1、浅析 CG 在 CAID 中的应用摘要：本文论述了计算机图形学在计算机辅助工业设计中的应用，并尝试在这两门学科之间建立某种联系。其应用主要体现在图形生成技术、真实图形技术、曲面建模技术、特征建模技术、参数化和变量化绘图技术、产品数据交换接口技术和虚拟现实技术等几个方面。关键词：计算机图形学 计算机辅助工业设计 工业设计 建模 技术Abstract: In this article, I discussed about the usage of CG in CAID, and I tried to construct certain relation between CG and CAID. W
2、hat is used in CAID includes 7 points: technology of graphic generation, techonogy of real graphic, technology of surface modeling, technology of featuer modeling, technology of parameterization and variableization drawing, technology of product data exchange interface, technology of visual reality.
3、Keywords: Computer Graphics, Computer Aided Industrial Design, Industrial Design, modeling, technologyCAID，即计算机辅助工业设计（Computer Aided Industrial Design）.何谓工业设计（Industrial Design）？就批量的生产而言，对产品的外观、色彩、材质、结构、表面处理、人机界面等进行的综合设计叫做工业设计， 同时，为促进销售对产品进行广告宣传的设计以及设计师运用自身的知识对产品作出视觉评价时，也属于工业设计的范畴。何谓 CAID，简言之，即利用计算机
4、对产品进行辅助设计。通观工业设计的定义，从产品的概念设计开始，一直到产品的交付使用，工业设计师都必须借助视觉语言进行设计、交流和产品宣传。通常在工业设计中，视觉语言无非有手绘草图、模型和效果图三种类型。没有这三种语言（也可以讲是三种手段） ，设计师就很难甚至无法表达自己的设计思想。在传统的工业设计中，这几种视觉语言都是要靠设计师通过繁重的手绘和手工制作来实现的。随着 CG（Computer Graphics）在设计学科中的广泛运用，设计方法和观念发生了深刻的变化，利用 CG 的研究成果进行 CAID 成为设计和创作的新趋势和新动向。特别是电脑虚拟技术的发展和在设计领域中的应用，使设计中艺术与技
5、术的隔膜即设计作品的物化过程的隔膜得以消失，也使传统的设计程序发生了根本的变化，即有可能实现真正意义上的“并行设计” ，使设计作品能综合艺术、结构、工艺、技术、材料、经济等多方面的因素，以谋求最佳、最完善的实现途径，使最终的产品得到理论上的可行性和经济性的高度整合，成为检讨设计的重要手段。下面就几个主要方面来谈谈 CG 在CAID 中的应用。一、图形生成技术 要谈 CAID，首先就要涉及如何生成图形。对工业设计而言，图形是最重要的表达方式。图形生成技术包括基本图形元素的生成，自由曲线和曲面的生成、图形元素的求交和集合运算、不同字体的点阵表示及矢量字符的生成。在设计产品造型时，曲线和曲面是描述物
6、体不可缺少的元素。对于规则的曲线曲面，只要按照其参数方程实际画出即可。而那些不能用简单的数学模型进行描述的线面，则需由不规则的、离散的数据加以构造，通常采用插值法或曲线拟合法。除此以外，还包括曲线曲面的拼接、分解、过度、光顺、整体与局部修改等。二、真实图形技术 对于 CAID，用计算机产生三维形体的真实图形是其重要任务之一。那么，什么是真实图形呢？经过消隐、着色、渲染等效果处理的图形称为物体的真实图形。真实图形是用来进行直观设计和交流的重要载体。 （1）消隐。该算法是在给定空间观察位置之后，确定哪些线段、面或体是否可见的算法。依据的算法原理有：面的可见性检验，包含性检验，深度检验。 （2）明暗
7、。明暗效应是指光照射在物体上，经周围环境作用后达到人眼视网膜上产生的感知效果。可以使用数学公式对物体表面的反射和折射现象进行处理，从而进一步提高数字模型的真实感。 （3）阴影。这是由于物体自身遮挡使光线照不到它的某些面以及场景中位于它后面的区域而形成的物理现象。产生阴影的过程相当于两次消隐过程。一次对光源消隐，另一次是对观察者的位置或视点消隐。此外还有纹理处理、光线跟踪、辐射度、透明度等更准确描述图形的真实图形技术。三、曲面建模技术 随着社会的发展，社会产品的丰富，人们的选择余地加大，市场逐渐由卖方转为买方，同时，人们的精神需求在提高，审美观点也在发生着变化。另外，技术的进步也使得产品形态的多
8、样化成为可能。由于曲面造型特别是有机形在某种程度上更能满足人们的精神需求，这样，在产品设计时，曲面建模技术也被提出了更高的要求。曲面建模是通过对物体的表面或曲面进行描述的一种三维建模方法，主要适用于表面不能用简单的数学模型进行描述的复杂物体型面，如汽车、飞机、船舶、家电等产品的外观设计。这种建模方法的重点是给出离散点的数据，然后根据数据构成光滑过渡的曲面，使这些曲面通过或逼近这些离散点。目前应用最广泛的是双参数曲面，它将参数曲面看成是一条变曲线 r=r(u)按照某参数 v 运动而形成的轨迹。广为流行的几种参数曲线和曲面有 Bezier、B 样条、孔斯、NURBS 曲线和曲面等。四、特征建模技术
