陳錦昌， 李若蕾

（華南理工大學(xué)設(shè)計學(xué)院，廣東 廣州 510006）

非傳統(tǒng)六面體的紙盒或形態(tài)特異的紙盒都可以歸為異形盒范疇[1]。異形盒的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：食品包裝、化妝品包裝、禮品包裝，并已逐漸成為高端包裝市場中創(chuàng)造價值的主導(dǎo)成員。由于異形盒打破了六面體紙盒型態(tài)的約束，結(jié)構(gòu)形態(tài)靈活新穎，使以傳統(tǒng)的紙盒設(shè)計方法和傳統(tǒng)的盒型CAD軟件不能滿足異形盒設(shè)計的需要，特別是對于空間想象力不夠豐富的設(shè)計人員，設(shè)計異形盒會遇到重重困難。如何尋求一種規(guī)律性強的設(shè)計方法，并將現(xiàn)代CAD技術(shù)應(yīng)用于異形盒設(shè)計，開發(fā)出可視性強、易于操作的設(shè)計系統(tǒng)以增強異形盒的輔助設(shè)計具有重要的意義。

國內(nèi)包裝紙盒CAD產(chǎn)品有方正集團(tuán)的產(chǎn)品E-PACK，天津科技大學(xué)的TUST-PACK等，其主要為常見的盒型配備了參數(shù)化盒樣庫，且多為標(biāo)準(zhǔn)盒型，少量的異形盒則按形態(tài)特征命名分類，查找不便。設(shè)計新的異形盒盒型時，需經(jīng)過“設(shè)計平面結(jié)構(gòu)圖－輸出－手工試折成型－再修改”這樣一個復(fù)雜的循環(huán)，對異形盒設(shè)計的效率不高。此外，這些系統(tǒng)對異形盒設(shè)計適應(yīng)性差，設(shè)計紙盒平面結(jié)構(gòu)和渲染紙盒三維效果仍然是分別進(jìn)行，二者之間由手工打樣相互聯(lián)系。

針對目前異形盒設(shè)計中存在的問題和難點，本研究沒有采用現(xiàn)有的設(shè)計方法對盒型庫進(jìn)行擴(kuò)展或?qū)δ撤N盒型參數(shù)化做完善，而是基于立體構(gòu)成原理，從可視化模擬設(shè)計過程的角度來有效優(yōu)化異形盒設(shè)計，開發(fā)出實現(xiàn)圖形交互設(shè)計和紙面的構(gòu)成交互操作，能產(chǎn)生渲染紙盒三維效果的異形盒交互設(shè)計系統(tǒng)。

1 紙盒的立體構(gòu)成原理

紙盒設(shè)計中，多數(shù)盒形的形態(tài)設(shè)計都可以歸結(jié)為立體構(gòu)成中的形態(tài)或變化體。立體構(gòu)成與異形盒設(shè)計的關(guān)系如圖1所示，本研究確立設(shè)計目的是異形盒設(shè)計及可視化研究，然后可以由立體構(gòu)成元素和機理出發(fā)，以異形盒立體形態(tài)成型為最終目的，貫穿研究對象——紙面的特殊性原則展開二維平面和三維空間的研究。對于一些個性化的異形盒型，運用立體構(gòu)成手法使其具有設(shè)計的美感[2]。

紙作為平面材料，有良好的折疊、彎曲、切割等可塑性[3]。由紙材料到異形盒的立體構(gòu)成過程包含：紙的立體化，將紙做折疊處理，這是紙的初步立體化；半立體構(gòu)成，在平面材料上進(jìn)行立體化加工，使平面材料在視覺和觸覺上有立體感；面立體構(gòu)成，通過面的層排（面材的層層堆積重疊或通過排列間距的變化）和柱式（把平面的面材圍繞中心軸進(jìn)行折疊或彎曲并把起始邊沿粘接在一起）構(gòu)成。

圖1 立體構(gòu)成與異形盒設(shè)計的關(guān)系

紙面由二維到三維的立體構(gòu)成包含：紙面的空間分割，通過彎折的變形方法改變平面與立體的關(guān)系，或通過排列的形式形成由一個固定面延展而成的形體，或由固定面運動形成的變化體；折疊與折痕，紙面的折疊方法有連折、壓折、集中―角折、對折等，其以折痕劃分面與面的界限；切刻鏤空，在紙面上形成各種圖案和圖形；壓橫與彎曲，壓橫使紙面出現(xiàn)凹凸效果，旋轉(zhuǎn)彎曲使得到圓錐面、圓柱面等回轉(zhuǎn)面。

異形盒設(shè)計中的構(gòu)成因子有：立體形態(tài)在三維空間中的體量感；立體構(gòu)成對象的運動形式；立體所特有的光影效果和材料。

基于立體構(gòu)成原理的異形盒設(shè)計有基于折疊的異形盒設(shè)計，圖2為截面異形的異形盒，通過折疊角的變化實現(xiàn)截面異形，如通過成型角α、β 的變化，使產(chǎn)生棱柱的異形體。圖3為體板異型盒，通過體板的斜、曲線設(shè)計和反撳設(shè)計技巧，實現(xiàn)紙盒的異型設(shè)計；有基于裁切的異形盒設(shè)計，圖4為異形盒提手、開窗等部分采用了裁切的異形設(shè)計，封蓋部位以立體結(jié)構(gòu)代替平面盒蓋結(jié)構(gòu)；還有折疊與裁切結(jié)合的異形盒設(shè)計，能產(chǎn)生很多異形變化的特殊異形盒種類。

