其中，液晶层约0.0005英寸。前后两层偏振片相互垂直，相交90°。液晶材料由长晶体分子组成，通常呈螺旋形，通过它的偏振光被旋转了90°。由此，外界光可以通过两层偏振光并反射进入人眼，形成亮点。通电以后，极化现象消失，分子呈同一方向，外界光不能射入并反射出，形成暗点。第一节系统基础知识上一页下一页返回图3-4显示了液晶显示器的工作原理。为了不限于从外界束光，产生了背投式液晶显示器、激活板等，通过改变光源的颜色，可以产生彩色显示。用一个单独的电路控制一个单独的液晶片，从而形成了显示丰富色彩的显示器。液晶显示器（LCD）的优点是：轻便、体积小、功耗低。对图形显示要求不太高的用户而言，是一个不错的选择。

阴极射线管（Cathode-raytube，CRT）显示器与液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）是目前计算机显示设备的主流，它们的性能比较见表3-3。2.打印机打印机是文本、图形、图像数据的主要输出装置。其分类如下。第一节系统基础知识上一页下一页返回除了上述分类方式，还可分为点阵式（针式打印机、喷墨式打印机）与非点阵式（活字式打印机、激光式打印机、热敏式打印机）。目前，针式打印机主要应用于简单文本、报表、凭证等的打印；而在CAID领域最常用的主要是激光打印机与喷墨打印机两种。（1）针式打印机。针式打印是由若干根打印针印出M（纵）×N（横）个点阵组成的字符图形。打印时，装有印字机构的打印头从左向右移动，每移动一步，被选中的电磁铁驱动对应的打印针向前运动，撞击色带在纸上打印出一系列点，这些点矩阵组成一个字符图形。第一节系统基础知识上一页下一页返回针式打印机结构简单、易于维护、成本低，而且可以连续打印输出和多联（复写）输出。但其不足之处在于，打印噪声大、速度低、分辨率不高。（2）激光打印机。充电极放电获得一定的电位，曝光后，表面形成静电潜像。经过显影器，潜像就变成了可见的墨粉像。在转印区，由于电场的作用，墨粉像将转印到纸上，再定影后，将墨粉熔凝在纸上，即可形成印刷的字符和图形。清洁滚用于清扫残余的墨粉，消电灯可消除残余电荷，开始新的工作周期。图3-5为激光打印机工作原理。（3）喷墨打印机。所谓喷墨打印机，就是通过将墨滴喷射到打印介质上来形成文字或图像。假如将墨盒中的原色分别抽取不同的比例，再喷射到近似同一个点上，那么这个近似点便可以根据各原色不同的比例显示出不同的颜色，这就是彩喷的原始原理。不同的喷墨打印机，其喷墨的方式又有所不同。根据喷墨方式的不同，喷墨打印机可以分为热泡式（ThermalBubble）喷墨打印机及微压电式（Piezoelectric）喷墨打印机两种，第一节系统基础知识上一页下一页返回它们的工作原理不同。从目前市场上看，HP（惠普）、Canon（佳能）两家大公司的产品主要使用的是热泡式喷墨技术；而采用压电喷墨技术的产品主要是Epson（爱普生）公司的喷墨打印机。不论是采用加热方式还是采用振动方式来产生墨滴，结果都是一样的：将微小的墨点附着到纸上。墨点越小，打印图像的分辨率就越高，色彩效果就越好。打印喷头上一般都有48个或48个以上的独立喷嘴,每个喷嘴又能够喷出3种以上不同的颜色：蓝绿色、红紫色、黄色、浅蓝绿色和淡红紫色。一般来说，喷嘴越多，完成喷墨过程就越快，也就是打印速度越快。这些喷出来不同颜色的小墨滴落于同一点上，形成不同的复色。3.快速成型设备快速成型（RapidPrototyping，RP）是20世纪80年代末期出现的一种新技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破。它将计算机辅助技术、精密伺服驱动和数控、激光、新材料等先进技术集于一体，第一节系统基础知识上一页下一页返回能根据二维图纸上的设计、计算机创新设计的实体模型，无须任何刀具夹具，在几小时至几十小时内迅速制成任意复杂形状的实物样品，也可对实物进行快速复制。RP技术采用材料分层累加法制造零件，其原理是先将计算机生成的三维实体模型通过分层软件分成许多片层，每个片层断面的二维数据驱动控制激光光束，扫描成型原料（液态光敏树脂、粉末光敏树脂、纸材等），使其固化（或分割），同时将各层连接，以逐层成型的片层累积形成所设计的实物样品。概括起来，RP技术的先进性表现在如下几个方面。①产品成型过程与零件的复杂程度无关，这是传统方法无法比拟的。②成型的成本与批量无关，特别适用于单件及小批量个性化制造。③成型快速，缩短产品的研制开发周期。第一节系统基础知识上一页下一页返回④制造功能测试模型，能对设计进行反复多次测试、修改及优化，比传统的方法迅速、经济。⑤材料无浪费，制造过程无振动、无噪声，有利于环保。该综合技术是继NC技术后制造业的又一次革命，可广泛用于家电、玩具、轻工、汽车、航空航天、医疗等应用领域，对中国的制造业将发挥巨大的作用。