動漫三維造型概念化設(shè)計

高維岳　張　文　林　琳

[摘要]主要論述在計算機動漫創(chuàng)作過程中，利用概念化設(shè)計可以超出人的想象力和創(chuàng)造力，達到意想不到的效果，特別是通過立體模型展示運動的全部情況，讓人耳目一新，同時既省大量的手工繪圖時間又節(jié)省大量的人力資源。以機械動漫設(shè)計為例，計算機設(shè)計軟件有多種，根據(jù)實踐表明采用幾個軟件聯(lián)合使用，相互補充功能更加強大。以Alias、3dsmax、pro/E、UG、CATIA的機械動漫三維造型設(shè)計使用特點進行研究論述。

[關(guān)鍵詞]概念化 計算機 三維 數(shù)字樣機 機械

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420013－02

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

機械動漫三維造型概念化設(shè)計，需要相應(yīng)的設(shè)計軟件來實現(xiàn)。在這里我們就以設(shè)計軟件的使用為核心，提出設(shè)計解決方案。

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

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。

第三階段，設(shè)計產(chǎn)品的外觀，對工業(yè)產(chǎn)品模型進行渲染、輸出。

下面，我們對這三個階段的設(shè)計過程以及對設(shè)計軟件工具的使用做以簡單的介紹。

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

在設(shè)計過程中不必局限于傳統(tǒng)實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，輕松地利用計算機建立的三維模型發(fā)揮個人創(chuàng)意。

這樣的三維模型，我們也可以稱其為概念模型。由于是一種無約束的自由建模表達方式，所以我們可以大膽地提出各種設(shè)計方案，盡情地發(fā)揮設(shè)計人員的想象能力；而且允許設(shè)計人員隨時進行修改、加工，允許保留多個設(shè)計方案，供專家和工程技術(shù)人員進行評估。

初步設(shè)計方案確定之后，我們可以把模型做得更精致一些。例如，外露的標準幾何體素（如立方體、圓柱體等）進行倒角，曲面進行倒邊，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。這樣的三維模型能使人更容易理解，我們就可以用它來進行交流，對未來新產(chǎn)品進行評估。當(dāng)設(shè)計方案確定之后，概念化設(shè)計的初始階段就基本完成了。

這一階段，我們完成了外觀形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動系統(tǒng)等各項主要設(shè)計任務(wù)。由于我們可以對這個概念化三維模型進行全方位的、多層次的動態(tài)展示，可以直觀地審視模型；即使產(chǎn)品設(shè)計方案確定之后，仍可以提出自己的意見和想法，進一步優(yōu)化和完善作品的設(shè)計方案。

甚至還可以征集各方面的反饋意見。在產(chǎn)生計算機數(shù)字化三維建模之前，這一切很難做到。因為設(shè)計圖紙無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)計領(lǐng)域越來越廣泛運用三維數(shù)字化設(shè)計的一個重要原因。

利用數(shù)字資源可重復(fù)利用的特點，可以設(shè)計作品的基本模型。它能反映所設(shè)計的作品的基本特征而忽略其它一些細節(jié)。這樣的模型，也就是所提到的概念化模型。當(dāng)需要改進作品的造型設(shè)計或者開發(fā)新作品時，就可以利用這個基本模型進行改建，而不必重新建立模型。簡而言之，概念化設(shè)計過程也就是對數(shù)據(jù)不斷修改的過程。

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

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

現(xiàn)在以Pro/E為例，來了解一下參數(shù)化設(shè)計思想。

Pro/ENGINEER(Pro/E)是由美國PTC公司開發(fā)的唯一的一整套機械設(shè)計自動化軟件產(chǎn)品。它的參數(shù)化和基本特征建模技術(shù)，提供給設(shè)計師一個革命性的方法去實現(xiàn)機械設(shè)計自動化。

所謂參數(shù)化，就是將設(shè)計要求、設(shè)計原則、設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果等設(shè)計要素用靈活可變的參數(shù)來表示，以利于在人機交換的過程中根據(jù)實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，而且具有實際的物理意義?？梢赃\用數(shù)學(xué)運算公式，建立各尺寸參數(shù)間的關(guān)系式，使模型自動計算出應(yīng)有的外形。生成三維實體模型之后，可以感受到真實的空間實體模型。借助于系統(tǒng)參數(shù)（system parameters），還可以計算出零部件的體積、重心、重量、慣性等。

