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

三維動畫技術(shù)是計算機(jī)信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)二維動畫不同，三維動畫在視覺效果上更加生動立體[1]，它可以非常形象地表現(xiàn)出產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、性能和用途，并通過現(xiàn)代傳媒技術(shù)進(jìn)行傳播?？梢暬b配動畫是三維動畫技術(shù)的一種表現(xiàn)形式，其原理是利用產(chǎn)品及其組件的三維模型，創(chuàng)建并記錄產(chǎn)品及其組件的運(yùn)動或拆解過程，將產(chǎn)品的3D裝配步驟編輯并輸出成三維動畫，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程的可視化[2]。

可視化裝配動畫在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域已有較為廣泛的應(yīng)用，常應(yīng)用UG、CATIA等三維設(shè)計軟件制作并輸出機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拆解及其功能演示的三維動畫，且大量應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能展示、裝配過程指導(dǎo)、裝配干涉驗證等環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)及裝配過程提供了參考和指導(dǎo)[3]?？梢暬b配動畫目前在家具產(chǎn)品中的應(yīng)用較少，一方面原因在于軟件的匹配性上存在問題。UG、CATIA等大型三維設(shè)計軟件雖然功能強(qiáng)大，但并不適用于家具產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)過程，且成本高昂，匹配性較低[4]。另一方面原因在于相關(guān)人才培養(yǎng)較少，家具產(chǎn)品動畫的制作要求創(chuàng)作者對家具的結(jié)構(gòu)、造型和文化內(nèi)涵有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)及認(rèn)識，切不能用“機(jī)械思維”去制作家具產(chǎn)品的動畫[5]。

1 軟件選型

可視化裝配動畫常用軟件包含UG、CATIA、3D max、keyshot、3DVIA composer等[6]。其中UG、CATIA軟件是大型三維設(shè)計軟件，其裝配設(shè)計模塊可以提供可視化裝配動畫的編輯功能，可進(jìn)行產(chǎn)品及其組件干涉檢查和運(yùn)動仿真，但輸出動畫的渲染及展示效果一般，常應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及功能展示、裝配過程指導(dǎo)、裝配干涉驗證等環(huán)節(jié)[7]。3D max、keyshot軟件是三維建模、專業(yè)渲染和動畫編輯軟件，重在動畫效果的展現(xiàn)。渲染效果和動畫編輯是兩款軟件的特色，但前期產(chǎn)品建模及三維模型導(dǎo)入匹配性方面是兩款軟件的薄弱環(huán)節(jié)[8]。3DVIA composer軟件是專業(yè)動畫編輯軟件，其在渲染及展示效果和模型兼容性上表現(xiàn)更加均衡，可與SolidWorks軟件無縫銜接，SolidWorks建模的產(chǎn)品可直接導(dǎo)入至3DVIA composer軟件中進(jìn)行動畫編輯，由于SolidWorks軟件在家具產(chǎn)品建模中具有一定的應(yīng)用，尤其在辦公家具領(lǐng)域。因此，本文對3DVIA composer可視化裝配動畫在家具產(chǎn)品中的應(yīng)用進(jìn)行探究[9]。

3DVIA composer軟件是一款基于三維數(shù)模進(jìn)行技術(shù)文檔創(chuàng)作及動畫制作的互動式三維軟件，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畫、爆炸圖、零件圖以及交互式展示功能效果[10]。該軟件可以整合現(xiàn)在所有主流三維設(shè)計軟件的文件格式，如UG NX、PROE、Catia以及Solidworks及其他多種三維CAD格式文件[11]。同時3DVIA composer軟件容易學(xué)習(xí)，動畫制作效果流暢，且簡單便捷，因此適用于家具產(chǎn)品構(gòu)造的可視化展示[12]。

2 基于3DVIA composer的家具產(chǎn)品動畫設(shè)計制作

2.1 模型建立

3DVIA composer軟件是專業(yè)動畫編輯軟件，雖然軟件中有幾何建模模塊，但該模塊的建模功能簡單，僅用于基本幾何體(如球體、正方體、圓柱體)的創(chuàng)建以及對導(dǎo)入至3DVIA composer軟件中的曲面進(jìn)行分解、篩選和合并等操作[13]。因此，家具產(chǎn)品模型建立的過程需要在專業(yè)建模軟件中進(jìn)行，3DVIA composer軟件整合了現(xiàn)在所有主流三維設(shè)計軟件的文件對接，如UG NX、PROE、Catia以及Solidworks等軟件。通常情況下，由UG NX、PROE、Catia等常用三維建模軟件建好的家具模型，需要保存為igs、stp等中間格式，通過中間格式將家具模型以曲面的形式導(dǎo)入至3DVIA composer軟件中，并在3DVIA composer軟件中對導(dǎo)入的曲面進(jìn)行分解和組合，得到按零件組合起來的整體對象[14-16]。然而對于Solidworks軟件而言，3DVIA composer軟件可以與其實現(xiàn)無縫銜接[17-18]。由Solidworks軟件中建好的家具模型可以導(dǎo)出并保存為smg格式，將smg格式文件導(dǎo)入至3DVIA composer軟件中，可以直接進(jìn)行動畫編輯等操作。一般情況下，對于由多個零件組合而成的家具模型，首先需要通過Solidworks軟件建好每個零件的模型，然后在裝配體模式下裝配好所有零件，最后在配體模式下導(dǎo)出裝配體的smg格式文件，由此可以得到按零件組合起來的整體對象[19]。

