动漫三维造型概念化设计

高维岳　张　文　林　琳

[摘要]主要论述在计算机动漫创作过程中，利用概念化设计可以超出人的想象力和创造力，达到意想不到的效果，特别是通过立体模型展示运动的全部情况，让人耳目一新，同时既省大量的手工绘图时间又节省大量的人力资源。以机械动漫设计为例，计算机设计软件有多种，根据实践表明采用几个软件联合使用，相互补充功能更加强大。以Alias、3dsmax、pro/E、UG、CATIA的机械动漫三维造型设计使用特点进行研究论述。

[关键词]概念化 计算机 三维 数字样机 机械

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420013－02

所谓概念化设计，创作人员以计算机为工具，进行最初的创意、设计，然后生成数字化实体模型，最后生成防真的三维模型。概念化设计是一个崭新的设计理念，有着非常广阔的应用空间。

机械动漫三维造型概念化设计，需要相应的设计软件来实现。在这里我们就以设计软件的使用为核心，提出设计解决方案。

第一阶段，采用无约束自由建模方法，构建产品的三维模型，即搭建我们的概念化设计平台。

第二阶段，采用参数化建模方法，使工业产品的三维模型在约束条件下确定下来。

第三阶段，设计产品的外观，对工业产品模型进行渲染、输出。

下面，我们对这三个阶段的设计过程以及对设计软件工具的使用做以简单的介绍。

在表达作品设计的初始创意阶段，我们可以选择无约束自由建模软件，例如，Alias.3dSMAX等。这类软件工具擅长表达创意阶段的造型设计，让设计者能够快速地将构想的草图以逼真的三维模型呈现在眼前。

在设计过程中不必局限于传统实体模型在参考面的设置，在约束条件的限制下绘制模型；而让创意随着意念走，轻松地利用计算机建立的三维模型发挥个人创意。

这样的三维模型，我们也可以称其为概念模型。由于是一种无约束的自由建模表达方式，所以我们可以大胆地提出各种设计方案，尽情地发挥设计人员的想象能力；而且允许设计人员随时进行修改、加工，允许保留多个设计方案，供专家和工程技术人员进行评估。

初步设计方案确定之后，我们可以把模型做得更精致一些。例如，外露的标准几何体素（如立方体、圆柱体等）进行倒角，曲面进行倒边，再给模型赋予材质，使其大致能体现最终产品的外观。这样的三维模型能使人更容易理解，我们就可以用它来进行交流，对未来新产品进行评估。当设计方案确定之后，概念化设计的初始阶段就基本完成了。

这一阶段，我们完成了外观形态、内部结构、动力驱动系统等各项主要设计任务。由于我们可以对这个概念化三维模型进行全方位的、多层次的动态展示，可以直观地审视模型；即使产品设计方案确定之后，仍可以提出自己的意见和想法，进一步优化和完善作品的设计方案。

甚至还可以征集各方面的反馈意见。在产生计算机数字化三维建模之前，这一切很难做到。因为设计图纸无法在人们的头脑中建立完整的空间形态，这也是当今设计领域越来越广泛运用三维数字化设计的一个重要原因。

利用数字资源可重复利用的特点，可以设计作品的基本模型。它能反映所设计的作品的基本特征而忽略其它一些细节。这样的模型，也就是所提到的概念化模型。当需要改进作品的造型设计或者开发新作品时，就可以利用这个基本模型进行改建，而不必重新建立模型。简而言之，概念化设计过程也就是对数据不断修改的过程。

一旦概念化模型建立之后，就可以将其模型赋予尺寸，同时建立模型构件之间相互约束关系。这一过程称之为参数化设计。也就是说，要使用带有尺寸驱动、附有约束条件的专业设计软件来完成。

这类比较有代表性的参数化设计软件有Pro/E、UG、CATIA等。

现在以Pro/E为例，来了解一下参数化设计思想。

Pro/ENGINEER(Pro/E)是由美国PTC公司开发的唯一的一整套机械设计自动化软件产品。它的参数化和基本特征建模技术，提供给设计师一个革命性的方法去实现机械设计自动化。

所谓参数化，就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果等设计要素用灵活可变的参数来表示，以利于在人机交换的过程中根据实际情况的变化而加以更改。

Pro/E的参数不仅代表零件的各种尺寸，而且具有实际的物理意义。可以运用数学运算公式，建立各尺寸参数间的关系式，使模型自动计算出应有的外形。生成三维实体模型之后，可以感受到真实的空间实体模型。借助于系统参数（system parameters），还可以计算出零部件的体积、重心、重量、惯性等。