機械設(shè)計過程的復(fù)雜性、多樣性和靈活性要求機械設(shè)計自動化必須走參數(shù)化的路子。

Pro/E的參數(shù)化設(shè)計過程，是基于在三維空間坐標系的參照下構(gòu)建三維實體模型。整個建模過程大致可分為三個部分。

一、草繪輪廓

當(dāng)設(shè)計一個零部件時，要把它的輪廓描繪下來，然后標注尺寸。同樣，在數(shù)化設(shè)計過程中也要把所要設(shè)計的零部件的基本輪廓描繪下來，然后修改它的尺寸，使其符合的要求。這個過程稱之為草繪。

要進入草繪工作模式，首先要選擇空間直角坐標系中三個參照平面中的一個平面為草繪平面，同時，系統(tǒng)還要求再選擇一個平面為參照平面。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、生成三維實體模型

Pro/E是基于實體特征來生成三維實體模型的。機械產(chǎn)品的零部件、家用電器的外殼等在幾何外觀上都存在相類似的一些幾何特征，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體模型，系統(tǒng)會自動的把特征加到實體模型上面。

同許多三維建模軟件一樣，參數(shù)化建模方法同樣是對模型施加修改項。例如尺寸驅(qū)動修改、布爾運算、再次施加特征操作復(fù)制等。可以說，參數(shù)化建模的過程就是一個特征集合、尺寸修改的過程。這也體現(xiàn)了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計過程就是一個不斷修改、不斷完善的過程。

由于是實體化三維建模，所以在設(shè)計過程中，任何對模型的修改過程都會實時的、立體的反饋給設(shè)計人員。同時系統(tǒng)還會發(fā)出信息，指出哪些修改存在問題，如何解決。這樣將會使設(shè)計效率極大的提高。

三、進行組件的各項設(shè)計

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

采用參數(shù)化設(shè)計重要的是使計算機理解你的設(shè)計意圖。設(shè)計意圖就是通過所定義的幾何約束和尺寸驅(qū)動來表達的。

設(shè)計問題本質(zhì)上是一個約束滿足問題。約束是一種描述對象所必須滿足的某種特定關(guān)系的斷言。約束從宏觀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位置的約束，結(jié)構(gòu)約束是指拓撲與結(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)計質(zhì)量和安全而驅(qū)使設(shè)計對象的某些屬性必須滿足的規(guī)范要求。這一點在組件操作中是必須要遵循的。

設(shè)計是多個約束條件對設(shè)計空間的裁剪。這是一個不斷調(diào)試、選擇、完善、漸進的循環(huán)反復(fù)過程。約束滿足問題又稱CSP(Constrans Problem)

問題。它在基于約束的設(shè)計技術(shù)中占有重要位置。

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

實現(xiàn)尺寸驅(qū)動對設(shè)計人員來講有著極其重要的意義。尺寸驅(qū)動把設(shè)計圖形的直觀性和設(shè)計尺寸的精確性有機的統(tǒng)一下來。

當(dāng)確定了設(shè)計尺寸之后，計算機把這個尺寸所體現(xiàn)的形狀、大小和位置等信息通過屏幕直觀地反饋給設(shè)計人員。設(shè)計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)計中設(shè)計人員可以在屏幕上大致畫出設(shè)計要素的位置和大小。計算機就會自動將位置和大小尺寸化，供設(shè)計者參考。設(shè)計人員可以在需要的時候修改這些尺寸來滿足不同的要求。由此可以看出，尺寸驅(qū)動可以大大提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。

當(dāng)我們采用參數(shù)化設(shè)計方案完成一臺機械裝置的設(shè)計，那么這臺由計算機“制造”出來的虛擬模型，就是人們常說的“數(shù)字樣機”。

所謂“數(shù)字樣機”，相當(dāng)于傳統(tǒng)的手工打造的樣機模型。只不過傳統(tǒng)的樣機模型是實際的、物理的，而數(shù)字樣機則是計算機虛擬生成的。或者說，一個是由原子組成的，一個是由比特構(gòu)成的。傳統(tǒng)的樣機模型通常是手工打造，制作難度大，周期長，成本高，且修改也不容易，所容納的信息也很有限的。

而數(shù)字樣機制作快捷，修改容易。它所包含的信息容量非常大。一個成型的數(shù)字樣機包含了整個產(chǎn)品的由表及里的全部內(nèi)容，甚至包括每一個定位孔、螺絲釘?shù)?。我們?jīng)常聽到“數(shù)字汽車”、“數(shù)字飛機”等說法，指的就是這個意思。

