由于计算机三维技术能逼真地虚拟现实模型,以立体的、有光的、有色的生动画面表达大脑内产品的设计结果,较之于传统的二维设计图更符合人的思维习惯与视觉习惯,因此三维设计方式在技术领域已引起极大的重视,取代二维设计将成为今后发展趋势。三维造型技术从最初的三维CAD已发展到目前专用的基于特征造型的三维软件,常用的有SolidWorks、SolidEdge、MDT、Pro/E等。越来越多的人开始学习该类软件,随之也出版了大量的学习该类软件的书籍,但这些书普遍存在这样的特点即对某一软件的繁多命令的介绍,或针对某一实例具体指出操作步骤并未解释该操作方案产生的由来,似乎是某个软件的指导说明书,客观上起到了使初学者一开始就花费大量的时间和精力去学习和适应软件命令这样一种导向,导致造型实践往往是盲目的、经验化的。由于对繁多命令的记忆感到困难,在某种程度上制约了人们引进现代设计方式的速度,同时这种学习方法也影响了造型技能的提高。借鉴传统制图的学习,由于有了画法几何理论的指导, 形成了一种方便地学习机械制图和建筑制图等不同制图的方式。因此有必要探索计算机3D图的图学理论和通用的思维模式,以应对不同软件的学习,达到快速入门和有效提高造型技能的目的。

CAD三维造型的内涵

2001年7月举办的中日图学教育研讨会指出:计算机仅仅是设计和绘画的工具,不仅要训练实际的设计和绘图能力,更重要的是培养设计感觉和空间感觉。日本 ThruIHARA教授也指出:“有个疑问,初学者一开始就运用计算机软件创造,特别是在不好的技能操作下会造成几何感觉和空间感觉的贫乏。这是一个必须继续探讨的焦点问题。”像二维绘图那样,铅笔、圆规的动作是在大脑对图形绘制构思成熟的情况下,按大脑发出的指令执行的,因此要想通过计算机软件把大脑中产生的设计模型即“心理模型”转化成计算机虚拟模型,首先在大脑中对该心理模型要有一个心理造型过程。在大脑中运用图学理论对心理模型的构成及形体的形成用几何术语进行系统准确的描述,从而规划造型即“搭积木”的顺序,该过程可称之为心理造型语言系统,计算机界面元素(菜单命令、图标、光标)在大脑中留下了一个记忆系统,这两个系统是并行对应的,当大脑中的两系统实现正确转化才能有计算机的正确操作。三维造型就是一个心理造型语言与计算机界面元素转化的过程。目前的学习重视了计算机界面元素的记忆,忽略了心理造型思维能力。实践证明一个人的绘图速度和正确性取决于他在大脑中对所绘模型形状的清晰度,美国的有关3D教育研究也指出最重要的是在设想和表达阶段发生的活动。

三维构型图学理论

3D软件是基于特征的实体造型,因此与传统的指导二维图的投影理论不同,三维造型主要采用的是构造实体几何 (ConstructiveSolidGeometry-CSG)及形体几何特征形成分析等图学理论。CSG是对实体的整体形成的分析,任何复杂实体都可看成是简单单元体的组合,单元体称为体素,一般用布尔运算(并集、差集、交集)来实现这种组合,形成分析是对每个体素几何形成的具体分析,因此该思维模式是全三维的并且是在大脑中立体地模拟客观世界中对实体加工过程的动态的心理活动。

三维造型思维框架

根据三维构型图学理论,在未使用计算机前应具有心理造型的一个思维框架。

体素分解

传统的手工二维图或二维CAD图是用各种线条绘制,无论怎样图形总能绘出,因此该顺序的重要性显得不太突出。而计算机实体造型是几何特征的集合,其造型的先后顺序尤为重要,类似于模拟客观世界中对零件的加工顺序,若安排不当零件就无法生成,或生成过程太复杂。反之生成零件既简单又方便。为此可以按模块化的方式来处理,对造型体进行体素分解。分解原则为从反映形体主要特征的明显程度和占总体积的大小及其主要功能等方面进行划分,一般可分为基本特征体素系列、辅助特征体素系列、附加特征体素系列,然后在每个系列内再进行细分。其分解步骤如下:

1划分基本特征体素系列。

该部分体素的局部组合体现了实体的主要形体特征和主要功能并且所占体积比例相对较大。在该系列内再根据主次进一步划分出若干单一的体素。划分出来的最主要的第一个体素应为构形的基础特征体素,即生成其它体素的基准体。

2划分辅助特征体素系列。

该部分体素是加在基本特征体素上,在功能上不起主要作用,例如肋板、凸台等结构。在该系列内再划分出单独的体素。3附加特征体素系列。该类体素具有不能独立存在、必须附加于上述二种体素系列之内的特征,如孔、空腔、槽等。属于挖切即差集。而上述系列均为体素的叠加即并集。图1为齿轮减速箱体的体素分解图。依照这种有序的体素分解逐步在大脑内建立起了形象的“搭积木”的顺序。因此该思考过程是规划零件几何特征创建顺序的依据。即在基本特征体素系列内确定出基础特征体素,然后在此基础上通过布尔运算的并集先依次构建基本特征体素系列内的其它体素,再构建辅助特征体素系列内的各体素,然后通过差集运算在以上构建的基础上依此减去附加特征体素系列内的各体素。

体素几何特征形成分析

体素的创建是造型重要的—步,只要体素特征创建成功,按上述顺序搭建即可完成造型。点的运动轨迹是线,线的运动轨迹是面,而面的运动轨迹是体。根据这一几何描述可以把大多数体素看成是某一几何形状的初始面沿一定的轨迹线运动而形成的扫描体。如常见的长方体和圆柱体可看成是长方形和圆沿直线运动而形成,但大多数轨迹线是复杂的,由图2简单体的形成示出了扫描的概念,它的形成分为初始面的形成、扫描轨迹的形成及扫描方向的确定。

图2　形体的扫描形成示意图

经过上述的3个过程才能全面准确地描述一个体素的几何特征的形成。分解出来的每个单独的体素绘制可视为一个局部特征的创建过程,上述详细思考的步骤为该局部的绘图顺序的规划提供了依据。

体素的空间定位分析