三维仿真技术论文（精选12篇）
三维仿真技术论文 篇1
0引言
3D打印技术又称三维立体快速成型技术, 可描述为一个计算辅助制造过程, 即借助计算机辅助设计, 通过三维建模构造实体的虚拟数据模型, 再对数字模型进行空间分层, 最后以不同的平面加工技术对所有数据切片逐层‘打印’继而垒积实现整体造型。该技术起源于20世纪80年代[1], 德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程学院CarlDeckard和Joseph Beaman于1980年最早提出了选择性激光烧结成型技术 ( SLS) [2]; 1987年, 3D Systems公司的Charle Hull发明了三维立体光刻技术 ( SL) [3]; 1988年, S.Scott Crump开发了熔融沉积成型技术 ( FDM ) 并于1990商业化[4]; 1995年, 麻省理工学院的Jim Bredt和Tim An-derson提出了“三维打印”技术 ( 3 dimensional printing, 3DP) [5]; 2005年, Z Corp公司推出了第一款能够进行高分辨率彩色3D打印的产品。总体而言, 该技术综合应用了激光技术、CAD/CAM技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术与知识, 可以最快的方式获得各类产品设计的模型, 从而进行修正, 可以极大地提高生产效率、降低生产成本并缩短产品的研发周期。近年来, 该技术在教育、医疗、制造、文物保护、建筑等行业得到了快速应用, 正越来越引起人们的广泛重视。
三维打印技术根据快速成型过程中材料形式的不同可分为三类: 1) 为基于液态形式; 2) 为基于粉末形式; 3) 为基于薄片形式。本文将从原理、材料、优缺点等方面进行分析。
1 基于液态形式
基于液态形式的三维打印技术又可分为两类: 1) 为通过光照液态树脂直接进行固化方法, 具有代表性的技术为三维立体光刻技术 ( SL) ; 2) 为通过对固体材料进行熔融然后再固化的方法, 具有代表性的技术为熔融沉积成型技术 ( FDM) 。
1. 1 三维立体光刻技术 (SL)
三维立体光刻技术 ( SL) 是在传统的集成电路光学曝光光刻技术的基础上发展而来, 利用普通光束或者激光聚焦至光聚材料, 以逐线、逐面扫描的方式固化液体材料完成三维光刻快速成型。其工作原理如图1所示。首先是在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面。然后通过激光束对位于容器中的液态树脂表面沿着横截面进行照射。由于光能量的作用, 树脂一类的材料得以被激发, 小分子聚合成大分子最终达到整个工件固化成型。在此结构中, 液态树脂表面下放置了一个升降台, 其在每一层固化成型的初始位置与液态树脂表面的相对距离刚好和激光被吸收的极限相同。而激光束的扫描过程则是通过一个由电流驱动且平行于x-y轴的平面镜进行偏转, 在液态树脂表面移动使其发生聚合反应最终生成一层固态图形。当模型的一层生成后, 通过控制升降台向下移动预先设置的距离, 然后在固态图形上涂上一层液态树脂并用刀片进行擦拭, 使其均匀覆盖。然后激光再在新的液态树脂表面按照计算机中图形进行照射。如此, 通过自下而上一层一层的操作, 即可生成所要设计的三维工件。当所有的分层固化成型完成后即可获得所需的工件。但该工件只有大概95% 的部分固化成功, 还需要后期紫外光照射固化处理。该方法的优点是能达到很高的精度, 且利用刀片对每层液态树脂进行擦拭, 能消除在制作具有凹陷的模型而导致树脂停留在凹陷中而不能排出的问题。但是该方法也有一定的缺点, 如所能用的材料相对较少, 仅限于感光性树脂; 并且由于使用到激光器等, 成本相当高。如今, 为了进一步提高加工精度, 三维立体光刻已延伸至单光子、双光子聚合等加工技术, 也是目前能实现最高精度的三维打印技术。而加州大学洛杉矶分校的Sun等人则提出了通过数字微镜器件 ( digital microdevice, DMD) 动态生成2D横截面图形, 然后通过投影镜头整场投射到液态树脂上来进行每一层图形的固化。很明显, 由当初的扫描方式转换到整场投射方式可获得更快的制造速度, 其原理图如图2所示[6]。