我們可以將最初設(shè)計的數(shù)字樣機模型作為原始樣機模型。當(dāng)開發(fā)同類的新產(chǎn)品時，就可以在原始數(shù)字樣機模型上進行修改，而不必從頭到尾構(gòu)建新的模型。實際上，數(shù)字樣機就是一個概念化設(shè)計平臺，這個設(shè)計平臺可以進行網(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)提供了所有工程項目之間的集成，使產(chǎn)品從設(shè)計到制造緊密地聯(lián)系在一起。并能同時進行開發(fā)和制造產(chǎn)品，可以很容易地評價多個設(shè)計方案，并進行智能優(yōu)化，從而使產(chǎn)品達到最優(yōu)化設(shè)計，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和降低制造成本。

在這里有必要提及一個問題，為什么不用參數(shù)化建模來一次性完成概念化設(shè)計，而先要采用無約束自由建模方法來進行呢？

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自己的設(shè)計意圖。這一點在前面所講的參數(shù)化設(shè)計時已經(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。無約束自由建模軟件通常擁有強大的渲染器和動畫輸出能力，這一點是參數(shù)化建模軟件所不及的。

如果在概念化設(shè)計開始階段就采用參數(shù)化設(shè)計方案，就好像在畫畫時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)計思路。當(dāng)然這都不是絕對的，先采用無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、資料的儲備以及個人掌握和使用軟件的熟練程度。例如，像家用電器類小型產(chǎn)品，就可以直接采用參數(shù)化建模方法來進行。

在作品設(shè)計過程中，總會遇到曲面建模這個問題。當(dāng)今的作品外觀設(shè)計越來越多地融入了曲面特征。在產(chǎn)品構(gòu)件加工過程中，通常需要那種連續(xù)的、計算機能將其轉(zhuǎn)換成NC代碼的曲面。

現(xiàn)在的機械加工技術(shù)能夠使復(fù)雜的曲面加工變?yōu)榭赡?。目前大多?shù)3D軟件都可以完成曲面造型設(shè)計，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大。

值得一提的是，正是因為傳統(tǒng)的設(shè)計方法無法描述像汽車、飛機等大量的曲面問題，所以才產(chǎn)生了今天我們所看到的Pro/E、UG等功能強大的參數(shù)化設(shè)計軟件。

一般來講，曲面建模屬于高級建模。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)計軟件都把曲面建模作為一個相對獨立的操作系統(tǒng)。特別是由于不規(guī)則曲面具有非平行的融合特征，所以其建模過程具有一定的難度。這就要求設(shè)計人員應(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)計出光順、流暢且符合工程設(shè)計要求的曲面造型。

大多數(shù)3D建模軟件中的高級曲面模型建構(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曲線和NURBS曲面在傳統(tǒng)的制圖領(lǐng)域是不存在的，是為使用計算機進行三維建摸而專門建立的。在三維建摸的內(nèi)部空間用曲線和曲面來表現(xiàn)輪廓和外型。它們是用數(shù)學(xué)表達式構(gòu)建的，NURBS數(shù)學(xué)表達式是一種復(fù)合體。

由于高級的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，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Pro/E的曲面建模不太了解，而對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進行渲染輸出。此外，在參數(shù)化設(shè)計軟件中，還可以對曲面的曲率進行分析、檢測，以使曲面模型能更好地符合工程設(shè)計要求。

能否掌握NURBS曲面建模技巧，是衡量一個數(shù)字產(chǎn)品造型設(shè)計師水平的一個重要的標志。

作品的造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，就可以進行最后一項產(chǎn)品的外觀設(shè)計。

作品的外觀設(shè)計主要包括三個方面：材質(zhì)、色調(diào)、紋案。

我們再回到3DSMAX中。前面我們提到過這個軟件，其作用是用它來實現(xiàn)我們產(chǎn)品設(shè)計初期的概念化模型制作，主要是利用它的無約束自由建模的特點。

我們知道，這個軟件還有一個強大的渲染器和材質(zhì)貼圖制作系統(tǒng)。利用3DSMAX這一特點，我們可以進行產(chǎn)品的仿真設(shè)計。也就是說，我們可以用計算機把作品模型渲染、輸出成仿真的虛擬產(chǎn)品。以前，在設(shè)計圖紙完成后，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)計的作品。這樣的模型做起來費工費時，成本高，且修改也不易。而用計算機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)計能否得到認可，外觀設(shè)計這一過程是非常重要的。這不僅取決于設(shè)計者的審美能力，也取決于對軟件的渲染和材質(zhì)貼圖系統(tǒng)掌握的程度。

由于概念化設(shè)計是對作品設(shè)計方案不斷改進和完善的過程，所以，上述三個階段可相互交疊、重復(fù)進行。

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