高維岳　張　文　林　琳

[摘要]主要論述在計(jì)算機(jī)動(dòng)漫創(chuàng)作過(guò)程中，利用概念化設(shè)計(jì)可以超出人的想象力和創(chuàng)造力，達(dá)到意想不到的效果，特別是通過(guò)立體模型展示運(yùn)動(dòng)的全部情況，讓人耳目一新，同時(shí)既省大量的手工繪圖時(shí)間又節(jié)省大量的人力資源。以機(jī)械動(dòng)漫設(shè)計(jì)為例，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件有多種，根據(jù)實(shí)踐表明采用幾個(gè)軟件聯(lián)合使用，相互補(bǔ)充功能更加強(qiáng)大。以Alias、3dsmax、pro/E、UG、CATIA的機(jī)械動(dòng)漫三維造型設(shè)計(jì)使用特點(diǎn)進(jìn)行研究論述。

[關(guān)鍵詞]概念化 計(jì)算機(jī) 三維 數(shù)字樣機(jī) 機(jī)械

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0420013－02

所謂概念化設(shè)計(jì)，創(chuàng)作人員以計(jì)算機(jī)為工具，進(jìn)行最初的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)，然后生成數(shù)字化實(shí)體模型，最后生成防真的三維模型。概念化設(shè)計(jì)是一個(gè)嶄新的設(shè)計(jì)理念，有著非常廣闊的應(yīng)用空間。

機(jī)械動(dòng)漫三維造型概念化設(shè)計(jì)，需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這里我們就以設(shè)計(jì)軟件的使用為核心，提出設(shè)計(jì)解決方案。

第一階段，采用無(wú)約束自由建模方法，構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型，即搭建我們的概念化設(shè)計(jì)平臺(tái)。

第二階段，采用參數(shù)化建模方法，使工業(yè)產(chǎn)品的三維模型在約束條件下確定下來(lái)。

第三階段，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的外觀(guān)，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品模型進(jìn)行渲染、輸出。

下面，我們對(duì)這三個(gè)階段的設(shè)計(jì)過(guò)程以及對(duì)設(shè)計(jì)軟件工具的使用做以簡(jiǎn)單的介紹。

在表達(dá)作品設(shè)計(jì)的初始創(chuàng)意階段，我們可以選擇無(wú)約束自由建模軟件，例如，Alias.3dSMAX等。這類(lèi)軟件工具擅長(zhǎng)表達(dá)創(chuàng)意階段的造型設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)者能夠快速地將構(gòu)想的草圖以逼真的三維模型呈現(xiàn)在眼前。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中不必局限于傳統(tǒng)實(shí)體模型在參考面的設(shè)置，在約束條件的限制下繪制模型；而讓創(chuàng)意隨著意念走，輕松地利用計(jì)算機(jī)建立的三維模型發(fā)揮個(gè)人創(chuàng)意。

這樣的三維模型，我們也可以稱(chēng)其為概念模型。由于是一種無(wú)約束的自由建模表達(dá)方式，所以我們可以大膽地提出各種設(shè)計(jì)方案，盡情地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的想象能力；而且允許設(shè)計(jì)人員隨時(shí)進(jìn)行修改、加工，允許保留多個(gè)設(shè)計(jì)方案，供專(zhuān)家和工程技術(shù)人員進(jìn)行評(píng)估。

初步設(shè)計(jì)方案確定之后，我們可以把模型做得更精致一些。例如，外露的標(biāo)準(zhǔn)幾何體素（如立方體、圓柱體等）進(jìn)行倒角，曲面進(jìn)行倒邊，再給模型賦予材質(zhì)，使其大致能體現(xiàn)最終產(chǎn)品的外觀(guān)。這樣的三維模型能使人更容易理解，我們就可以用它來(lái)進(jìn)行交流，對(duì)未來(lái)新產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)設(shè)計(jì)方案確定之后，概念化設(shè)計(jì)的初始階段就基本完成了。

這一階段，我們完成了外觀(guān)形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等各項(xiàng)主要設(shè)計(jì)任務(wù)。由于我們可以對(duì)這個(gè)概念化三維模型進(jìn)行全方位的、多層次的動(dòng)態(tài)展示，可以直觀(guān)地審視模型；即使產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案確定之后，仍可以提出自己的意見(jiàn)和想法，進(jìn)一步優(yōu)化和完善作品的設(shè)計(jì)方案。

