王 琛，張佳音，鄭泠汐

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬展示方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中起到越來越重要的作用。產(chǎn)品虛擬展示是通過三維可視化圖形界面和對(duì)模型的三維操作來實(shí)現(xiàn)虛擬展示的效果[1-3]。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，在計(jì)算機(jī)的虛擬仿真環(huán)境中建立能夠展現(xiàn)與實(shí)際產(chǎn)品盡可能造型、結(jié)構(gòu)和功能相似的數(shù)字仿真模型[3]。其目的不僅是對(duì)產(chǎn)品的物理形態(tài)和功能進(jìn)行可視化模擬，而且是對(duì)產(chǎn)品的概念、性能和可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化。通常，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品虛擬展示常用的軟件有CATIA、UG NX、Solid Works Composer、Keyshot、3D max等[4-6]。

1 虛擬展示方法

虛擬展示是以可視化圖形技術(shù)為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為依托的一種產(chǎn)品展示手段。隨著三維技術(shù)的發(fā)展，三維虛擬展示將取代二維展示而成為主流[7]。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維展示方法，三維展示方法擁有巨大優(yōu)勢(shì)[8]，其不僅使展示物體更加生動(dòng)形象，還可以與用戶具有交互性。用戶可以直接從視覺獲取所需要的各種信息而不需要額外閱讀產(chǎn)品介紹。目前主流的三維虛擬展示方法有如下三種：虛擬現(xiàn)實(shí)法、全息投影法和計(jì)算機(jī)輔助虛擬展示法[9]。

虛擬現(xiàn)實(shí)法是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中[10]。虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用非常廣泛，它充分調(diào)動(dòng)了人的聽覺、視覺與觸覺，具有極強(qiáng)的真實(shí)性和交互性[11]。

全息投影法是利用光物理原理，生動(dòng)再現(xiàn)物體的三維影像，廣泛用于新品展示、文物展示等領(lǐng)域。全息投影可以真實(shí)展現(xiàn)物體的三維信息，但相比于虛擬現(xiàn)實(shí)法用戶的交互性略差[12]。

計(jì)算機(jī)輔助虛擬展示法是通過計(jì)算機(jī)虛擬展示軟件制作關(guān)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的輔助虛擬展示動(dòng)畫，以達(dá)到展示產(chǎn)品外觀、結(jié)構(gòu)和功能的效果，也可以實(shí)現(xiàn)一定的交互功能[13-16]。常用軟件有3DMAX、Solid Works Composer、Keyshot等。計(jì)算機(jī)輔助虛擬展示應(yīng)用非常廣泛，成本低，簡單易學(xué)，展示效果具有真實(shí)性和交互性[17]。

相較于虛擬現(xiàn)實(shí)法和全息投影法，計(jì)算機(jī)輔助虛擬展示法是利用計(jì)算機(jī)虛擬展示軟件來進(jìn)行產(chǎn)品虛擬展示的方法。輸入、輸出設(shè)備簡單，一臺(tái)計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行虛擬展示效果的編輯和呈現(xiàn)，成本較低[18]。易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品虛擬展示、滿足設(shè)計(jì)師及客戶瀏覽需求，因而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中得到廣泛的應(yīng)用。其中，基于Solid Works Composer的產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫是計(jì)算機(jī)輔助虛擬展示法中應(yīng)用較多的案例[19]。

2 基于Solid Works Composer的產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫

2.1 Solid Works Composer軟件

Solid Works Composer軟件是一款基于三維數(shù)模進(jìn)行技術(shù)文檔創(chuàng)作及動(dòng)畫制作的互動(dòng)式三維軟件，可以直接使用3D模型創(chuàng)建三維數(shù)字化文檔，利用軟件的內(nèi)建功能，可以快速建立各種三維動(dòng)畫、爆炸圖、零件圖以及交互式展示功能效果[20]。該軟件可以整合現(xiàn)在所有主流三維設(shè)計(jì)軟件的文件格式，如UG NX、PROE、CATIA以及Solid Works及其他多種三維CAD格式文件。同時(shí)Solid Works Composer容易學(xué)習(xí)，動(dòng)畫制作效果流暢，簡單便捷，因此適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)產(chǎn)品的概念、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行虛擬展示。