对于工业设计师（尤其是产品设计师）来说，RP可以大大缩短产品模型制作的时间，减少制作产品模型的精力，而且制作精度也得以提高。需要注意的是，纸材介质的模型相对来说精度较低，成本也小；而光敏树脂的模型精度则会高很多，代价是成本的提高。4.虚拟现实（VR）设备（1）3D立体眼镜。立体眼镜（图3-6）是用于3D模拟场景VR效果的观察装置，它利用液晶光阀高速切换左右眼图像原理，有有线和无线之分，可支持逐行和隔行立体显示观察，第一节系统基础知识上一页下一页返回也可用无线眼镜进行多人团体VR效果观察，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。（2）头盔显示器。头盔显示器又称数据头盔或数字头盔（图3-7），是虚拟现实应用中的3DVR图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接收来自主机的3DVR图形信号。使用方式为头戴式，辅以空间跟踪定位器可进行VR输出效果观察，同时观察者可做空间上的自由移动，如自由行走、旋转等，VR效果非常好，沉浸感极强。在VR效果的观察设备中，头盔显示器的沉浸感优于立体眼镜。（3）立体显示器。3D立体显示器（图3-8）摆脱了以往该项技术需求，不需要任何编程开发，只要有三维模型，就可以实现三维模型的立体显示，只要用肉眼即观察到突出的立体显示效果，不需要带任何立体眼镜设备；同时，它也可以实现视频图像（如立体电影）的立体显示和立体观察，同样也无须戴任何立体眼镜。第一节系统基础知识上一页下一页返回（4）三维空间交互球。三维空间交互球（图3-9）是虚拟现实应用中的另一重要的交互设备，用于6个自由度VR场景的模拟交互，可从不同的角度和方位对三维物体观察、浏览、操纵；也可作为3DMouse来使用；并可与数据手套或立体眼镜结合使用，用作跟踪定位器。（5）力反馈器。力反馈器（图3-10）是VR研究中的一种重要的设备，该设备能使参与者实现虚拟环境中除视觉、听觉之外的第三感觉——触觉和力感，进一步增强虚拟环境的交互性，从而使参与者真正体会到虚拟世界中的交互真实感，该设备广泛应用于虚拟医疗、虚拟装配等诸多领域。（6）数据手套。数据手套（图3-11）是虚拟现实应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3DVR场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和右手之分，可用于WTK，Vega等3DVR或视景仿真软件环境中。第一节系统基础知识上一页下一页返回四、CAID软件系统与CAD系统一样，由于CAID系统复杂而庞大，涉及面很广，单独的某一个软件不可能完成工业设计的全部工作，只能在某一个或某几个方面进行辅助。下面列举出的软件（系统）适用于工业设计的不同阶段、不同侧面，功能不同、各有侧重。工业设计师常常综合应用这些软件，完成设计任务。（一）二维软件1.图形绘制软件CorelDRAWCorelDRAW是一种基于矢量的绘图程序，产生于1989年，是一个在PC上使用的应用软件，并且是目前在PC上运行效果最好的软件之一。CorelDRAW有广义和狭义之分，狭义的CorelDRAW是一个矢量绘图和排版软件；广义的CorelDRAW是指CorelDRAW绘图软件包，其中包括了CorelDRAW（矢量绘图和排版软件）、CorelPhoto-Paint（和Photoshop相仿的图形处理软件）等许多非常好用的图形开发工具软件，第一节系统基础知识上一页下一页返回用这些软件可以完成几乎所有的图形工作。只是由于习惯的原因，人们大多只喜欢使用狭义的CorelDRAW软件，即软件包中的CorelDRAW矢量绘图及排版软件。矢量绘图和排版软件CorelDRAW广泛地应用于标志制作、模型绘制、插图描画、排版及分色输出等诸多领域。可以说CorelDRAW是当前应用最广泛的矢量绘图平面设计软件。2.图像处理软件Photoshop如今在平面图像处理领域称为行业标准的Photoshop软件（/cn/）源于20世纪80年代中期，经过几代版本的完善和普及，成为目前平面设计、建筑装修设计及三维动画制作、网页设计的必用软件，并深受广大图像处理人员的欢迎。Photoshop的主要功能有绘制、图像加工和滤镜特效。绘制就是使用画笔工具、钢笔工具（应用Bezier曲线）等绘制图像。图像加工主要有图像编辑、合成及校色调色等，可以对图像做各种变换、修补、合成等；Photoshop完备的色彩管理系统，可适应图像在扫描仪、显示器、第一节系统基础知识上一页下一页返回打印机或其他硬件设备的需要，方便快捷地对图像的颜色进行明暗、色调、饱和度的调整和校正。