1. 2 熔融沉积成型技术 ( FDM)
熔融沉积成型技术 ( FDM) , 是使用一个喷嘴将加热的热塑性材料逐层喷涂并迅速冷却固化, 实现聚碳酸酯、聚乳酸等热塑材料的3D快速成型。如图3所示, FDM的工作原理为: 先是在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面。再将聚碳酸酯、聚乳酸等热塑材料形成的细丝连接到挤压头中, 挤压头中包括了加热器、挤压气筒和喷嘴等, 其运动方式通过计算机进行控制。在运动的挤压头中, 热塑材料被加热器加热熔化至液态 ( 而且加热器的温度保持在高于热塑材料熔点0. 5℃ ) 。最后挤压头则根据所要制造物体每层2D横截面的大致轮廓进行运动。当挤压头在x-y平面移动时, 熔化的液态材料被具有高精度的气筒挤压并从喷嘴中挤出。而挤压出的材料受外部温度的影响, 在1 /10s内直接固化成型在工作台上。当工件的一层完成后, 挤压头则通过在z向移动预先设置好的距离并进行下一层的制造。而层与层之间则通过热熔性连接起来。该方法的优点是材料的可选择范围比较大, 比如具有蜡填充的塑料、所有的尼龙、熔模铸造蜡等。可以选择的颜色也有很多, 在制造过程中浪费的材料也较少。主要缺点是, 由于受到其热塑纤维厚度分辨率的影响, 其精度不是很高, 制造过程离不开一定强度的支撑结构, 且易造成后续结构坍塌以致造型失败或缺陷。
2 基于粉末形式
基于粉末形式的三维打印技术又可分为两类: 1) 为通过液态粘接剂对粉末进行粘接的方法, 具有代表性的技术为“三维打印”技术 ( 3DP) ; 2) 为通过激光对粉末材料进行熔化烧结的方法, 具有代表性的技术为选择性激光烧结成型技术 ( SLS) 。
2. 1 “三维打印”技术 ( 3DP)
“三维打印”技术 ( 3DP) 是将液态粘接剂选择性地喷涂至相应图形区域, 实现粉末材料的分层粘接、垒积, 最后通过高温加热形成3D模型。该技术基本原理如图4所示。首先仍然是在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面。然后通过辊筒将材料粉末推到活塞或升降台的顶部或粉末床并进行碾平。然后根据计算机中的2D横截面进行粘接, 在该层需要固定连接的地方通过具有喷墨打印方式的液体喷嘴注入具有粘合性能的液滴进行固化, 而未粘接的粉末则用来支撑下一次铺设的粉末。如此, 则完成了一层的粉末粘接固化。当一层完成后, 活塞或升降台将下降预先设定的距离并开始新一层的粉末铺设与选择性的粘接。当整个工件完成后, 需在900℃的高温下对整个模型进行2h的加热来巩固需要固化处的粘接性能, 最后通过在水中浸泡即可移除未粘接的粉末。该技术的精度取决于注入液滴与粉末粒的大小、喷嘴的定位精度和粘合剂的扩散方式。该技术的优点是由于在整个过程中没有状态的变化, 因此在整个制造过程中将很少发生变形, 被制作的工件稳定性高。但该技术也存在缺点, 如最终生成的模型是比较易碎与多孔的, 并且由于粘合剂的扩散导致在一些孔洞部分则不能移除多余的粉末; 另一个更大的缺点是由于采用的喷头是电子扫描方式, 将可能导致在x-y方向产生阶梯效应。
2. 2 选择性激光烧结成型技术 ( SLS)
与3DP不同, 选择性激光烧结成型技术 ( SLS) 则是运用激光束代替液体粘合剂对粉末材料进行烧结, 实现逐层图形烧结并相继粘连形成3D模型。其工作原理如图5所示。先在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面; 然后通过一个辊筒装置将一层薄粉末铺设到工作表面, 此处的粉末材料已经经过预热达到稍低于其熔点处。再运用大约20 ~ 50W激光束沿着粉末表面的横截面对每层需要粘接的部分一一进行扫描加热烧结, 而对于不需要粘接的部分, 激光束则不进行扫描。为了减少最终模型的失真, 其粉末依然留在原处以支撑下一层铺设的粉末。当一层横截面烧结完成后, 滚筒将铺设下一层粉末并进行新一轮的烧结固定。当整个模型烧结完成后, 可通过与3DP相同的方式移除并回收未烧结的粉末。该方法的精度主要取决于粉末粒的大小。其优点是不需要支撑结构, 生成的工件稳定性高, 可用的材料有很多 ( 几乎任何可被粉碎的材料比如尼龙及其复合材料、砂、蜡、金属和聚碳酸酯都可以使用) 。这些材料都是无毒安全并且有些材料可选择功率相对低的激光器。然而, 缺点是有些材料需要一个很长的冷却周期才能从机器上移除, 并且不同材料需要不同的加热方式、激光参数与设置, 随之而来的是操作的困难与时间的耗费。