2.2 虛擬展示動(dòng)畫分類

基于Solid Works Composer軟件的虛擬展示動(dòng)畫包含三個(gè)方向的分類：一是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的虛擬展示動(dòng)畫，二是產(chǎn)品功能的虛擬展示動(dòng)畫，三是產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)的虛擬展示動(dòng)畫?；赟olid Works Composer的產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫可以是其中一類動(dòng)畫類型的呈現(xiàn)，也可以是多類動(dòng)畫類型的組合。因此，選擇合適的虛擬展示動(dòng)畫類型是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬展示的關(guān)鍵。

2.2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的虛擬展示動(dòng)畫

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的虛擬展示動(dòng)畫是Solid Works Composer軟件最常用的虛擬展示方式。通常用于驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及裝配設(shè)計(jì)的可行性。主要形式是有順序的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拆裝動(dòng)畫，又稱為“虛擬裝配動(dòng)畫”[21]。產(chǎn)品虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境下模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的仿真模型，并在其中進(jìn)行虛擬拆裝。此種虛擬展示方式降低了設(shè)計(jì)成本，加快了設(shè)計(jì)周期。

2.2.2 產(chǎn)品功能的虛擬展示動(dòng)畫

產(chǎn)品功能的虛擬展示是Solid Works Composer軟件另一種常見的虛擬展示方式。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)從功能需求分析開始，設(shè)計(jì)的好壞取決于其是否滿足設(shè)計(jì)初期的功能需求。因此，在虛擬環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行虛擬展示，驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)需求，既測(cè)驗(yàn)了產(chǎn)品功能的可行性，又提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率[22]。

2.2.3 產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)的虛擬展示動(dòng)畫

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程除了考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝配和功能等方面因素，還需要考慮產(chǎn)品工作過程中整體和局部的運(yùn)動(dòng)方式、路徑軌跡、干涉問題以及動(dòng)、靜力學(xué)性能等[23]。因此，對(duì)產(chǎn)品工作過程中整體和局部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行虛擬展示，檢查局部與整體、局部與局部的配合關(guān)系、干涉和碰撞問題，有利于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的問題，予以解決更新，提高設(shè)計(jì)的可靠性。

2.3 多種關(guān)鍵幀的組合應(yīng)用

虛擬展示動(dòng)畫的基本單元是關(guān)鍵幀，Solid Works Composer軟件中常用四類關(guān)鍵幀：位置關(guān)鍵幀、照相機(jī)關(guān)鍵幀、屬性關(guān)鍵幀和Digger關(guān)鍵幀[24]。Solid Works Composer產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫的實(shí)質(zhì)是多種關(guān)鍵幀的組合，從基礎(chǔ)的單一類型關(guān)鍵幀的編輯到多種類型關(guān)鍵幀的混合編輯，體現(xiàn)出不同的動(dòng)畫展示效果。

2.3.1 位置關(guān)鍵幀的應(yīng)用

位置關(guān)鍵幀是制作產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫的基礎(chǔ)，也是Solid Works Composer軟件的基本操作。位置關(guān)鍵幀的設(shè)置建立在展示對(duì)象順序變換的基礎(chǔ)上，位置關(guān)鍵幀可手動(dòng)記錄，也可自動(dòng)記錄。自動(dòng)關(guān)鍵幀模式下，對(duì)選定對(duì)象位置每進(jìn)行一次更改，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄下該對(duì)象的位置狀態(tài)，即位置關(guān)鍵幀。如此重復(fù)，直至所有對(duì)象的位置關(guān)鍵幀編輯完成。

2.3.2 照相機(jī)關(guān)鍵幀應(yīng)用觀察對(duì)象的視角和視距

在Solid Works Composer軟件中，照相機(jī)的位置和視口區(qū)域是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。因此，對(duì)視口區(qū)域的切換即可得到照相機(jī)的變換[25]。當(dāng)展示區(qū)域發(fā)生變換時(shí)，切換視口區(qū)域的方位和縮放比例可在合適的視角和視距下展示特定區(qū)域的對(duì)象，以達(dá)到對(duì)產(chǎn)品中特定對(duì)象特定變換的特寫展示，優(yōu)化了展示效果。