甚至還可以征集各方面的反饋意見(jiàn)。在產(chǎn)生計(jì)算機(jī)數(shù)字化三維建模之前，這一切很難做到。因?yàn)樵O(shè)計(jì)圖紙無(wú)法在人們的頭腦中建立完整的空間形態(tài)，這也是當(dāng)今設(shè)計(jì)領(lǐng)域越來(lái)越廣泛運(yùn)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原因。

利用數(shù)字資源可重復(fù)利用的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)作品的基本模型。它能反映所設(shè)計(jì)的作品的基本特征而忽略其它一些細(xì)節(jié)。這樣的模型，也就是所提到的概念化模型。當(dāng)需要改進(jìn)作品的造型設(shè)計(jì)或者開(kāi)發(fā)新作品時(shí)，就可以利用這個(gè)基本模型進(jìn)行改建，而不必重新建立模型。簡(jiǎn)而言之，概念化設(shè)計(jì)過(guò)程也就是對(duì)數(shù)據(jù)不斷修改的過(guò)程。

一旦概念化模型建立之后，就可以將其模型賦予尺寸，同時(shí)建立模型構(gòu)件之間相互約束關(guān)系。這一過(guò)程稱(chēng)之為參數(shù)化設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)，要使用帶有尺寸驅(qū)動(dòng)、附有約束條件的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成。

這類(lèi)比較有代表性的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件有Pro/E、UG、CATIA等。

現(xiàn)在以Pro/E為例，來(lái)了解一下參數(shù)化設(shè)計(jì)思想。

Pro/ENGINEER(Pro/E)是由美國(guó)PTC公司開(kāi)發(fā)的唯一的一整套機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件產(chǎn)品。它的參數(shù)化和基本特征建模技術(shù)，提供給設(shè)計(jì)師一個(gè)革命性的方法去實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

所謂參數(shù)化，就是將設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果等設(shè)計(jì)要素用靈活可變的參數(shù)來(lái)表示，以利于在人機(jī)交換的過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況的變化而加以更改。

Pro/E的參數(shù)不僅代表零件的各種尺寸，而且具有實(shí)際的物理意義?？梢赃\(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算公式，建立各尺寸參數(shù)間的關(guān)系式，使模型自動(dòng)計(jì)算出應(yīng)有的外形。生成三維實(shí)體模型之后，可以感受到真實(shí)的空間實(shí)體模型。借助于系統(tǒng)參數(shù)（system parameters），還可以計(jì)算出零部件的體積、重心、重量、慣性等。

機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性、多樣性和靈活性要求機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化必須走參數(shù)化的路子。

Pro/E的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程，是基于在三維空間坐標(biāo)系的參照下構(gòu)建三維實(shí)體模型。整個(gè)建模過(guò)程大致可分為三個(gè)部分。

一、草繪輪廓

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)零部件時(shí)，要把它的輪廓描繪下來(lái)，然后標(biāo)注尺寸。同樣，在數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中也要把所要設(shè)計(jì)的零部件的基本輪廓描繪下來(lái)，然后修改它的尺寸，使其符合的要求。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為草繪。

要進(jìn)入草繪工作模式，首先要選擇空間直角坐標(biāo)系中三個(gè)參照平面中的一個(gè)平面為草繪平面，同時(shí)，系統(tǒng)還要求再選擇一個(gè)平面為參照平面。草繪平面和參照平面選定后，系統(tǒng)方可將草繪平面轉(zhuǎn)正，也就是將草繪平面轉(zhuǎn)向屏幕的正方向。這樣就可以在草繪平面上作圖了。

二、生成三維實(shí)體模型

Pro/E是基于實(shí)體特征來(lái)生成三維實(shí)體模型的。機(jī)械產(chǎn)品的零部件、家用電器的外殼等在幾何外觀(guān)上都存在相類(lèi)似的一些幾何特征，比如拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、倒角特征、加強(qiáng)筋特征、孔特征、殼特征、掃描特征等。

當(dāng)輪廓圖形建立之后，就可以把這些特征指定給實(shí)體模型，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的把特征加到實(shí)體模型上面。