F. Klocke等人则提出了一种新的结构, 即通过一个喷嘴进行粉末的输送同时通过激光束进行烧结。其中, 喷嘴可以位于被造工件的一边或与激光束同轴。这样可以减少无须烧结粉末的浪费与最终移除这些粉末所浪费的时间[7], 但具体应用未见报道。
3 基于薄片形式
基于薄片形式是先将材料做成薄片, 然后通过机械或光照的方式对薄片进行切割以获得所需制造的, 具有代表性的技术为分层实体制造技术 ( LOM) 。LOM技术是通过激光束, 将涂有粘合剂并加热好的金属、塑料等材料薄层直接切割成型, 并逐层粘接形成物体模型, 其基本原理如图6所示。在计算机中对被制造的三维工件进行切片生成一层一层的2D横截面; 通过供应轴与接收轴对预先加工好薄片材料进行输送; 再对薄片的一面涂上粘合剂并进行加热; 然后通过加热器将覆盖的材料与先生成的层压薄片粘合起来, 最后通过上方的激光按照设计中分层横截面的轮廓对粘合后的薄片进行切割获得所需要的形状。而每个薄片上剩余的材料可以通过真空吸收进行移除, 也可以直接保留下来作为下一层薄片的支撑。同时, 由于带有材料的薄片相对于切割区域更宽, 因此, 当按照横截面切割完成后, 剩余的完整的薄片材料可通过滚轴移动到下一层使用。一旦模型完成之后, 需要硅和环氧树脂等对其进行密封, 以防止吸收到水之后发生变形。该技术的优点是可制作较大尺寸的模型; 选可用的材料较多, 理论上任何具有薄片性质的材料都可以应用, 比如纸、金属、塑料、纤维及复合物等; 而且由于是通过固态材料进行模型的制作, 不需要预先设计支撑结构; 该技术采用了轮廓切割的方法代替固化的方法, 其制作速度相对来说也变得较快, 大约能达到其他工艺的5 ~ 10倍。该技术的缺点是精度相对较低; 当模型完成后, 通过撬动使得模型移开工作台会反过来影响模型的表面; 同时该技术也难以制作带有孔洞与凹角的模型等。
目前, 产业化的三维打印机基本是由国外公司生产, 在该行业的两大巨头分别为美国的3D System公司和Stratasys公司。而国内的三维打印技术及其设备仅处于起步阶段, 仅有清华大学[8]、华中科学技术大学[9]、西安交通大学[10]等少数科研单位具备不同程度的技术研发实力, 自主品牌的三维打印生产企业很少, 国内市场的三维打印设备多源自国外, 但售价相当高。自主品牌目前市场占有率低, 主要是基于激光选择性激光烧结成型与熔融沉积成型技术, 在精度、速度及价格 ( 贵则几百万, 少至几十万) 方面均离大规模产业应用较远, 同时还面临着国外技术封锁与出口限制等。
4 结语
基于液体形式的三维打印技术由于液体可以生成任何形状, 可用于制作各种概念性的工件或模型, 特别是三维立体光刻技术高精度的特点使得其在微米 /纳米制造方面具有非常特殊的研究意义, 唯一需要解决的问题是寻找更多可用的材料与降低成本。基于粉末形式的三维打印技术因其在制作过程中未发生状态变化, 可广泛应用于对结构要求比较高部件的制造。基于薄片形式的三维打印技术与传统工业切削方法大致相同, 考虑到其速度快且材料广泛的特点, 可用于制造对精度要求不高且需要批量生产的大型工件制造。
摘要：从材料形式与原理两方面对几种主流的3D打印技术进行了详细的对比与分析。研究表明:基于液态形式的三维立体光刻技术具有最高的精度, 但可用材料较少且成本较高;基于粉末形式的3D打印技术可用于对结构稳定性要求高的工件制作;而基于薄片形式的分层实体制造技术可用于对精度要求不高的批量制造。
关键词：三维打印,快速成型,立体光刻,熔融沉积成型,选择性激光烧结成型,分层实体制造
参考文献
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三维仿真技术论文 篇2
图1
三维协同设计重在解决三维设计中的信息沟通、知识共享等问题。开展三维协同设计有助于提高设计效率，降低设计成本，是未来CAD设计的发展趋势。
