陳錦昌， 李若蕾

（華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)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(chǎng)中創(chuàng)造價(jià)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(jì)方法和傳統(tǒng)的盒型CAD軟件不能滿足異形盒設(shè)計(jì)的需要，特別是對(duì)于空間想象力不夠豐富的設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)異形盒會(huì)遇到重重困難。如何尋求一種規(guī)律性強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法，并將現(xiàn)代CAD技術(shù)應(yīng)用于異形盒設(shè)計(jì)，開發(fā)出可視性強(qiáng)、易于操作的設(shè)計(jì)系統(tǒng)以增強(qiáng)異形盒的輔助設(shè)計(jì)具有重要的意義。

國(guó)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(kù)，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(jì)新的異形盒盒型時(shí)，需經(jīng)過(guò)“設(shè)計(jì)平面結(jié)構(gòu)圖－輸出－手工試折成型－再修改”這樣一個(gè)復(fù)雜的循環(huán)，對(duì)異形盒設(shè)計(jì)的效率不高。此外，這些系統(tǒng)對(duì)異形盒設(shè)計(jì)適應(yīng)性差，設(shè)計(jì)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(duì)目前異形盒設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn)，本研究沒有采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法對(duì)盒型庫(kù)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(jì)過(guò)程的角度來(lái)有效優(yōu)化異形盒設(shè)計(jì)，開發(fā)出實(shí)現(xiàn)圖形交互設(shè)計(jì)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(jì)系統(tǒng)。

1 紙盒的立體構(gòu)成原理

紙盒設(shè)計(jì)中，多數(shù)盒形的形態(tài)設(shè)計(jì)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(jì)的關(guān)系如圖1所示，本研究確立設(shè)計(jì)目的是異形盒設(shè)計(jì)及可視化研究，然后可以由立體構(gòu)成元素和機(jī)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(duì)象——紙面的特殊性原則展開二維平面和三維空間的研究。對(duì)于一些個(gè)性化的異形盒型，運(yùn)用立體構(gòu)成手法使其具有設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)面的層排（面材的層層堆積重疊或通過(guò)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(jì)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(guò)彎折的變形方法改變平面與立體的關(guān)系，或通過(guò)排列的形式形成由一個(gè)固定面延展而成的形體，或由固定面運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jì)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(duì)象的運(yùn)動(dòng)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(jì)有基于折疊的異形盒設(shè)計(jì)，圖2為截面異形的異形盒，通過(guò)折疊角的變化實(shí)現(xiàn)截面異形，如通過(guò)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(guò)體板的斜、曲線設(shè)計(jì)和反撳設(shè)計(jì)技巧，實(shí)現(xiàn)紙盒的異型設(shè)計(jì)；有基于裁切的異形盒設(shè)計(jì)，圖4為異形盒提手、開窗等部分采用了裁切的異形設(shè)計(jì)，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(jì)，能產(chǎn)生很多異形變化的特殊異形盒種類。

圖2 通過(guò)折疊成型角的六棱柱變異

2 異形盒交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

使用OpenGL在Visual C++6.0平臺(tái)上開發(fā)出基于紙面的立體構(gòu)成的異形盒交互設(shè)計(jì)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(jì)了異形盒設(shè)計(jì)的常用單體（基本體）：三棱柱、三棱錐、四棱臺(tái)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(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有：異形盒平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括紙盒平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)修改，可以進(jìn)行多種圖元的繪制以及對(duì)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(chǎng)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(dòng)畫演示，包括紙面圖元?jiǎng)幼黜樞蛟O(shè)定、翻轉(zhuǎn)軸設(shè)定和旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定、自動(dòng)翻折的幀動(dòng)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(jì)流程

系統(tǒng)面向的主體用戶是異形盒設(shè)計(jì)人員或薄片類包裝設(shè)計(jì)人員，目的是使用戶通過(guò)PackCAD系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行可視化的交互創(chuàng)作，并得到一個(gè)初步三維場(chǎng)景效果，觀察紙盒的立體成型造型和對(duì)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(jì)流程如圖6所示。

系統(tǒng)的特點(diǎn)是：2D盒面片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，不限于長(zhǎng)、寬、高的盒型參數(shù)修改，而是可以自由設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行三維打樣的慣例，可以通過(guò)設(shè)定紙盒面片的折疊順序，并隨時(shí)返回修改，增加了異形盒構(gòu)成設(shè)計(jì)創(chuàng)新的靈活性；2D與3D相互轉(zhuǎn)換的同步設(shè)計(jì)交互環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了二維與三維空間模式的切換，真正起到了實(shí)時(shí)反映設(shè)計(jì)過(guò)程的作用；將一般CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)為“設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(jì)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(jì)了下拉式菜單、快捷工具欄、輔助狀態(tài)欄、動(dòng)作設(shè)置面板等易操作的交互對(duì)象，使得系統(tǒng)交互界面友好、可操作性強(qiáng)。

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

圖6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

圖7 系統(tǒng)操作界面

圖8所示為一個(gè)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(jì)應(yīng)用實(shí)例。

圖8 異形盒折合過(guò)程的實(shí)例

3 結(jié) 論

本研究開發(fā)了異形盒交互設(shè)計(jì)的 PackCAD系統(tǒng)，PackCAD系統(tǒng)實(shí)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(jì)的仿真模擬；具有友好的人機(jī)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(jì)操作時(shí)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(jì)中具有較強(qiáng)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(jì)過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)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(jì)[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(jì)與制造[M]. 北京: 印刷工業(yè)出版社, 2004: 17-65.