同許多三維建模軟件一樣，參數(shù)化建模方法同樣是對(duì)模型施加修改項(xiàng)。例如尺寸驅(qū)動(dòng)修改、布爾運(yùn)算、再次施加特征操作復(fù)制等。可以說(shuō)，參數(shù)化建模的過(guò)程就是一個(gè)特征集合、尺寸修改的過(guò)程。這也體現(xiàn)了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程就是一個(gè)不斷修改、不斷完善的過(guò)程。

由于是實(shí)體化三維建模，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，任何對(duì)模型的修改過(guò)程都會(huì)實(shí)時(shí)的、立體的反饋給設(shè)計(jì)人員。同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)發(fā)出信息，指出哪些修改存在問(wèn)題，如何解決。這樣將會(huì)使設(shè)計(jì)效率極大的提高。

三、進(jìn)行組件的各項(xiàng)設(shè)計(jì)

在正規(guī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多機(jī)械裝置是由很多各種零部件有機(jī)裝配起來(lái)的組合產(chǎn)品。Pro/E系統(tǒng)則為用戶(hù)提供了組件模塊來(lái)完成組合產(chǎn)品的裝配工作。完成大型的、復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

采用參數(shù)化設(shè)計(jì)重要的是使計(jì)算機(jī)理解你的設(shè)計(jì)意圖。設(shè)計(jì)意圖就是通過(guò)所定義的幾何約束和尺寸驅(qū)動(dòng)來(lái)表達(dá)的。

設(shè)計(jì)問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)約束滿(mǎn)足問(wèn)題。約束是一種描述對(duì)象所必須滿(mǎn)足的某種特定關(guān)系的斷言。約束從宏觀(guān)上可分為幾何約束與工程約束。

所謂幾何約束從性質(zhì)上可分為尺寸約束與結(jié)構(gòu)約束。尺寸約束是指固定幾何元素之間相對(duì)位置的約束，結(jié)構(gòu)約束是指拓?fù)渑c結(jié)構(gòu)上的約束。

所謂約束是指在特定的背景下為保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和安全而驅(qū)使設(shè)計(jì)對(duì)象的某些屬性必須滿(mǎn)足的規(guī)范要求。這一點(diǎn)在組件操作中是必須要遵循的。

設(shè)計(jì)是多個(gè)約束條件對(duì)設(shè)計(jì)空間的裁剪。這是一個(gè)不斷調(diào)試、選擇、完善、漸進(jìn)的循環(huán)反復(fù)過(guò)程。約束滿(mǎn)足問(wèn)題又稱(chēng)CSP(Constrans Problem)

問(wèn)題。它在基于約束的設(shè)計(jì)技術(shù)中占有重要位置。

計(jì)算機(jī)如何根據(jù)尺寸和相關(guān)條件正確的控制實(shí)體模型的輪廓是參數(shù)化設(shè)計(jì)的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。而所謂尺寸驅(qū)動(dòng)（DimenSion Drive）就是指當(dāng)設(shè)計(jì)人員對(duì)輪廓尺寸和相關(guān)數(shù)值進(jìn)行改變時(shí)，輪廓的外形也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。這也就是前面提到的尺寸約束。

實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)講有著極其重要的意義。尺寸驅(qū)動(dòng)把設(shè)計(jì)圖形的直觀(guān)性和設(shè)計(jì)尺寸的精確性有機(jī)的統(tǒng)一下來(lái)。

當(dāng)確定了設(shè)計(jì)尺寸之后，計(jì)算機(jī)把這個(gè)尺寸所體現(xiàn)的形狀、大小和位置等信息通過(guò)屏幕直觀(guān)地反饋給設(shè)計(jì)人員。設(shè)計(jì)人員就可以迅速的發(fā)現(xiàn)不合理的尺寸。另一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員可以在屏幕上大致畫(huà)出設(shè)計(jì)要素的位置和大小。計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)將位置和大小尺寸化，供設(shè)計(jì)者參考。設(shè)計(jì)人員可以在需要的時(shí)候修改這些尺寸來(lái)滿(mǎn)足不同的要求。由此可以看出，尺寸驅(qū)動(dòng)可以大大提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

當(dāng)我們采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方案完成一臺(tái)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，那么這臺(tái)由計(jì)算機(jī)“制造”出來(lái)的虛擬模型，就是人們常說(shuō)的“數(shù)字樣機(jī)”。