三维协同设计之所以在近几年成为业界关注的焦点，正是因为设计行业出现了很多新的需求――工程复杂程度越来越高，大型工程数量日益增多，这些都对CAD软件提出了更高的要求。在这种情况下，如果还是局限于采用2D设计的方式，很难达到我们想要的效果。
正因为如此，三维协同设计成为了一个热门的领域，以浩辰CAD为代表的国内CAD厂商纷纷推出了自己的三维协同设计解决方案，这些方案有也获得了越来越多的关注，
在近期国家住建部全国建设工作会议上，“大力推进建筑节能、积极发展绿色建筑、努力推动科技创新”成为了会议的主题要求，按照“方案优、投资省、耗能低、环保好”的产品选择理念，行业信息化专家最终决定选择三维协同设计方案，并推荐以“浩辰CAD双平台三维协同整体解决方案”来加快推进勘察设计行业软件正版化工作。
从长远角度来看，三维协同设计是非常有发展前景的技术方向，也是众设计企业争夺技术高地的选择。
而从短期来看，也正是由于三维协同设计是一个非常新的概念，所以其在应用上面临很多困难的概念。一方面，无论是三维软件还是协同设计软件得到的应用都非常少，很多设计人员并没有接触过，所以概念很难得到实际应用。
另一方面，现在的2D设计能够满足大部分的设计需求，这导致我们的设计产业缺乏从2D向3D转变的动力，这也使三维协同设计更多地体现在未来的技术储备上。
我们希望，三维协同设计在近几年能够更快的提升其实际应用的价值，完善功能，更好的为工业及工程设计服务。
服装三维技术教学探析 篇3
三维技术教育主要是指3D服装设计的教学研究，是立足于二维的基础上针对服装造型、结构、面料特征、颜色及图案等要素的空间设计。相对传统教育模式，改变了服装设计教学模式，不再是单一的理解服装造型和结构。而是通过三维技术激发学生的空间造型能力和解剖能力。现在的服装产品从服装产品本身的属性发生了巨大的改变；造型元素多元化、系列品种多样化、制衣制造模块化等的革新，改变教育模式增强三维服装技术利于服装专业人才的培养。
关键词：
二维技术 三维技术 教学改革
中图分类号：G423
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2015）06-0099-02
一 二维服装技术在教学中的应用
二维服装技术是指服装造型结构等的平面设计；在教学中的应用手段包括手工设计和计算机辅助设计，二维服装技术在我国服饰文化史中由来已久。无论是古代的袍服还是现代的西式服装均在二维服装技术的背景下产生，直至上个世纪80年代逐步将计算机应用到服装生产和教学领域，才使得二维服装CAD技术教育得到空前发展。服装CAD技术其本身的属性是借助计算机强大的计算功能进行设计服装，二维服装CAD技术是基于二维软件的应用。计算机服装设计和手工服装设计均为设计手段的变换，其目标相同。计算机辅助设计效率高于手工设计，特别是在服装结构设计方面尤为突出。手工设计主要用于服装制造；即人机结合式的制造，在服装立体制衣的时代还未到来时手工作业仍是主要制衣模式。
我国服装CAD技术教育是从无到有、从一般软件教育到专业软件教育的发展过程。服装CAD技术的优点是精确度高，速度快。摆脱了手工制图、排版、推放等工程技术误差大的缺点。目前，服装CAD技术教育主要包括；款式设计、面料设计、结构设计、放码设计、排料设计五大系统。基本涵盖了服装产品制造的所有环节；服装款式、结构、面料、放码、排版等要素都能在计算机软件下得以最大的发挥。譬如；计算机的复制粘贴、剪切、编辑、扫描读图等功能提高了服装产品开发的速度。
二 二维服装技术在教学中存在的问题
（1）服装教材与CAD软件的教学问题
我国大多数服装院校在服装和CAD技术教育方面存在两个主要矛盾问题；一是服装专业教材不规范，二是服装用软件鱼龙混杂。譬如；服装制图这门课的教材，这门课要解决的主要问题是服装样板制作。所涉及到的专业知识有人体、制图规格、制图方法、工业样板的制作等知识点。这门课程的教学形成了各自为政的院校派教育模式，以老师为主导的差异化专业教育模式。特别是在制图方法上没有统一的格局，如比例法、定数法、原型法、胸胸度法等方法参与教学。往往使学生难以掌握，不知应用那种方法最为科学。导致教而全学不精的教学局面，从未考虑企业用人才和行业用人才，对人才培养的目标大而不准确。