滤镜是Photoshop提供的强大工具，大量的滤镜几乎覆盖了摄影、印刷和数字图像的所有特技，包括图像的特效创意和特效字的制作，各种特效字的制作更是很多美术设计师热衷于Photoshop研究的原因。除了Photoshop内置滤镜，还有外置的，常见的有KPT，AlienSkin等。PhotoshopCS在Web图像制作方面的功能则更加完善，提供了Web图像需要用的所有处理方法。对工业设计人员来说，Photoshop是开发想象力和创造力以及美化三维作品的有力工具。3.矢量动画软件FlashMacromedia公司（现被Adobe公司（/cn/）收购）推出的网页制作软件DreamWeaver，Fireworks和Flash以强大的功能和易学的特点被誉为网页制作“三剑客”。其中，Flash作为当今最流行的矢量动画软件，是平面动画设计师们所热衷的动画开发利器。随着软件的不断升级和使用范围的不断扩大，第一节系统基础知识上一页下一页返回由Flash制作的FlashMTV、游戏、网站、课件、产品宣传的片头、广告等已经进入了人们的生活。制作二维动画的软件现在有很多，如Flash，UleadGIFAnimator，COOL3D，Firework等，Flash是目前的主流，它不仅支持动画、声音及交互功能，而且其强大的多媒体编辑能力还可以直接生成主页代码。由于Flash使用矢量图形和流式播放技术，克服了目前网络传输速度慢的缺点，而Flash制作的网页具有动感丰富、个性突出、艺术性强等特点，为Web动画设计者提供了丰富的想象空间，所以被广泛采用。利用Flash软件，可以轻轻松松地完成对图片、声音和视频的添加及编辑工作，虽然Flash本身不具备三维建模功能，但设计者可以在AdobeDimensions3.0中创建三维动画，然后将其导入Flash中合成，让动画作品有声有色，丰富多彩。第一节系统基础知识上一页下一页返回（二）三维造型软件1.3dsmax数年前，AutoDesk公司推出了可在个人计算机上运行的三维动画软件3DStudio（3DS）。它的全称是3-DimensionStudio，译成中文是三维影像制作室。3DStudioMAX（3dsmax）（/adsk/servlet/index?id=5659302&siteID=123112）是一个在Windows环境下运行的具有专业质量的建模、动画和渲染软件，现已成为设计界、广告界、影视界十分流行的建模、动画和渲染工具之一。3dsmax在这几年中发展很快，同时伴随计算机硬件如CPU等的处理速度的迅猛发展，使个人计算机在三维制作上直逼专业图形工作站。对于三维模型制作的初学者，在优秀三维软件Maya，LightWave，SoftImage中选择常常感到惶惑，应该说3DStudioMAX是个不错的选择，因为它对硬件的要求不太高，能稳定运行在Windows系统上，容易掌握，国内的参考书多，第一节系统基础知识上一页下一页返回而且它的渲染效果非常好，很多工业设计者常常利用它的渲染功能与其他软件配合制作出出色的作品。3dsmax适合于工业设计、建筑和室内装潢设计、包装与装潢设计、三维游戏开发、电影特技、立体和影视动画广告设计、教学多媒体演示制作、军事科学研究和物理以及化学或生物化学研究等。2.RhinoRhino3D（/）是第一个将NURBS引入个人计算机平台的软件，安装文件仅百兆左右；最值得一提的是它的NURBS建模是最具特色的，它将精确性与以曲线（spline）建模技术为基础的弹性巧妙结合，适用于工业产品设计。Rhino3D所建构的对象是平顺的NURBS曲线和曲面，而不是直线的区段和多边形网格面。它使用修剪自由形式（TrimmedFree-form）NURBS曲面来精确表现曲线外形，包括有洞的曲面，并可利用相接的曲面建构新实体，能完全整合实体与曲面，第一节系统基础知识上一页下一页返回能修剪任意的曲线、曲面和实体的组合图形。它非常小巧而功能强大，命令完备而丰富，比其他的3D软件有过之而无不及。但是美中不足的是，Rhino3D的图形渲染太过简单，需要与其他的软件（3dsmax，Cinema4D或一些渲染插件如V-RAY，Flamingo，FinalRender，Brazil等）良好配合方可解决这个渲染问题。3.MayaMaya（/adsk/servlet/index?siteID=123112&id=7635018）是Alias/Wavefront公司（现已并入AutoDesk公司）出品的一款优秀的三维软件。Alias/Wavefront公司是由原来的三维软件制作领域两大巨头——Alias公司和Wavefront公司合并而来的，合并之后，公司的制作实力更加强大，Maya就是在两强合并之后新推出的优秀软件之一。Maya集成了Alias/Wavefront最先进的动画及数字效果技术，采用先进的体系结构，创造出其他三维软件难以比拟的运行速度，以至于在个人计算机上就能创造出非常复杂的动画和渲染。