所謂“數(shù)字樣機(jī)”，相當(dāng)于傳統(tǒng)的手工打造的樣機(jī)模型。只不過(guò)傳統(tǒng)的樣機(jī)模型是實(shí)際的、物理的，而數(shù)字樣機(jī)則是計(jì)算機(jī)虛擬生成的?；蛘哒f(shuō)，一個(gè)是由原子組成的，一個(gè)是由比特構(gòu)成的。傳統(tǒng)的樣機(jī)模型通常是手工打造，制作難度大，周期長(zhǎng)，成本高，且修改也不容易，所容納的信息也很有限的。

而數(shù)字樣機(jī)制作快捷，修改容易。它所包含的信息容量非常大。一個(gè)成型的數(shù)字樣機(jī)包含了整個(gè)產(chǎn)品的由表及里的全部?jī)?nèi)容，甚至包括每一個(gè)定位孔、螺絲釘?shù)取Ｎ覀兘?jīng)常聽(tīng)到“數(shù)字汽車(chē)”、“數(shù)字飛機(jī)”等說(shuō)法，指的就是這個(gè)意思。

我們可以將最初設(shè)計(jì)的數(shù)字樣機(jī)模型作為原始樣機(jī)模型。當(dāng)開(kāi)發(fā)同類(lèi)的新產(chǎn)品時(shí)，就可以在原始數(shù)字樣機(jī)模型上進(jìn)行修改，而不必從頭到尾構(gòu)建新的模型。實(shí)際上，數(shù)字樣機(jī)就是一個(gè)概念化設(shè)計(jì)平臺(tái)，這個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化操作。

Pro/E產(chǎn)品系列的參數(shù)化和基于特征建模的能力給設(shè)計(jì)者提供了空前容易和靈活的環(huán)境。另外，Pro/E唯一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供了所有工程項(xiàng)目之間的集成，使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造緊密地聯(lián)系在一起。并能同時(shí)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和制造產(chǎn)品，可以很容易地評(píng)價(jià)多個(gè)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行智能優(yōu)化，從而使產(chǎn)品達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和降低制造成本。

在這里有必要提及一個(gè)問(wèn)題，為什么不用參數(shù)化建模來(lái)一次性完成概念化設(shè)計(jì)，而先要采用無(wú)約束自由建模方法來(lái)進(jìn)行呢？

首先，應(yīng)該清楚參數(shù)化建模是有很多約束條件的，這使你不能隨心所欲地表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖。這一點(diǎn)在前面所講的參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)做了論述。而自由建模則不需要任何約束條件，所有構(gòu)成模型的任何圖元都可隨意擺放，盡情地發(fā)揮自己的想象能力。無(wú)約束自由建模軟件通常擁有強(qiáng)大的渲染器和動(dòng)畫(huà)輸出能力，這一點(diǎn)是參數(shù)化建模軟件所不及的。

如果在概念化設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方案，就好像在畫(huà)畫(huà)時(shí)不打素描稿就直接著色一樣，反而不能使我們連貫地、順暢地發(fā)揮設(shè)計(jì)思路。當(dāng)然這都不是絕對(duì)的，先采用無(wú)約束自由建模還是先采用參數(shù)化建模，這要取決于作品的復(fù)雜程度、資料的儲(chǔ)備以及個(gè)人掌握和使用軟件的熟練程度。例如，像家用電器類(lèi)小型產(chǎn)品，就可以直接采用參數(shù)化建模方法來(lái)進(jìn)行。

在作品設(shè)計(jì)過(guò)程中，總會(huì)遇到曲面建模這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)今的作品外觀(guān)設(shè)計(jì)越來(lái)越多地融入了曲面特征。在產(chǎn)品構(gòu)件加工過(guò)程中，通常需要那種連續(xù)的、計(jì)算機(jī)能將其轉(zhuǎn)換成NC代碼的曲面。

現(xiàn)在的機(jī)械加工技術(shù)能夠使復(fù)雜的曲面加工變?yōu)榭赡堋Ｄ壳按蠖鄶?shù)3D軟件都可以完成曲面造型設(shè)計(jì)，如上面提到的3DSMAX、Pro/E等。另外，像UG、Rhino等其曲面建模功能更加強(qiáng)大。