2.2 燈光及材質(zhì)設(shè)置

3DVIA composer軟件的材質(zhì)種類較少，主要包含金屬、塑料和玻璃等基本材質(zhì)效果。因此，木質(zhì)材料在3DVIA composer基本材料庫里無法選用并展示出來，需要通過紋理貼圖的方式來實現(xiàn)。首先，選用合適的木材紋理圖片，依據(jù)模型的輪廓選擇平面、圓柱面或球面投影，使得貼圖沿著正確的方向投影于模型表面[20]。對于如椅子的座面，優(yōu)選平面投影進(jìn)行平面貼圖；對于椅腿，優(yōu)選圓柱面投影進(jìn)行圓柱面貼圖。若投影后出現(xiàn)木紋大小和比例錯誤的問題，可以通過修改高寬比和紋理比例進(jìn)行微調(diào)。一般情況下，3DVIA composer的模型是被環(huán)境光源照亮的，環(huán)境光從各個方向均勻地照亮模型，為模型增加亮度，用戶可以根據(jù)需要更改視口的照明屬性，選擇合適的照明模式。對于通過木材紋理貼圖得到的家具模型表面，可以根據(jù)視口中實時顯示的渲染效果選用最適合的燈光模式[21]。優(yōu)選三個光源或著色圖解模式，配合視口背景顏色的選用搭配，可以更好地凸顯出木質(zhì)材料渲染的效果。

2.3 關(guān)鍵幀編輯

可視化裝配動畫是對展示對象造型、結(jié)構(gòu)和裝配過程的特別展示。因此，關(guān)鍵幀的編輯也需著重展示上述特征，3DVIA composer軟件中常用四類關(guān)鍵幀，包括位置關(guān)鍵幀、照相機(jī)關(guān)鍵幀和Digger關(guān)鍵幀[22]。其中，位置關(guān)鍵幀是可視化裝配動畫的基礎(chǔ)。家具產(chǎn)品可視化裝配動畫中位置關(guān)鍵幀的設(shè)置需要依據(jù)家具的基本結(jié)構(gòu)確定，以圈椅模型為例，位置關(guān)鍵幀設(shè)置前需要充分考慮圈椅的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。按照“有順序拆解”的基本原則，圈椅的拆解過程遵循從上到下、從外往內(nèi)、從前至后的順序。首先拆解椅圈部分，隨后將前腿、后腿、靠背板以及鵝脖部分進(jìn)行分離；座面部分，成對的面邊和抹頭可以同時拆解，而后將面心進(jìn)行分離；最后，將券口和步步高趕棖從前至后依次或成對拆解，得到合理的拆解順序，此拆解順序即為位置關(guān)鍵幀的編輯順序。照相機(jī)關(guān)鍵幀用于切換觀察對象的視角和視距，豐富可視化裝配動畫的展示效果[23-25]。照相機(jī)關(guān)鍵幀可以混合設(shè)置于與位置關(guān)鍵幀并行的任意時刻，與位置關(guān)鍵幀配合，用于突出展示特定視角和視距下某一對象或變換的細(xì)節(jié)。圈椅的拆解過程遵循從上到下、從外往內(nèi)、從前至后的順序，其照相機(jī)關(guān)鍵幀的編輯也遵循從上到下、從外往內(nèi)、從前至后的基本原則。例如，對圈椅的步步高趕棖進(jìn)行拆解展示時，腳踏棖和兩側(cè)山棖可以從正等軸側(cè)投影視角進(jìn)行展示。后棖拆解展示時則需要轉(zhuǎn)換視角，將照相機(jī)順時針或逆時針方向繞圈椅旋轉(zhuǎn)至其后方進(jìn)行展示。此過程即完成了一次照相機(jī)關(guān)鍵幀的變換，實現(xiàn)了對家具產(chǎn)品中特定對象的特定變換的特寫展示，優(yōu)化了展示效果。Digger又稱細(xì)節(jié)探查器，是3DVIA composer軟件的特色功能，用于對家具產(chǎn)品中的特定對象進(jìn)行縮放、剖視和透視等細(xì)節(jié)展示。圈椅的可視化裝配動畫中可以適時加入一些細(xì)節(jié)展示。例如在對圈椅座面結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆裝展示時，可以對其“攢邊格角”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)關(guān)鍵幀的設(shè)置，在Digger關(guān)鍵幀的視口中對“攢邊格角”結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大，清楚地展示出“攢邊格角”的細(xì)節(jié)特征，以此豐富家具產(chǎn)品可視化裝配動畫的內(nèi)容及效果，與位置關(guān)鍵幀、照相機(jī)關(guān)鍵幀一起，組合完成可視化裝配動畫的編輯。

3 小結(jié)

可視化裝配動畫在機(jī)械等領(lǐng)域已有較為廣泛的應(yīng)用，目前在家具產(chǎn)品中的應(yīng)用較少。本文首先對比了主要用于制作可視化裝配動畫的相關(guān)軟件，篩選出3DVIA composer軟件適用于家具產(chǎn)品構(gòu)造的可視化展示。從模型建立、燈光及材質(zhì)設(shè)置以及關(guān)鍵幀編輯三個方面對3DVIA composer可視化裝配動畫在家具產(chǎn)品中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。驗證了3DVIA composer可視化裝配動畫在家具產(chǎn)品中應(yīng)用的可行性，為家具產(chǎn)品可視化裝配動畫的設(shè)計開發(fā)及后期裝配提供了參考。