家居装饰的三维虚拟设计与视向动画

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家居装饰的三维虚拟设计与视向动画
北京航空航天大学  杨伟群  鲁君尚
  
CAXA实体设计是一款功能强大而齐全的三维实体设计软件，它集成了零件设计，装配设计、钣金设计、2D/3D自动关联、工程制图、曲面设计、高级渲染和实体动画等设计功能，虽然当初软件研发的主要目的是通用机械行业的设计解决方案，但由于它主要采用了基于图素的拖放式流程设计同时又具有高质量的场景渲染，所以显然也非常适合用于室内装饰或家具行业的设计，由于图素设计元素库的无限可扩展性，设计师可以事先将各种造型的装饰构件或各型家具的三维实体模型先做成图素元素，然后根据客户的房间形状拖入并定位各种组件，再加上具有灯光场景的渲染，完全可以做到未造先得的虚拟现实效果，如果需要更进一步的临场真实感，可以用很方便快捷方法来制作视向动画，为了节省篇幅，下面以一个房间的局部装饰设计来说明。
一、 图素设计元素库的建立
CAXA实体设计的标准配置带有一些基本或常用的图素元素库，我们在设计时只需要将所需图素从元素目录中拖出放置到设计环境中就可，例如我们要设计一个窗户，一般只需选用“厚板”或 “长方体”图素来构建窗框，用“孔类厚板”或“孔类长方体”图素来构建窗洞，再利用倒角等特征功能来处理细节，窗户的尺寸可以靠编辑图素的包围盒来保证。在装饰设计中，用于室内陈设的东西种类很多，就拿椅子讲，其形状、材质、风格各异，一个设计师可以将自己以前完成的设计模型（用CAXA实体设计和非CAXA实体设计完成的均可）或他人完成的设计模型，收集起来，单独建立一个或数个椅子元素库，在征询客户对设计方案的意见时，可以使专业人员与非专业人员间的设计交流变得高效、明确和具体，图1所示就是一个从已经建立好的名为“Seat2”的设计元素目录中将造型各异的椅子拖放到设计环境中。
   
图1 直接从设计元素库中选用图素
需要注意的是图素的尺寸驱动主要靠改变包围盒的参数或修改截面，每一次改动系统都要重新生成一次造型，变动太复杂会引起造型重构的失败。一般来讲，如果所设计的零件或实体的结构尺寸可以进行参数化约束，或尺寸之间具有函数关系，并且零件的种类较多时，建议使用CAXA实体设计的二次开发接口，CAXA实体设计的每个设计元素库中都有一个对应的Add-on工具，首先要建立零件（图素）所对应的Add-on工具，典型的编写工具是Visual  Basic语言。通过定义零件的形状、尺寸和位置就可以得到可以用参数表来驱动的图素库。
二、 家具陈设在房间中的精确定位
室内装饰设计虽然需要较高的美术修养，但同时也需要有一定的施工工艺知识，美术效果实际上是一种视觉表达结构，CAXA实体设计的可视化设计功能完全可以满足视觉表达的需要，但把视觉表达的设计结果变成工程图纸时我们需要有非常精确的定位和测量工具，CAXA实体设计中的三维球、智能标注、定位锚是非常有用的定位或测量工具。
1． 三维球的应用
三维球工具是一项具有国际专利权和得过多项国际CAD大奖的CAD技术，它最重要的作用就是用来对设计环境中的多种对象进行空间定向、定位，并能即时反馈测量的结果（距离、角度），图2所示的设计场景中的椅子沿三维球的手柄直线方向被拖动的距离可以被任意修改或编辑，从而得到椅子和圆桌间的不同相对位置。
三维球可以依附于实体对象上的任意点、线、面或定位锚、空间坐标点，所以定位定向非常方便和快捷。对室内设计中的设施布置极为有用。
   
图2 用三维球来定位
2． 智能标注
智能标注是系统提供的一种直接对实体几何元素（点、线、面、体）进行相对位置测量和标注反馈功能，图3所示的图中表示出了花瓶、椅子两样东西距离墙面和地面的精确距离尺寸，这些显示的尺寸如果在未加锁定的情况下可以重新编辑和修改以获得新的定位，智能标注属于三维标注，并且可以输出到二维平面工程图中，成为图纸的标注，所以智能标注也是3D/2D自动关联的重要反馈和编辑手段。
   
图3 三维智能标注定位
3． 定位锚定位
任何图素或零件别拖入设计环境时系统都会自动赋予实体一个定位锚属性并会显示其图标，定位锚表示实体在系统绝对坐标系中的准确方位，通过修改零件属性表，可以随意改变定位锚的坐标和方向，图4中所示的三个标注数值表示椅子定位锚在系统坐标系中的坐标值。
   
图4 定位锚的定位
三、 场景中的灯光处理
在场景设计中，灯光的加入是重要的渲染手段，实际上正是有了灯光，使二维世界和三维世界在显示上有了根本的区别，灯光对渲染效果图来讲是必不可少的元素。CAXA实体设计共提供了三种光源：分别是平行光源、点光源和聚光源。
平行光属于缺省光线，具有方向性，可以进行滤光、强弱和阴影控制。
点光源提供了发散光，不具有方向性，可以用于区域模拟照明。
聚光源提供具有方向性可以控制散射角度的光线，用于特写或装饰性照明，图5所示的房间房顶就安置了3个聚光源，明显可以增加虚拟仿真的真实感。
   
图5 在屋顶应用聚光源
四、 渲染与视向动画
在设计环境中的三维设计和场景设计（包括灯光、凸痕、背景、雾化等）工作完成后，就可以进入渲染设计。为此需要打开“设计环境性质”对话框内的“渲染”标签页，需要将系统的显示模式处于“真实感图”（如图6所示）状态才行，系统提供了“阴影”、“光线跟踪”、“反走样”三种高级渲染方式，但对于设计环境中的灯光特性（如强度、细化、发散等）需要修改光源属性表。
   
图6 渲染模式的设定
一旦得到了比较满意的渲染效果后，设计师可以激活设计环境中的照像机工具，定义照像机的智能动画属性，图7左图显示了具有5个关键桢的动画路径，表示照像机沿着次路径拍摄场景，目的是为了模拟行走观看的效果，为了观测视向动画的实时效果，必须将窗口分割成两个，一个显示照像机行走轨迹，另一个显示视向效果（给用户演示的动画）。如果一切都满意，可以将生成的视向动画输出，用播放器来观看。
  
图7 用照像机的视向动画可得到行走观察的仿真效果
  
五、 展示设计结果
CAXA三维设计的结果可以直接为两种人服务，一是施工工程师，另一是用户。给工程师看的结果要进行三维或二维标注，并生成不同视向的平面图形（图纸），给用户看的通常是图像图片或三维动画。输出的图像文件格式包括bmp、jpg、tif在内的数10种格式，动画文件主要是avi和gif 格式，输出高分辨、大幅面的图像或动画时， PC机的性能要好，否则，速度很慢。

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