虽说二维服装技术从客观上解决了服装设计效率的问题，但是在教学中需要学生掌握多方面的专业软件，无疑增大了学生的学习负担和课时量。同时，又有许多学生基于多种软件的学习反而削弱了服装设计的创新能力，脱离了本专业人才培养目标的实质要求。不符合服装设计专业人才培养的基本规律，CAD技术只不过是一个工具，一种完成设计的手段和方法。不能混淆设计为何和工具为何的主导思想，工具是借助其本身的环境进行服装创作，设计是思想的核心，服装设计就是以服装产品开发为教学出发点进行创造。引导学生积极地展开构思和创造活动，设计本身就是对教育水平的检验，也是对个人能力的检验。服装设计和CAD技术两者存在既矛盾又统一的内在联系，基于创新的思想服装设计与CAD技术是矛盾的，因为设计是先确立了造型思想而不是先确立CAD技术；如果基于设计的后期制作则服装设计与CAD技术又是统一的。现在服装CAD技术的开发证明了服装设计的后期制作，正如前面所谈到的五大模块。所以说，增强学生创新能力观念的教育远远高于CAD技术的教育。
（2）创造性思维和程序性思维在教学中的问题
什么是创造性思维？何为程序性思维？在服装教学中必须搞清楚这两种思维的主导位置。创造性思维是指重新组织已有的知识经验，提出新的方案和程序，并创造出新的思维成果的思维方式。创造性思维是思维的高级形态，是多种思维方式的综合体现。而程序性思维是指用现成的规律和程序直接去解决问题。两者间有共同的关键词，就是程序。创造性思维是对思维系统的重新建立，具有某种未知领域的思维混合。这种混合可能是有效的，也可能是无效的，但毕竟是一种创造。注重奇特和违背常规的基本规律，而程序性思维是清晰的，是以现有的方法和规律去解决问题。在思维的整合上并不积极，多采用一种惯性思维去解决问题。只有在问题解决不通的情况下会重新整理思维，抉择新的思维系统。从教学实践来看多数技术类课程的教育属于后者，注重了学生程序性思维的培养忽视创新思维。服装技术在教学中的问题就是不知如何进行创新性思维培养的问题，在教学中不乏有一些教师口头上不断讲要创新而实质就没有行之有效的教学创新改革，仍然老腿走老路。
创造性思维的培养应符合其本质，服装创造性思维教育应遵循创造思维的一般规律。譬如，激发学生的创造热情、培养学生的造型意念、强化学生的发散性思维和形象思维，并在教学中采用形式多样的教学手段激发学生的设计思想。这是人才创新教育的基本规律，在这里服装创造性思维的核心是造型和技术手段的创造，它和服装美的创造有所区别。服装造型是创造新型的服装产品，而服装技术创造就是采用何种新型的技术手段解决服装造型的解剖问题使之成为合格的服装样板，两者的共同特征是创造性思想。不同的是针对的问题不同，造型创造多是以形象思维的创造，而技术创造则是以形象为对象的技术方法创造。也可以说是技术程序思维的重新编排，就是程序性思维的创造。
二维设计的特点是以平面视觉为对象的图形图像设计，如平面款式图设计就是二维的，服装制图是二维的。二维设计的思想核心就是图形内外轮廓的改变。外轮廓是指服装款式和结构外形设计，内轮廓是指款式和结构以内的部件设计。款式设计具有创造的丰富含义，结构设计具有数字形象化的创造，因为服装造型学就是以服装为对象培养学生的创造水平。同时，服装款式还包括了面料、色彩及图案的设计。所以说服装款式设计是创造思维的深化，是整体设计的第一要素。服装结构设计是款式设计的延伸和发展，是款式的解剖术，具有遵循和约束性。那么，工艺设计应属于服装成衣制作环节，是对设计的检验和修正。款式设计和结构设计均为二维设计范畴，只有工艺设计属于立体设计。所以，现代的二维服装CAD技术五大系统均为二维设计范畴。从这一论断不难发现二维服装设计的缺点缺少空间创造能力，因为学生在创造过程中无法判断立体形态，而导致设计的作品和后期成衣作品出现的误差，致使设计失败及创新力度削弱的现象。
三 三维服装技术教学研究
（1）三维服装技术在教学中的现状
三维服装技术是指以服装为设计对象的立体设计，也称之为三维角度设计。是在二维服装技术发展的基础上发展起来，三维服装技术包括人工智能化三维设计和手工三维设计。人工智能化三维设计是指计算机模拟设计，通常采用计算机辅助设计。手工三维设计是指服装借助人体或者人台进行现场操作的空间设计，两者共同点都是采用多种维度进行创作。不同点是直接和间接，计算机辅助设计是间接的。
