可视化装配动画在家具产品中的应用研究

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京210037)

三维动画技术是计算机信息技术发展的产物，与传统二维动画不同，三维动画在视觉效果上更加生动立体[1]，它可以非常形象地表现出产品的外观、结构、性能和用途，并通过现代传媒技术进行传播。可视化装配动画是三维动画技术的一种表现形式，其原理是利用产品及其组件的三维模型，创建并记录产品及其组件的运动或拆解过程，将产品的3D装配步骤编辑并输出成三维动画，实现产品装配过程的可视化[2]。

可视化装配动画在机械设计领域已有较为广泛的应用，常应用UG、CATIA等三维设计软件制作并输出机械产品结构拆解及其功能演示的三维动画，且大量应用于产品结构及功能展示、装配过程指导、装配干涉验证等环节，为产品的设计开发及装配过程提供了参考和指导[3]。可视化装配动画目前在家具产品中的应用较少，一方面原因在于软件的匹配性上存在问题。UG、CATIA等大型三维设计软件虽然功能强大，但并不适用于家具产品的设计和开发过程，且成本高昂，匹配性较低[4]。另一方面原因在于相关人才培养较少，家具产品动画的制作要求创作者对家具的结构、造型和文化内涵有系统的学习及认识，切不能用“机械思维”去制作家具产品的动画[5]。

1 软件选型

可视化装配动画常用软件包含UG、CATIA、3D max、keyshot、3DVIA composer等[6]。其中UG、CATIA软件是大型三维设计软件，其装配设计模块可以提供可视化装配动画的编辑功能，可进行产品及其组件干涉检查和运动仿真，但输出动画的渲染及展示效果一般，常应用于机械产品的结构及功能展示、装配过程指导、装配干涉验证等环节[7]。3D max、keyshot软件是三维建模、专业渲染和动画编辑软件，重在动画效果的展现。渲染效果和动画编辑是两款软件的特色，但前期产品建模及三维模型导入匹配性方面是两款软件的薄弱环节[8]。3DVIA composer软件是专业动画编辑软件，其在渲染及展示效果和模型兼容性上表现更加均衡，可与SolidWorks软件无缝衔接，SolidWorks建模的产品可直接导入至3DVIA composer软件中进行动画编辑，由于SolidWorks软件在家具产品建模中具有一定的应用，尤其在办公家具领域。因此，本文对3DVIA composer可视化装配动画在家具产品中的应用进行探究[9]。

3DVIA composer软件是一款基于三维数模进行技术文档创作及动画制作的互动式三维软件，可以直接使用3D模型创建三维数字化文档，利用软件的内建功能，可以快速建立各种三维动画、爆炸图、零件图以及交互式展示功能效果[10]。该软件可以整合现在所有主流三维设计软件的文件格式，如UG NX、PROE、Catia以及Solidworks及其他多种三维CAD格式文件[11]。同时3DVIA composer软件容易学习，动画制作效果流畅，且简单便捷，因此适用于家具产品构造的可视化展示[12]。

2 基于3DVIA composer的家具产品动画设计制作

2.1 模型建立

3DVIA composer软件是专业动画编辑软件，虽然软件中有几何建模模块，但该模块的建模功能简单，仅用于基本几何体(如球体、正方体、圆柱体)的创建以及对导入至3DVIA composer软件中的曲面进行分解、筛选和合并等操作[13]。因此，家具产品模型建立的过程需要在专业建模软件中进行，3DVIA composer软件整合了现在所有主流三维设计软件的文件对接，如UG NX、PROE、Catia以及Solidworks等软件。通常情况下，由UG NX、PROE、Catia等常用三维建模软件建好的家具模型，需要保存为igs、stp等中间格式，通过中间格式将家具模型以曲面的形式导入至3DVIA composer软件中，并在3DVIA composer软件中对导入的曲面进行分解和组合，得到按零件组合起来的整体对象[14-16]。然而对于Solidworks软件而言，3DVIA composer软件可以与其实现无缝衔接[17-18]。由Solidworks软件中建好的家具模型可以导出并保存为smg格式，将smg格式文件导入至3DVIA composer软件中，可以直接进行动画编辑等操作。一般情况下，对于由多个零件组合而成的家具模型，首先需要通过Solidworks软件建好每个零件的模型，然后在装配体模式下装配好所有零件，最后在配体模式下导出装配体的smg格式文件，由此可以得到按零件组合起来的整体对象[19]。