第一节系统基础知识上一页下一页返回Maya功能强大，有丰富的建模、渲染、动画、动力场工具，在Maya上进行个性化设置以及扩充都是比较方便的。Maya可以实现高精度渲染、NURBS建模、无缝建模、多边形建模以及刚体、柔体动画等高级功能。Maya的建模工具是对NURBS和多边形建模工具的完整补充，着重无缝隙的人物模型构建。Maya可渲染出具有电影胶片品质的图像，其清晰度和真实感几可乱真。除了建模和渲染，Maya还拥有一整套的关键帧和过程化动画工具，支持复杂的动力学作用，包括刚体、柔体或粒子间的碰撞。另外，由于采用了先进的体系结构，Maya的运算速度非常快，与其他软件比较起来，Maya的运算速度可谓是超强的。人们平常看到的好莱坞电影，从之前的《无底洞》、《魔鬼终结者》、《玩具总动员》、《野蛮游戏》，到《泰坦尼克号》、《一家之鼠》、《虫虫危机》、《星际大战首部曲》、《骇客任务》、《神鬼传奇》等卖座影片，其中声光、特效、震撼性视觉效果的场景，都是利用Maya功能来完成动画制作部分的。第一节系统基础知识上一页下一页返回4.Aliasstudios生产Aliasstudios的Alias/Wavefront公司（现已并入AutoDesk公司）是全世界最领先的计算机辅助工业设计软件研发商。Alias（/adsk/servlet/index?id=9436019&siteID=1170359）是一套较为专业的工业设计软件，从早期的创意草图到最后可供机械工程制造加工采用的模型各阶段，通过完整的外形设计过程，将计算机辅助工业设计（CAID）与工程（CAD/CAM/CAE）连接起来。Alias与其他造型软件相比，擅长于表达概念阶段的造型设计、喷绘草图（Sketch）及概念设计。可以以数字化的方式在计算机上展示，将构想的草图以快速、逼真的图像清楚地呈现在眼前；Alias给用户极大的自由创意空间，而不拘于传统建模的参考面内作图；需要界定创意时，可用容易使用的多种工具来辅助及评估设计推选的过程；更重要的是，它的NURBS曲面非常具有精确性，不但可用作快速成型和模具制作，更可直接输送至其他CAD系统。第一节系统基础知识上一页下一页返回具体说来，Alias的特点如下。（1）概念设计和草图绘制；（2）模型的更改及检查；（3）设计展示及输出。应用AliasStudio开发设计成功的案例很多，如Apple的笔记本电脑，Sony随身听，福特的汽车设计等，以造型设计闻名的美国艺术学院（ArtCenter）就是以它作为创意标准工具的。（三）三维CAD软件对工业设计人来说，会使用一些三维CAD软件是必要的，这样才能使自己的设计与生产相结合，从实际出发了解生产过程中的要求。工厂的设计过程完全依赖于三维CAD技术，三维CAD软件能设计生成标准的三维实体模型，真实地反映零件的形状，更能将三维模型转化为工程图，完成机器装配；作为实体造型软件，它能够精确表达零件的全部属性，而不像Rhino，3dsmax只能描述形体表面信息。第一节系统基础知识上一页下一页返回在目前国际市场上最有影响的三维CAD软件有SolidWorks，Pro/E，UG，CATIA，I-DEAS等。1.AutoCAD在三维建模软件中，美国AutoDesk公司（/adsk/servlet/index?id=9573010&siteID=1170359）的系列软件应用最广，其中以AutoCAD（AutoComputerAidedDesign）为核心。AutoCAD是该公司开发的计算机辅助设计绘图软件包，早期主要是为IBM-PC兼容计算机设计的，近来移植到其他机型（如工作站）和其他操作系统（如Windows和UNIX）上。AutoCAD不仅是一种灵活而可靠的三维建模工具，也是一种开放型的软件包，便于二次开发。在三维建模中，它具有更高的精度和更优的控制，具有易学易用、结构开放和性价比高等优点，是当今世界上最流行的辅助绘图软件之一。十几年来，AutoCAD的用户多于其他CAD系统的用户，AutoCAD不仅能为机械设计师、建筑工程师、产品设计师等提供技术支持，第一节系统基础知识上一页下一页返回也广泛应用于机械、建筑、电子、航天、造船、石油化工、土木工程、冶金、地质、农业气象、纺织、轻工、商业等领域。AutoCAD是一个多文档设计环境，允许在一个AutoCAD环境中打开多张图纸，并且在图纸之间执行对象及其关联数据的复制、移动和属性复制；通过AutoCAD设计中心，从任何一张图纸中拖放图形元素，图纸可以是打开的，也可以是关闭的，可以存放在本地，也可以存放在远程网络上；简单选择图形就可以通过QDIM命令自动生成任意数量的尺寸标注；利用自动俘获（AutoSnap）功能直观地创建和定位图形元素；可以快速地打开图纸及其外部参照中所需要的部分，并能动态地追加。