9、 在当前的 CIMS 背景下，工业设计师做出的数字模型不应当只局限于设计部门，它应当与 CAE、CAPP、CAM、PDM 等有一个很好的集成功能。 “特征”是一种综合概念，它作为“产品开发过程中各种信息的载体”除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些信息，如材料、公差、热处理及表面粗糙度以及刀具信息等。目前，国内外大多数特征建模系统的研究都是建立在原有三维实体建模系统的基础上。三维实体建模的 CAD 软件具有较强的几何拓扑处理、图形显示及自动网格划分等多项功能，在此基础上可增加一些特征的描述信息，建立特征库，并将几何信息和非几何信息描述在一个统一的模型中，设计时将特征库
10、中预定义的特征实例化，作为建模的基本单元，实现产品建模。从设计的角度，它扩大了建模体素的集合，给用户带来了方便，同时也为产品设计实现高效率、标准化、系列化提供了条件。从加工角度看，由于特征对应于一定的加工方法，所以简化了 CAPP 的决策逻辑。当然，特征建模技术还是有很多难题有待进一步研究，是一种正在发展中的技术。五、参数化与变量化绘图技术 工程设计中，在使用计算机对产品进行三维建模时，不能不用到参数化和变量化绘图技术。参数化一般是指设计图形拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束。参数与控制尺寸有显示的对应，不同的参数值驱动产生不同大小的几何图形；变量化绘图是指设计图形的修改自由度不仅是尺寸
11、参数，而且包括拓扑关系，甚至工程计算条件，修改余地大，可变元素多，设计结果受到一组约束方程的控制。这种方法适合于新产品的开发设计，它为设计人员提供了更加灵活的创意和修改空间。六、产品数据交换接口技术 由于面向 CAID 的软件有很多种，各个设计师由于教育背景、使用习惯的不同，用来设计的软件也有所不同。这就需要在各个常用的设计软件之间建立“桥梁” ，当然，这种“桥梁”的通用性越高越好。这样，通用数据交换接口应运而生。其中，典型的数据交换接口标准有 IGES 和 STEP。 （1）初始图形交换规范IGES。它是美国于 1981 年发布，是近 20 年来影响最大的数据交换标准。在利用 IGES标准进
12、行数据交换时，需要首先产生一个数据文件，这是一个中间数据文件，与被交换的系统无关。IGES 数据文件作出如下规定：数据进行顺序存储；每行记录长度为 80 字符；采用 ASCII 标准代码。该标准最成功的应用是在不同 CAD 系统之间进行工程图样信息的交换。但是，它还存在一些问题，如元素范围有限，在交换过程中，有时出现数据丢失现象；占用空间大；时常发生传递错误。 （2）产品数据交换标准 STEP。它规定了产品设计、制造以至于产品全生命周期内的有关产品形状、解析模型、材料、加工方法、装配顺序、检验测试等方面信息的定义和数据交换的外部描述。它作为产品模型描述格式应用越来越广，虽然不够完善，但有强大的
13、生命力。七、虚拟现实技术 虚拟现实技术的研究是计算机图形学最有前途的领域之一，也是是目前工业设计领域的热点之一。在一些发达国家，虚拟现实在各行各业得到了广泛的应用，并产生了巨大的社会效益和经济效益。虚拟现实一大特点是真实感、临场感强。事实上，我们向观者所表现的已不仅仅是图像、视频和声音这些极为普遍的媒介形式，而是缔造一种全模拟真实环境。它可广泛应用于各种研究领域，如模拟仿真、生物分子结构模拟、地质断层、气象分布等。在美国研究部门（如 ARPA 美国国防部高级研究规划局，NASA 美国宇航局）为主导的科研机构已使这项技术相当成熟。我国已有部门研究和应用这种系统。该技术除了需要各种图形处理技术和算
14、法外，还必须具备高性能的三维图形处理设备。其中，有两种典型的专用于虚拟现实系统的设备。 （1）数据手套。这是戴在手上的传感器，能感应用户所有的手指关节的角度变化，由程序判断出在虚拟现实环境中进行操作时手的姿势。 （2）头盔显示器。这是戴在头上的显示装置，为用户提供虚拟现实中景物的立体显示。以上就 CAID 中与 CG 联系较为密切的几个方面作了简要的探讨。其实，对每一个方面来说，它都是一个大的课题，限于篇幅，点到即止。同时，这几个方面也不能孤立的去看，它们之间是有紧密联系的。首先，图形生成技术是 CG 的重要研究对象，也是CAID 的基础，没有它，计算机视觉表达无从谈起。为了更形象的描述物体，
15、设计师靠的是真实图形技术的支撑。曲面建模是工业设计不可避免的问题，特征建模是未来的建模发展方向。参数化和变量化建模技术同曲面建模、特征建模技术相互交织，有时是不可分割的。产品数据交换接口技术使数字模型在各种软件系统中的交换成为了可能。最后，虚拟现实技术不仅是 CG，也是 CAID 的热门课题和研究前沿。于是，我们又回到了这样一个命题：学科之间是有联系的，而且是交叉的。这篇论文既对课程的总结，同时也试图在 CG 和 CAID 之间建立某种联系。的确，是 CG 在CAID 中的应用推动了 CAID 的发展，进而推动了工业设计的发展；反过来，CAID 的发展对 CG 提出了更高的要求，从而也推动了 CG 的进步。参考资料曹文纲 图形学大纲 孙家广 计算机图形学吴翔 产品系统设计宁钕新 CAD/CAM 技术何人可 工业设计英语