我国服装三维技术起步晚发展较慢，从教育的角度来看，应用三维软件进行设计服装的教学机构并不多见。究其原因是教育观念的问题，有的教师认为服装设计没必要进行三维设计。二维设计能满足服装产品的开发和制造，应用三维设计是多余的，这种思想落伍不科学。岂不知三维设计具有增强学生思维空间能力的设计，譬如二维的设计学生只能模糊地判断服装成型后的大概样子，而不能准确判断。三维就能很清楚地看见或者判断服装内外层次结构和造型程度。从三维软件的发展来看，我国很是落后。至今采用外来的三维软件进行设计，没有自己的专业软件。另外三维教育观念跟不上，教育体制不健全，教师队伍技术落后。造成三维服装设计难成体系，影响高级人才的培养。
（2）三维服装技术在教学中的探析
由于二维服装设计存在一定的偏差，弥补二维设计的不足依靠三维服装设计是当今服装设计专业学生培养的主要方向和任务。也是保证服装产品顺利开发的重要手段，三维服装技术在教学中的探讨主要是针对服装的造型、结构、面料等立体造型和内部结构及面料的物理性能。三维服装技术教育创新是提升学生设计水平和扩大设计思维空间能力的最好路径，轻视不得。从设计心理学的角度分析是解决三维旋转识别的问题…，让学生通过不同造型体面识别整体结构和内部关系，能很好地进行创造和分解。本文章所讲的三维技术是指一切空间的造型术，如服装立体裁剪就属于三维造型术。同时，利用纸型、雕塑、编织等一切手段进行空间造型均属于三维设计的范畴。
三维服装技术的科学价值主要表现在学生的认知论中，是多元化的设计。如应用坯布在人台上的动态样衣立裁提高了学生对造型的判断能力，采用三维技术解决服装结构设计中各种部件对接问题，以及最终的造型效果是否清楚是该技术的主要特征。这就是二维裁剪中学生所想象不到的，通过三维立裁清晰了设计思维，稳定了造型和结构之间的对接关系和线性形态。同时针对二维设计的不足做了进一步的补充，虽说学生通过三维立裁掌握了样板结构特征和造型要求。但是通过教学实践发现学生对于立裁掌握水平不高，仍然存在教学难度。究其原因是学生对造型复杂性难以掌握，需要抽象思维的参与。所以，三维立体设计能激发学生的创造性思维，提高想象力，但针对一些造型复杂的样衣在操作上仍然存在学习难度。解决此问题的方式应从造型和解剖术出发，提升学生抽象思维，强化学生的解剖能力。能在立裁之前就能对服装造型从思想上有一个较为准确的技术分解，该技术分解是对服装造型和样板之间建立了思维通道，大脑虚拟储存的样板利于进行立体裁剪。
另外，借助计算机技术进行模拟立裁，也可以解决该问题。从目前的三维技术教育应用来看，服装三维技术已是教育的发展方向，但应用面不够广阔，原因是服装三维技术教育体系尚未成熟。加之三维服装专业软件又是外来品。没有本土软件，导致服装计算机教育大多数停留在二维基础上。正因如此强化服装三维技术教育是当务之急，最好利用现有的通用软件进行模拟教学。可以改变以往不足的教学现象，如3D之类的软件可以用在教学中。最好形成统一的教学格局，排除以往各自为政的教学模式。便于学生、教师、企业、行业、国际之间专业技术交流和沟通。3D技术教育是服装专业教学的主要工作，是长期的一项科学项目，是高级人才的基点。同时不断地进行教学改革和创新，教学改革应始终坚持本专业的专业特色，抓好平面设计和立体设计并举，理论与实验教学并举，以服装产品开发为教学内容的特色体系，同时与企业和市场接轨。不断提升学生的设计、开发、艺术和技术、创造力等方面的能力。
最后，服装三维技术改革包括教育体系创新和知识教育创新；三维服装技术教育改革首先是教育理念的革新。作为教育机构建立三维教育体系，加强教育观念、构建师资、完善硬软件建设、强调创新思想是发展服装三维技术教育的保障。三维服装技术教育改革的主要任务是教会学生应用三维技术手段进行创造服装产品，发展能实现人体、造型、样板、假缝、试衣、调整等各个环节的无缝对接技术是三维技术教育的主要内容。这样服装设计才能真正走向个性化发展的时代，走向三维生产指日可待。
小结
三维光学实验仿真 篇4
但是, 在光学实验中, 实验的环境对实验效果影响巨大, 要想得到理想的实验效果, 必须具备良好的实验条件, 导致教学中很难将实验应用的理论教学中去, 所以借助于计算机将光学实验进行仿真成为一条有效的可行路线。