AutoCAD能够让用户更快地创建设计数据，更轻松地进行数据安全共享，以实现承包商、分包商、业主和工程师以他们的视角去协作完成同一个产品项目。概括来说，AutoCAD具有以下特点。（1）具有完善的图形绘制功能；（2）提供了各种修改手段，具有强大的图形修改能力；第一节系统基础知识上一页下一页返回（3）具有开放的体系结构，易于二次开发；（4）提供了多种接口文件，具有较强的数据交换能力；（5）支持多种交互设备，具有良好的用户界面和高级辅助功能；（6）允许用户定制AutoCAD系统参数和标准文件（AutoCAD开发工具）；（7）支持多种操作平台；（8）软件易于掌握，适用于各种层次的用户。2.SolidWorksSolidWorks公司（/）于1995年成功地推出了SolidWorks软件，是世界上第一个基于Windows平台的原创的三维机械CAD系统软件。创新、易学易用而且价格便宜。在整个产品设计中，SolidWorks能够完全自动捕捉设计意图和引导设计修改。SolidWorks软件提供完整的、免费的开发工具（API），第一节系统基础知识上一页下一页返回用户可以用微软的VisualBasic，VisualC++或其他支持OLE的编程语言建立自己的应用方案。通过数据转换接口，SolidWorks可以很容易地将目前市场几乎所有的机械CAD软件集成到现在的设计环境中来。而最有意义的是，用于SolidWorks的投资较小，这使得参加工程设计的所有人员都能在他们桌面计算机上进行三维设计。SolidWorks的特性如下。（1）用户界面：SolidWorks软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，但SolidWorks公司还是努力地改进软件的用户界面，使得设计工作更加自动化。（2）草图设计：SolidWorks软件所有的零件都是建立在草图基础上的，草图设计功能的提高直接关系到对零件的可编辑能力的提高。（3）曲面建模：在SolidWorks中，曲面建立后，可以以很多方式对曲面进行延伸。第一节系统基础知识上一页下一页返回（4）工程图和电子工程图：SolidWorks的工程制图中有一种崭新的快速制图功能（即RapidDraft），它能迅速生成与三维零件和装配体暂时脱开的二维工程图，但依然保持与三维的全相关性。这样的功能使得从三维到二维的瓶颈问题得以彻底解决。3.Pro/ENGINEER生产Pro/ENGINEER（Pro/E）的美国公司PTC（ParametricTechnologyCorporation，参数技术公司）（/products/proengineer/）是当今世界最大的机械CAD软件供应商。Pro/E软件包是一套由设计至生产的参数化，基于三维特征造型技术的大型CAD，CAM，CAE集成软件。Pro/E自1988年问世以来，发展迅速，其首次提出的参数化技术被称为CAD技术发展中的第三次技术革命。自20世纪90年代中期以来，功能强大的Pro/E技术在中国各大小企业逐步得到广泛应用，拥有相当大的用户群，第一节系统基础知识上一页下一页返回也深受很多设计人员的喜爱。它共有6大主模块，下面对它们逐一进行介绍。（1）工业设计（CAID）模块：工业设计模块主要用于对产品进行几何设计。（2）机械设计（CAD）模块：机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。它既能作为高性能系统独立使用，又能与其他实体建模模块结合起来使用。（3）功能仿真（CAE）模块：功能仿真（CAE）模块主要用于有限元分析。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，还可充分优化零件的设计。（4）制造（CAM）模块：Pro/E的数控加工模块包括铸造模具设计、电加工、塑料模具设计、NC仿真、CNC程序生成、钣金设计等。（5）数据管理（PDM）模块：Pro/E的数据管理模块就像Pro/E家庭的一个大管家，管理每一个任务模块，并自动跟踪所创建的数据。第一节系统基础知识上一页下一页返回它通过一定的机制，能保证所有数据的安全及存取方便。（6）数据交换（GeometryTranslator）模块：实际还有一些别的CAD系统，它能和别的CAD系统作数据交换。4.UGUG（Uni-Graphics）软件起源于美国麦道飞机公司，后于1991年11月并入EDS公司，现被西门子公司收购。UG（/solutions1/index.aspx）是一套目前市场上复杂产品设计制造的功能最强大的产品设计工具之一，从概念设计到生产产品，UG广泛地运用在汽车业、航天业、模具加工及设计业、医疗器材产业等，美国通用汽车公司是UG软件的最大用户。UG不但拥有现今CAD/CAM软件中功能最强大的Parasolid实体建模核心技术，更提供高效能的曲面建构能力，能够完成最复杂的造型设计。