2.3.3 屬性關(guān)鍵幀的應(yīng)用

屬性關(guān)鍵幀主要包含了顏色、材料、透明度等屬性。自動(dòng)關(guān)鍵幀模式下選定某一對(duì)象后，在特定時(shí)刻對(duì)其顏色、材料、透明度進(jìn)行更改，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄下更改后的屬性關(guān)鍵幀，并產(chǎn)生漸變的效果。屬性關(guān)鍵幀在產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫中應(yīng)用也較多，常見形式有高亮效果切換、透明效果切換和材料(材質(zhì)、顏色效果)的切換[26]。

2.3.4 Digger關(guān)鍵幀

Digger又稱細(xì)節(jié)探查器，是Solid Works Composer軟件的特色功能，用于對(duì)產(chǎn)品中的特定對(duì)象進(jìn)行縮放、剖視和透視等細(xì)節(jié)展示。細(xì)節(jié)探查器通過鍵盤中的空格鍵調(diào)出，更改興趣點(diǎn)后對(duì)所選對(duì)象進(jìn)行單獨(dú)展示，展示出的細(xì)節(jié)可截取保存為二維圖片，也可設(shè)置為Digger關(guān)鍵幀，并對(duì)Digger關(guān)鍵幀加以淡入淡出等特效，以此豐富產(chǎn)品虛擬展示的內(nèi)容及效果。

2.4 虛擬展示動(dòng)畫的編輯要點(diǎn)

2.4.1 展示順序編輯

展示順序的編輯是產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫編輯的主線。Solid Works Composer的產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫是以產(chǎn)品虛擬展示順序?yàn)橹骶€，混合多種關(guān)鍵幀的組合，以及各種展示特效的加入，共同構(gòu)成完整的虛擬展示效果。展示順序編輯一般遵循的原則是“有順序的拆裝”，即由外到內(nèi)，層層拆解，與拆裝實(shí)物結(jié)構(gòu)的順序相同。

2.4.2 展示路徑規(guī)劃

展示順序的編輯確定了對(duì)象的展示順序，但沒有確定對(duì)象按照什么路徑移動(dòng)，以及移動(dòng)過程是否發(fā)生干涉。展示路徑的規(guī)劃是在裝配建模和展示順序編輯的基礎(chǔ)上，充分利用裝配信息進(jìn)行路徑分析、判斷和求解。生成一條無碰撞從展示起點(diǎn)到展示終點(diǎn)的路徑，從而達(dá)到優(yōu)化展示的效果。展示路徑的規(guī)劃主要包括展示對(duì)象分離方向的確定、分離距離的確定和干涉檢查。

2.4.3 復(fù)合運(yùn)動(dòng)編輯

復(fù)合運(yùn)動(dòng)是Solid Works Composer產(chǎn)品展示動(dòng)畫編輯中常用的操作。對(duì)于選定的展示對(duì)象，在動(dòng)畫模式下，一個(gè)時(shí)刻只能對(duì)應(yīng)一個(gè)位置關(guān)鍵幀，也就是在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)選定對(duì)象只能有一種運(yùn)動(dòng)。如果該對(duì)象在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)有兩種或兩種以上的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，則需要在裝配樹中建立該對(duì)象的父集裝配體，并在裝配體選擇模式下編輯該對(duì)象的其他運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生該對(duì)象在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

2.4.4 展示特效加入

Solid Works Composer產(chǎn)品展示動(dòng)畫中常用的展示特效包括箭頭特效、標(biāo)簽特效、淡入淡出特效、運(yùn)動(dòng)路徑展示等。展示特效是為了突出、強(qiáng)調(diào)、注釋展示對(duì)象的某一特征或者某種屬性。展示特效混合于展示動(dòng)畫的任意時(shí)刻，展示特效的加入可以豐富展示效果，讓整個(gè)展示過程生動(dòng)形象且自然流暢。

3 小結(jié)

產(chǎn)品虛擬展示方法是通過三維可視化圖形界面和對(duì)模型的三維操作來實(shí)現(xiàn)虛擬展示的效果?；赟olid Works Composer的產(chǎn)品虛擬展示方法適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期對(duì)產(chǎn)品的概念、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行虛擬展示。本文從Solid Works Composer的產(chǎn)品虛擬展示動(dòng)畫分類，關(guān)鍵幀的組合應(yīng)用以及虛擬展示動(dòng)畫的編輯要點(diǎn)等方面進(jìn)行了分析探究，總結(jié)了應(yīng)用技巧和編輯經(jīng)驗(yàn)，可為虛擬展示方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。