机械设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求机械设计自动化必须走参数化的路子。

Pro/E的参数化设计过程，是基于在三维空间坐标系的参照下构建三维实体模型。整个建模过程大致可分为三个部分。

一、草绘轮廓

当设计一个零部件时，要把它的轮廓描绘下来，然后标注尺寸。同样，在数化设计过程中也要把所要设计的零部件的基本轮廓描绘下来，然后修改它的尺寸，使其符合的要求。这个过程称之为草绘。

要进入草绘工作模式，首先要选择空间直角坐标系中三个参照平面中的一个平面为草绘平面，同时，系统还要求再选择一个平面为参照平面。草绘平面和参照平面选定后，系统方可将草绘平面转正，也就是将草绘平面转向屏幕的正方向。这样就可以在草绘平面上作图了。

二、生成三维实体模型

Pro/E是基于实体特征来生成三维实体模型的。机械产品的零部件、家用电器的外壳等在几何外观上都存在相类似的一些几何特征，比如拉伸特征、旋转特征、倒角特征、加强筋特征、孔特征、壳特征、扫描特征等。

当轮廓图形建立之后，就可以把这些特征指定给实体模型，系统会自动的把特征加到实体模型上面。

同许多三维建模软件一样，参数化建模方法同样是对模型施加修改项。例如尺寸驱动修改、布尔运算、再次施加特征操作复制等。可以说，参数化建模的过程就是一个特征集合、尺寸修改的过程。这也体现了工业产品的设计过程就是一个不断修改、不断完善的过程。

由于是实体化三维建模，所以在设计过程中，任何对模型的修改过程都会实时的、立体的反馈给设计人员。同时系统还会发出信息，指出哪些修改存在问题，如何解决。这样将会使设计效率极大的提高。

三、进行组件的各项设计

在正规的产品设计过程中，很多机械装置是由很多各种零部件有机装配起来的组合产品。Pro/E系统则为用户提供了组件模块来完成组合产品的装配工作。完成大型的、复杂的机械产品的参数化设计。

采用参数化设计重要的是使计算机理解你的设计意图。设计意图就是通过所定义的几何约束和尺寸驱动来表达的。

设计问题本质上是一个约束满足问题。约束是一种描述对象所必须满足的某种特定关系的断言。约束从宏观上可分为几何约束与工程约束。

所谓几何约束从性质上可分为尺寸约束与结构约束。尺寸约束是指固定几何元素之间相对位置的约束，结构约束是指拓扑与结构上的约束。

所谓约束是指在特定的背景下为保证设计质量和安全而驱使设计对象的某些属性必须满足的规范要求。这一点在组件操作中是必须要遵循的。

设计是多个约束条件对设计空间的裁剪。这是一个不断调试、选择、完善、渐进的循环反复过程。约束满足问题又称CSP(Constrans Problem)

问题。它在基于约束的设计技术中占有重要位置。

计算机如何根据尺寸和相关条件正确的控制实体模型的轮廓是参数化设计的一个技术关键。而所谓尺寸驱动（DimenSion Drive）就是指当设计人员对轮廓尺寸和相关数值进行改变时，轮廓的外形也会随之发生相应的变化。这也就是前面提到的尺寸约束。

实现尺寸驱动对设计人员来讲有着极其重要的意义。尺寸驱动把设计图形的直观性和设计尺寸的精确性有机的统一下来。

当确定了设计尺寸之后，计算机把这个尺寸所体现的形状、大小和位置等信息通过屏幕直观地反馈给设计人员。设计人员就可以迅速的发现不合理的尺寸。另一方面，在结构设计中设计人员可以在屏幕上大致画出设计要素的位置和大小。计算机就会自动将位置和大小尺寸化，供设计者参考。设计人员可以在需要的时候修改这些尺寸来满足不同的要求。由此可以看出，尺寸驱动可以大大提高设计的效率和质量。

当我们采用参数化设计方案完成一台机械装置的设计，那么这台由计算机“制造”出来的虚拟模型，就是人们常说的“数字样机”。

所谓“数字样机”，相当于传统的手工打造的样机模型。只不过传统的样机模型是实际的、物理的，而数字样机则是计算机虚拟生成的。或者说，一个是由原子组成的，一个是由比特构成的。传统的样机模型通常是手工打造，制作难度大，周期长，成本高，且修改也不容易，所容纳的信息也很有限的。

而数字样机制作快捷，修改容易。它所包含的信息容量非常大。一个成型的数字样机包含了整个产品的由表及里的全部内容，甚至包括每一个定位孔、螺丝钉等。我们经常听到“数字汽车”、“数字飞机”等说法，指的就是这个意思。

我们可以将最初设计的数字样机模型作为原始样机模型。当开发同类的新产品时，就可以在原始数字样机模型上进行修改，而不必从头到尾构建新的模型。实际上，数字样机就是一个概念化设计平台，这个设计平台可以进行网络化操作。