2.2 灯光及材质设置

3DVIA composer软件的材质种类较少，主要包含金属、塑料和玻璃等基本材质效果。因此，木质材料在3DVIA composer基本材料库里无法选用并展示出来，需要通过纹理贴图的方式来实现。首先，选用合适的木材纹理图片，依据模型的轮廓选择平面、圆柱面或球面投影，使得贴图沿着正确的方向投影于模型表面[20]。对于如椅子的座面，优选平面投影进行平面贴图；对于椅腿，优选圆柱面投影进行圆柱面贴图。若投影后出现木纹大小和比例错误的问题，可以通过修改高宽比和纹理比例进行微调。一般情况下，3DVIA composer的模型是被环境光源照亮的，环境光从各个方向均匀地照亮模型，为模型增加亮度，用户可以根据需要更改视口的照明属性，选择合适的照明模式。对于通过木材纹理贴图得到的家具模型表面，可以根据视口中实时显示的渲染效果选用最适合的灯光模式[21]。优选三个光源或着色图解模式，配合视口背景颜色的选用搭配，可以更好地凸显出木质材料渲染的效果。

2.3 关键帧编辑

可视化装配动画是对展示对象造型、结构和装配过程的特别展示。因此，关键帧的编辑也需着重展示上述特征，3DVIA composer软件中常用四类关键帧，包括位置关键帧、照相机关键帧和Digger关键帧[22]。其中，位置关键帧是可视化装配动画的基础。家具产品可视化装配动画中位置关键帧的设置需要依据家具的基本结构确定，以圈椅模型为例，位置关键帧设置前需要充分考虑圈椅的结构构成。按照“有顺序拆解”的基本原则，圈椅的拆解过程遵循从上到下、从外往内、从前至后的顺序。首先拆解椅圈部分，随后将前腿、后腿、靠背板以及鹅脖部分进行分离；座面部分，成对的面边和抹头可以同时拆解，而后将面心进行分离；最后，将券口和步步高赶枨从前至后依次或成对拆解，得到合理的拆解顺序，此拆解顺序即为位置关键帧的编辑顺序。照相机关键帧用于切换观察对象的视角和视距，丰富可视化装配动画的展示效果[23-25]。照相机关键帧可以混合设置于与位置关键帧并行的任意时刻，与位置关键帧配合，用于突出展示特定视角和视距下某一对象或变换的细节。圈椅的拆解过程遵循从上到下、从外往内、从前至后的顺序，其照相机关键帧的编辑也遵循从上到下、从外往内、从前至后的基本原则。例如，对圈椅的步步高赶枨进行拆解展示时，脚踏枨和两侧山枨可以从正等轴侧投影视角进行展示。后枨拆解展示时则需要转换视角，将照相机顺时针或逆时针方向绕圈椅旋转至其后方进行展示。此过程即完成了一次照相机关键帧的变换，实现了对家具产品中特定对象的特定变换的特写展示，优化了展示效果。Digger又称细节探查器，是3DVIA composer软件的特色功能，用于对家具产品中的特定对象进行缩放、剖视和透视等细节展示。圈椅的可视化装配动画中可以适时加入一些细节展示。例如在对圈椅座面结构进行拆装展示时，可以对其“攒边格角”的结构进行细节关键帧的设置，在Digger关键帧的视口中对“攒边格角”结构进行放大，清楚地展示出“攒边格角”的细节特征，以此丰富家具产品可视化装配动画的内容及效果，与位置关键帧、照相机关键帧一起，组合完成可视化装配动画的编辑。

3 小结

可视化装配动画在机械等领域已有较为广泛的应用，目前在家具产品中的应用较少。本文首先对比了主要用于制作可视化装配动画的相关软件，筛选出3DVIA composer软件适用于家具产品构造的可视化展示。从模型建立、灯光及材质设置以及关键帧编辑三个方面对3DVIA composer可视化装配动画在家具产品中的应用进行了探究。验证了3DVIA composer可视化装配动画在家具产品中应用的可行性，为家具产品可视化装配动画的设计开发及后期装配提供了参考。