圖2 通過折疊成型角的六棱柱變異

2 異形盒交互系統(tǒng)的設(shè)計

使用OpenGL在Visual C++6.0平臺上開發(fā)出基于紙面的立體構(gòu)成的異形盒交互設(shè)計系統(tǒng)PackCAD。

圖3 體板異形

圖4 封蓋異形

在PackCAD系統(tǒng)中，應(yīng)用立體構(gòu)成的原理，設(shè)計了異形盒設(shè)計的常用單體（基本體）：三棱柱、三棱錐、四棱臺等。由于異形盒是基于紙面為構(gòu)成元素，各單體可以展開和還原。

2.1 系統(tǒng)的功能框架

異形盒設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有：異形盒平面結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括紙盒平面結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)修改，可以進(jìn)行多種圖元的繪制以及對圖元在二維平面的幾何變換操作、裁剪鏤空等修改；視圖設(shè)置，包括坐標(biāo)軸網(wǎng)格顯示、平面－立體(2D-3D)視圖切換、背景圖案和顏色設(shè)置等；場景渲染，包括盒平面貼圖模式選擇、貼圖設(shè)置、燈光效果設(shè)置等；動畫演示，包括紙面圖元動作順序設(shè)定、翻轉(zhuǎn)軸設(shè)定和旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定、自動翻折的幀動畫演示等。系統(tǒng)功能框架圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能框架圖

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計流程

系統(tǒng)面向的主體用戶是異形盒設(shè)計人員或薄片類包裝設(shè)計人員，目的是使用戶通過PackCAD系統(tǒng)來進(jìn)行可視化的交互創(chuàng)作，并得到一個初步三維場景效果，觀察紙盒的立體成型造型和對紙盒的平面旋轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬仿真演示，并輸出結(jié)果，為異形盒盒型打樣提供重要依據(jù)。系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖6所示。

系統(tǒng)的特點是：2D盒面片結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)中，不限于長、寬、高的盒型參數(shù)修改，而是可以自由設(shè)計紙盒面片結(jié)構(gòu)；改進(jìn)了傳統(tǒng)紙盒CAD系統(tǒng)按照預(yù)折方式來進(jìn)行三維打樣的慣例，可以通過設(shè)定紙盒面片的折疊順序，并隨時返回修改，增加了異形盒構(gòu)成設(shè)計創(chuàng)新的靈活性；2D與3D相互轉(zhuǎn)換的同步設(shè)計交互環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了二維與三維空間模式的切換，真正起到了實時反映設(shè)計過程的作用；將一般CAD系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)為“設(shè)計紙盒平面結(jié)構(gòu)圖形→以紙面圖元為基礎(chǔ)進(jìn)行修改操作→實時觀察3D盒型效果←→交互修改紙面成型→滿意輸出”，具有可視化，提高了異形盒的設(shè)計效率。

2.3 系統(tǒng)的操作界面

PackCAD系統(tǒng)操作界面如圖7所示，系統(tǒng)采用了常用的軟件交互界面格式，設(shè)計了下拉式菜單、快捷工具欄、輔助狀態(tài)欄、動作設(shè)置面板等易操作的交互對象，使得系統(tǒng)交互界面友好、可操作性強。

對于翻折動畫演示過程的設(shè)計是本系統(tǒng)交互界面設(shè)計的重點?；诋愋魏?D結(jié)構(gòu)的特殊性，即X-Y視場中紙盒結(jié)構(gòu)元素之間的相連接關(guān)系和X-Z-Y視場中紙面折疊的層級關(guān)系，設(shè)置了手動“折疊控制面板”，以便在動作屬性設(shè)置窗體中方便用戶對紙面元素ID、旋轉(zhuǎn)角度的修改，并觀察場景2D-3D間的切換。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計流程

圖7 系統(tǒng)操作界面

圖8所示為一個帶有曲線和鏤空效果裝飾，并經(jīng)貼圖和渲染的異形盒設(shè)計應(yīng)用實例。

圖8 異形盒折合過程的實例

3 結(jié) 論

本研究開發(fā)了異形盒交互設(shè)計的 PackCAD系統(tǒng)，PackCAD系統(tǒng)實現(xiàn)了以立體構(gòu)成原理為特色的異形盒折疊、裁切設(shè)計的仿真模擬；具有友好的人機交互的界面，功能模塊劃分明確，工具欄的圖標(biāo)直觀，用戶在進(jìn)行設(shè)計操作時可在狀態(tài)欄中獲得軟件的反饋信息。PackCAD系統(tǒng)與現(xiàn)有的紙盒CAD軟件相比，在設(shè)計中具有較強的交互功能及可視化，可使用戶更具體地了解異形盒的設(shè)計過程，提高了設(shè)計效率。

[1]姜東升, 許文才. 異形折疊紙盒的數(shù)學(xué)模型設(shè)計[J].包裝工程, 2007, 28(9): 61- 62.

[2]朗 昆. 周 婷. 立體構(gòu)成[M]. 上海: 東華大學(xué)出版社, 2006: 28-55.

[3]宋寶峰, 宋冀生. 包裝容器結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造[M]. 北京: 印刷工業(yè)出版社, 2004: 17-65.