近年来更将触角深及消费性市场产业中最复杂的领域——工业设计。UG软件进入中国后，得到了越来越广泛的应用，第一节系统基础知识上一页下一页返回已成为中国工业界主要使用的大型CAD/CAE/CAM软件之一。UG主要分CAD和CAM两大功能模块。UGCAD功能模块：（1）UG/Gateway（基本模块）；（2）UG/SolidModeling（实体模型模块）；（3）UG/Free-FormModeling（高阶曲面建构模块）；（4）UG/Drafting（2D工程图模块），如图3-12所示；（5）UG/AssemblyModeling（组立模块），如图3-13所示；（6）User-DefinedFeatures（使用者自定特征）；（7）RapidPrototypingInterface（快速原型系统界面）；（8）UGDataPipeline（档案转换工具）。以上介绍了UG的CAD部分功能模块，这些都与CAID有密切关系。而有关UG的CAM部分功能模块，与本书内容关系不大，故不作介绍了。第一节系统基础知识上一页下一页返回5.CATIACATIA是英文ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication的缩写，是法国DassaultSystem公司（达索公司）开发的一款CAD/CAE/CAM一体化软件。CATIA（/cn/products/catia/catia-discovery/）的应用领域包括从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。CATIA在航天领域占了80%以上份额，包括波音（Boeing）、空中巴士（Aerospace）等。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的领先地位。CATIA虽然源于航空航天业，但其强大的功能已得到各行业的认可。在汽车行业，大多数都是选用CATIA作为核心系统。它的用户包括克莱斯勒（Chrysler）、宝马（BMW）、奔驰（Benz）、大众（Volkswagen）、奥迪（Audi）、中国的一汽、上海大众等，欧洲100%汽车生产商都已将CATIA当成核心开发软件。第一节系统基础知识上一页下一页返回机械行业的ABB，Staeuble等，家电行业的IBM，SONY，Panasonic，Toshiba，Samsung等都已用CATIA作为开发产品的核心工具之一。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统设计的CATIA可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程（包括概念设计，详细设计、工程分析、成品定义和制造）乃至产品在整个生命周期中的使用和维护的工作环境。CATIA的功能如下。（1）装配设计（ASS）：CATIA装配设计可以使设计师建立并管理基于3D零件的机械装配件。（2）草图设计（DRA）：CATIA制图产品使用户可以方便地建立工程图样，并为文本、尺寸标注、客户化标准、2D参数化和2D浏览功能提供一整套工具。（3）绘图-空间（2D/3D）集成（DRS）：CATIA绘图-空间（2D/3D）集成产品将2D和3DCATIA环境完全集成在一起。第一节系统基础知识上一页下一页返回（4）特征设计模块（FEA）：CATIA特征设计产品通过把系统本身提供的和客户自行开发的特征用同一个专用对话结合起来，这个专用对话着重于一个类似于一族可重复使用的零件或用于制造的设计过程。（5）高级曲面设计（ASU）：CATIA高级曲面设计模块提供了可便于用户建立、修改和光顺零件设计所需曲面的一套工具。它的强项在于其生成几何的精确度和其处理理想外形而无须关心其复杂度的能力。（6）逆向工程模块（CGO）：该产品可使设计师将物理样机转换到CATIADesign下，使其转变为数字样机，并将测量设计数据转换为CATIA数据。（7）自由外形设计（FRF）：CATIA自由外形设计产品提供给设计师一系列工具，用来实施风格或外形定义或复杂的曲线和曲面定义。（8）创成式外形建模（GSM）：该产品在曲面技术规范编辑器中对设计意图进行捕捉，使用户在设计周期中的任何时候都方便快速地实施重大设计更改，加速设计过程。第一节系统基础知识上一页下一页返回（9）整体外形修形（GSD）：该产品提供了一套工具，使用户在CATIA模型中使用表皮、面、曲面和曲线对复杂的外形进行连续的修形。这些整体和非线性修形（如拉伸、弯曲和扭曲等）仍使CATIA元素保持特征线和几何等的连续性。（10）3D参数化变量造型器（PA3）：设计师可以通过该产品对CATIA几何增加参数数据，并捕捉到设计意图，加快产品开发。