值得一提的是，正是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法描述像汽車(chē)、飛機(jī)等大量的曲面問(wèn)題，所以才產(chǎn)生了今天我們所看到的Pro/E、UG等功能強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。

一般來(lái)講，曲面建模屬于高級(jí)建模。其幾何算法與普通的幾何體素建模有著很大的區(qū)別。所以大多數(shù)3D設(shè)計(jì)軟件都把曲面建模作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的操作系統(tǒng)。特別是由于不規(guī)則曲面具有非平行的融合特征，所以其建模過(guò)程具有一定的難度。這就要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)具有一定的空間想象能力，能夠熟練的掌握各種曲面建模工具、命令等。這樣才能設(shè)計(jì)出光順、流暢且符合工程設(shè)計(jì)要求的曲面造型。

大多數(shù)3D建模軟件中的高級(jí)曲面模型建構(gòu)都采用NURBS算法，即貝塞爾算法。NURBS是一種非常優(yōu)秀的建模方式，在高檔的3D軟件當(dāng)中都支持這種建模方式。NURBS曲線(xiàn)和NURBS曲面在傳統(tǒng)的制圖領(lǐng)域是不存在的，是為使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維建摸而專(zhuān)門(mén)建立的。在三維建摸的內(nèi)部空間用曲線(xiàn)和曲面來(lái)表現(xiàn)輪廓和外型。它們是用數(shù)學(xué)表達(dá)式構(gòu)建的，NURBS數(shù)學(xué)表達(dá)式是一種復(fù)合體。

由于高級(jí)的3D軟件都支持NURBS曲面建模方式，那么它們的曲面算法自然也都一樣。這樣一來(lái)，就使得不同的三維軟件中的帶有曲面造型的文件之間的交換成為可能。

例如，我們對(duì)Pro/E的曲面建模不太了解，而對(duì)3DSMAX或者Rhino曲面建模非常熟練，那么我們就可以將曲面模型導(dǎo)入到Pro/E中，繼續(xù)開(kāi)展后續(xù)的建模工作。反之，我們也可以將參數(shù)化建模軟件中的文件導(dǎo)入到3DSMAX進(jìn)行渲染輸出。此外，在參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件中，還可以對(duì)曲面的曲率進(jìn)行分析、檢測(cè)，以使曲面模型能更好地符合工程設(shè)計(jì)要求。

能否掌握NURBS曲面建模技巧，是衡量一個(gè)數(shù)字產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)師水平的一個(gè)重要的標(biāo)志。

作品的造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，就可以進(jìn)行最后一項(xiàng)產(chǎn)品的外觀(guān)設(shè)計(jì)。

作品的外觀(guān)設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：材質(zhì)、色調(diào)、紋案。

我們?cè)倩氐?DSMAX中。前面我們提到過(guò)這個(gè)軟件，其作用是用它來(lái)實(shí)現(xiàn)我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期的概念化模型制作，主要是利用它的無(wú)約束自由建模的特點(diǎn)。

我們知道，這個(gè)軟件還有一個(gè)強(qiáng)大的渲染器和材質(zhì)貼圖制作系統(tǒng)。利用3DSMAX這一特點(diǎn)，我們可以進(jìn)行產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)，我們可以用計(jì)算機(jī)把作品模型渲染、輸出成仿真的虛擬產(chǎn)品。以前，在設(shè)計(jì)圖紙完成后，為了讓人們看到最終的作品造型，通常用手工做成模型，用以展示所設(shè)計(jì)的作品。這樣的模型做起來(lái)費(fèi)工費(fèi)時(shí)，成本高，且修改也不易。而用計(jì)算機(jī)輸出仿真的作品模型，則是一件輕松愉快的事情。

作品的設(shè)計(jì)能否得到認(rèn)可，外觀(guān)設(shè)計(jì)這一過(guò)程是非常重要的。這不僅取決于設(shè)計(jì)者的審美能力，也取決于對(duì)軟件的渲染和材質(zhì)貼圖系統(tǒng)掌握的程度。

由于概念化設(shè)計(jì)是對(duì)作品設(shè)計(jì)方案不斷改進(jìn)和完善的過(guò)程，所以，上述三個(gè)階段可相互交疊、重復(fù)進(jìn)行。

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