Pro/E产品系列的参数化和基于特征建模的能力给设计者提供了空前容易和灵活的环境。另外，Pro/E唯一的数据结构提供了所有工程项目之间的集成，使产品从设计到制造紧密地联系在一起。并能同时进行开发和制造产品，可以很容易地评价多个设计方案，并进行智能优化，从而使产品达到最优化设计，缩短产品的开发周期和降低制造成本。

在这里有必要提及一个问题，为什么不用参数化建模来一次性完成概念化设计，而先要采用无约束自由建模方法来进行呢？

首先，应该清楚参数化建模是有很多约束条件的，这使你不能随心所欲地表达自己的设计意图。这一点在前面所讲的参数化设计时已经做了论述。而自由建模则不需要任何约束条件，所有构成模型的任何图元都可随意摆放，尽情地发挥自己的想象能力。无约束自由建模软件通常拥有强大的渲染器和动画输出能力，这一点是参数化建模软件所不及的。

如果在概念化设计开始阶段就采用参数化设计方案，就好像在画画时不打素描稿就直接着色一样，反而不能使我们连贯地、顺畅地发挥设计思路。当然这都不是绝对的，先采用无约束自由建模还是先采用参数化建模，这要取决于作品的复杂程度、资料的储备以及个人掌握和使用软件的熟练程度。例如，像家用电器类小型产品，就可以直接采用参数化建模方法来进行。

在作品设计过程中，总会遇到曲面建模这个问题。当今的作品外观设计越来越多地融入了曲面特征。在产品构件加工过程中，通常需要那种连续的、计算机能将其转换成NC代码的曲面。

现在的机械加工技术能够使复杂的曲面加工变为可能。目前大多数3D软件都可以完成曲面造型设计，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强大。

值得一提的是，正是因为传统的设计方法无法描述像汽车、飞机等大量的曲面问题，所以才产生了今天我们所看到的Pro/E、UG等功能强大的参数化设计软件。

一般来讲，曲面建模属于高级建模。其几何算法与普通的几何体素建模有着很大的区别。所以大多数3D设计软件都把曲面建模作为一个相对独立的操作系统。特别是由于不规则曲面具有非平行的融合特征，所以其建模过程具有一定的难度。这就要求设计人员应具有一定的空间想象能力，能够熟练的掌握各种曲面建模工具、命令等。这样才能设计出光顺、流畅且符合工程设计要求的曲面造型。

大多数3D建模软件中的高级曲面模型建构都采用NURBS算法，即贝塞尔算法。NURBS是一种非常优秀的建模方式，在高档的3D软件当中都支持这种建模方式。NURBS曲线和NURBS曲面在传统的制图领域是不存在的，是为使用计算机进行三维建摸而专门建立的。在三维建摸的内部空间用曲线和曲面来表现轮廓和外型。它们是用数学表达式构建的，NURBS数学表达式是一种复合体。

由于高级的3D软件都支持NURBS曲面建模方式，那么它们的曲面算法自然也都一样。这样一来，就使得不同的三维软件中的带有曲面造型的文件之间的交换成为可能。

例如，我们对Pro/E的曲面建模不太了解，而对3DSMAX或者Rhino曲面建模非常熟练，那么我们就可以将曲面模型导入到Pro/E中，继续开展后续的建模工作。反之，我们也可以将参数化建模软件中的文件导入到3DSMAX进行渲染输出。此外，在参数化设计软件中，还可以对曲面的曲率进行分析、检测，以使曲面模型能更好地符合工程设计要求。

能否掌握NURBS曲面建模技巧，是衡量一个数字产品造型设计师水平的一个重要的标志。

作品的造型、结构设计完成之后，就可以进行最后一项产品的外观设计。

作品的外观设计主要包括三个方面：材质、色调、纹案。

我们再回到3DSMAX中。前面我们提到过这个软件，其作用是用它来实现我们产品设计初期的概念化模型制作，主要是利用它的无约束自由建模的特点。

我们知道，这个软件还有一个强大的渲染器和材质贴图制作系统。利用3DSMAX这一特点，我们可以进行产品的仿真设计。也就是说，我们可以用计算机把作品模型渲染、输出成仿真的虚拟产品。以前，在设计图纸完成后，为了让人们看到最终的作品造型，通常用手工做成模型，用以展示所设计的作品。这样的模型做起来费工费时，成本高，且修改也不易。而用计算机输出仿真的作品模型，则是一件轻松愉快的事情。

作品的设计能否得到认可，外观设计这一过程是非常重要的。这不仅取决于设计者的审美能力，也取决于对软件的渲染和材质贴图系统掌握的程度。

由于概念化设计是对作品设计方案不断改进和完善的过程，所以，上述三个阶段可相互交叠、重复进行。

参考文献：

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