这项技术使设计更改的处理自动化，它使得在维持原有设计意图和约束不变的前提下，在快速开发设计替代时具有更大的灵活性。（11）三维线框（WF3）：WF3是CATIA系统几何造型的关键产品。据此，用户可以建立、修改并分析3D几何。（12）4D漫游器（4DNavigator）：CATIA4D漫游器可使用户在机械和建筑CAD模型中进行可视化漫游。它允许在装配早期就对设计进行交互式和动画可视化检测。第一节系统基础知识上一页下一页返回（13）动态草图绘制器（DYS）：CATIA动态草图器可作为一个工具使用户快速草绘2D轮廓图并将其作为3D设计的一部分使用。用户可以直接操作共面实体几何并且编辑形状、改变自由度或修改相关约束。通过对轮廓几何约束的自动记忆，该产品可以捕捉到操作者的设计意图。（14）精确实体建模（SOE）：CATIA精确实体建模产品提供了对类似于数控加工和有限元分析这样的后续应用所需的实体造型定义。6.I-DeasI-Deas软件是美国SDRC公司开发的集计算机辅助设计、制造、分析（CAD/CAM/CAE）于一体的优秀三维设计软件系统，在机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织等各行各业都有应用，像英国宇航系统与设备公司、福特、丰田、尼桑、雷诺、施乐、西门子等都是它的用户。I-Deas软件是一个集成化的产品开发解决方案，它具有独特的基于数字化主模型的CAD\CAM\CAE功能，使CAD\CAM\CAE成为一个整体，而不再是彼此分离的功能模块。第一节系统基础知识上一页下一页返回基于数字化主模型的特性使得模型的变化与CAD\CAM\CAE的结果保持高度的一致性。从而使在产品开发的整个过程中随时对产品进行评估和加工设计成为可能。加上以数字化主模型为基础的TDM数据管理功能，使得在产品开发的整个阶段，整个开发团队都能协同地进行并行的工作。I-Deas软件是当今世界应用最广的产品开发解决方案之一，它强大的功能使得企业在产品开发方面如虎添翼，从而大大增强企业的竞争力。I-Deas软件的CAD功能介绍如下。（1）I-Deas采用了业界领先的变量化建模技术，使用它可以生成线框、曲面与实体造型。I-DEAS具有强大的多层次的修改工具，可在任何工作阶段对产品的任意特征的任何构成要素进行更改。（2）I-DEAS的装配功能支持对大装配件的创建、控制和管理。通过它可以快捷地创建出大数量且多层次的装配件，并可对其进行灵活的删除、增加、替换、搜索及生成BOM表与爆炸图等功能操作。第一节系统基础知识上一页下一页返回（3）I-DEAS的曲面设计功能可帮助用户快速且简捷地产生复杂的雕塑曲面。它向用户提供了一组丰富的曲面创建与修改工具，使得曲面的创建与修改无比快捷与方便。另外，它还可与自由曲面设计工具相结合，从而产生高质量的Class1与Class2曲面。（4）I-DEAS的产品绘图功能向用户提供了一组灵活易用的二维绘图工具。使用它，用户可由三维建模直接得到与其相关的二维视图。用户也可直接进行二维图的绘制。（5）I-DEAS还具有一些针对特定应用的专用模块，如钣金设计模块、布线设计模块等。7.CAXA实体设计CAXA实体设计系统是美国IRONCAD软件的汉化产品，由北航海尔公司与Alventive公司合作，将IRONCAD软件系统进行本土化所得，这款软件凭着其新颖的概念赢得了一定的国内市场。CAXA（/index.jsp）坚持“软件服务制造业”理念，第一节系统基础知识上一页下一页返回开发出系列化的CAD，CAPP，CAM，DNC，PDM，MPM等PLM软件产品和解决方案，覆盖了制造业信息化设计、工艺、制造和管理4大领域。CAXA实体设计是三维创新设计的CAD工具，它集成了零件设计、装配设计、钣金设计、产品真实效果模拟和动画仿真等功能，将三维设计变得像搭积木一样简单，能快捷地实现创新设计。CAXA实体设计易学易用，可以帮助设计人员从三维空间直接进行产品构思和创意，并且可以创造出广告效果的图片与动画，是产品创新设计的有效工具。它的系列功能如下。（1）卓越的企业实体协同设计工具；（2）功能完备的实体设计工具；（3）易学易用的三维球操作；（4）专业级的渲染和动画功能；（5）超越参数化设计的灵活性修改；第一节系统基础知识上一页下一页返回（6）独特的双内核及数据交换能力；（7）创新的目录式图库操作方式。（四）中华设计“中华设计”计算机辅助工业设计软件系统1.0（简称“中设1.0”）是西北工业大学工业设计研究所在“八五”、“九五”期间研究开发的“面向机电产品的计算机辅助工业设计软件系统”的基础上，经过“十五”、“十一五”期间的改进、完善，推出的CAID应用软件系统。与传统的CAD软件相比，该软件系统的最大特点是完全针对工业设计师，在工业设计的理论和方法的基础之上，构建符合工业设计师的设计习惯和思维方式，是真正的“计算机辅助工业设计软件系统（CAIDS）”，能够提高工业设计师的工作效率，提升设计质量。第一节系统基础知识上一页下一页返回“中设1.0”包括信息管理、创新设计、形态设计、色彩设计、人机操作部件设计及人机分析、评价和图库等模块（图3-14），为产品工业设计中的形态设计、色彩设计、人机工程设计和装饰设计等过程提供全面的辅助，并具有评价功能，可以对设计的中间过程及最终结果进行分项或综合的评价。第一节系统基础知识上一页返回一、系统选用的通用导则（一）经济性经济性原则是指在满足预定功能的前提下，所选用的CAID系统应尽可能经济和实用，而不是一味地求全、求新、求高档。有些软件以其炫目的功能吸引人，而在实践中，这一部分功能很少使用，缺乏实用性，而这种系统的价格往往高出同类系统很多。我们应选择性价比高的系统。（二）功能性功能性原则是指所选用的CAID系统要具备特定的功能、完成特定的任务。如前所述，CAID包含很多的方面，有一些内容相互差别很大，不同的设计师在设计风格、应用软件习惯、个人设计理念上有很大的差异，这需要配置不同的系统来实现。配置系统时尽量做到功能足够满足要求即可，而不过剩，否则造成资源的浪费。第二节系统选用导则下一页返回（三）兼容性兼容性原则是指选用的CAID系统应该尽量地具有较广的应用范围和较长的使用时间，具有可扩充性。这一原则从表面上看似乎与功能性原则有矛盾，但是，仔细分析一下设计师的实际使用状况就不难发现，大多数的设计师有时需要利用自己手头现有的系统、软件来完成许多不同类型的设计任务。这就是这里要对系统提出兼容性要求的原因。（四）先进性先进性原则是指选用的CAID系统应当尽可能的先进。IT行业发展迅速，更新换代很快，已有的软件、硬件很快有新的产品替代，如果选用系统时没有考虑先进性，系统可能很快就会被淘汰。而现今大多数软硬件的更新都遵循向下兼容的规则，所以选用先进的系统一般不会对旧有的文件、软件的应用带来不便。第二节系统选用导则上一页下一页返回（五）稳定性稳定性原则是指选用的CAID系统应当长时间运行稳定、可靠，这是选用系统的最重要的原则，也是最基本的原则。若这个系统非常先进，兼容性很好，功能强大，但就是运行不稳定，经常出错，甚至有时会出现设计资料丢失或者死机的致命性错误，那么也不可以。一个系统的稳定性是使用者选用它的最根本依据。二、系统选用的具体导则（一）产品设计系统选用导则1.专业化对于做产品设计的专业人员来说，需要选用专业的计算机软硬件系统。这一点在软件方面表现得尤为突出。用于产品设计的软件主要是包括建模、渲染、动画等功能的软件。如前所述，这些软件可以分为三维造型软件、工程CAD软件、渲染类软件等。第二节系统选用导则上一页下一页返回三维造型软件主要有3dsmax，Rhino，Maya，Alias等，Rhino的NURBS建模是最具特色的，小巧而功能强大。但是这类软件往往无法精确建模，参数化方面也存在天生缺陷，所以在工程领域难以推广。工程CAD软件大多都有良好的工程背景。使用这些软件，可以对设计对象精确建模，参数化程度较高，在产品的结构、加工、材料、成型、强度、装配、检测等领域会有很好的辅助作用。渲染类软件包括渲染软件（如Lightscape，Renderman，MentalRay，Cinema4D，Gelato等）以及渲染插件（V-RAY，Flamingo，FinalRender，Brazil，DreamScape等）等。Lightscape用于环境艺术设计的渲染，其效果是业内普遍认可的，但是其最大的缺点是计算时间太长，有时甚至十几个小时才能完成一个场景的渲染，正是这一点限制了它的普及。第二节系统选用导则上一页下一页返回2.高速度CPU是计算机的核心部件，是计算机的心脏。一般情况下，CPU的性能决定了整台计算机的运算速度。精细的产品三维设计、建模、渲染、动画输出等都对计算机的运算速度提出了很高的要求，需要一个高性能的CPU。3.大内存内存在一台计算机中扮演着极为重要的角色，它是用于存放数据与指令的磁存储单元。对产品设计师而言，内存应尽可能地大，以512MB为最低配置，有时需要有1GB或者更大的内存。产品设计系统需要有大内存作为保证，才能使设计、建模、渲染等工作有效地进行。4.高级的多边形处理能力由于会涉及大量的三角面片的计算，一块具有支持高级的多边形处理能力的显卡是必不可少的。第二节系统选用导则上一页下一页返回5.高级的渲染能力为了观看具有真实感的最终的效果，产品三维设计往往都需要渲染，这对CAID系统的软件、硬件和操作者的熟练程度都提出了较高的要求。（二）视觉传达设计系统选用导则1.专业化如前所述，对做视觉传达设计的专业人员来说，同样需要专业的计算机软硬件系统。常用的平面设计软件大体可分为图形绘制软件、图像处理软件、矢量动画软件和网页设计软件4类。图形绘制软件主要有CorelDRAW，Freehand，Illustrator等。目前在PC