利用origin软件对光学实验进行仿真, 可以避免复杂的程序撰写, 非常适用于没有编程基础的初学者, 也能够得到效果明显的实验结果应用到实际的理论教学中。
一、Origin仿真结果
(一) 多缝夫琅禾费衍射
强度公式:根据惠更斯-菲涅尔原理, 多缝夫琅禾费衍射的光强公式[1]为:
实验仿真结果:
由式 (1) 可得接受屏上x (设OP=x) 处与该点相对光强的函数关系为:
设N=6, b=4×10-6m, d=6×10-6m, f=65×10-3m, I0=1, λ=650nm。矩阵维数设定 (500, 500) , x、y的取值范围为 (-0.03m, 0.03m) , 依据光强分布公式得出矩阵元的值如下: (sin ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) / ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2* ( (sin ( (6*pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2) 可得到图1所示的二维仿真图, 图2所示的三维仿真图。
(二) 夫琅禾费多缝干涉
强度公式:在多缝夫琅禾费衍射中, 如果不考虑单缝衍射效应, 多缝干涉的强度与相位差的关系为:
其中, δ= (2πdsinθ) /λ。
令v= (πdsinθ) /λ, 式 (3) 可表示为:
取N=4, I0=1, d=5×10-6m, f=65×10-3m, λ=589nm, 矩阵维数设定为 (500, 500) , x、y坐标范围设定为 (-0.02m, 0.02m) , 矩阵元的值设定为sin ( (4*pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2, 可得到多缝干涉的二维及三维仿真图像如图3和图4。
(三) 夫琅禾费圆孔衍射
强度公式:夫琅禾费圆孔衍射中, R为圆孔半径, θ为衍射角, f为凸透镜焦距。
圆孔衍射在屏上任一点的光强为:
实验仿真:
令衍射图样中心P0处光强I0=1, 可知接受屏上P处相对光强与x的函数关系为:
设R=0.00003m, f=1m, λ=632.8nm, 调用一阶贝塞尔函数, 依据光强分布公式对矩阵元的值进行设定:
4* (j1 ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) / ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) ) ^2) , 可以分别得到图5所示的二维衍射仿真图和图6所示的三维衍射仿真图。
(四) 夫琅禾费矩形孔衍射
光强公式:夫琅禾费距孔衍射中, a、b分别表示x、y方向上距孔的边长, 矩形孔衍射公式[2]为:
实验仿真:
设λ=400nm, a=0.004nm, b=0.004mm, 焦距f=60mm, x、y坐标范围设定为 (-0.2m, 0.2m) , 矩阵维数设定为 (500, 500) , 在矩阵值窗口根据 (7) 式输入: ( (sin ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ^2) * ( (sin ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ^2) , 得到图7的二维衍射图, 图8的三维衍射图。
二、小结
通过上述图像可以得到, origin软件可以从容地得到相关的仿真结果, 并且其所得到的图像细致逼真, 界面也相当清晰, 对于实验的分析探究相当有利, 可以简单形象的看懂那些抽象难懂的光学理论。
摘要：以光的夫琅禾费多缝衍射、多缝干涉、夫琅禾费圆孔、矩形孔衍射、牛顿环实验以及迈克耳孙干涉实验为例, 利用origin软件实现光学实验三维仿真。找出实验的光强公式, 并进行参数设定, 从而得到origin软件所需要的矩阵元的值, 就可得一个光强的数据矩阵, 进一步可得到仿真图。得到的仿真图简单明了, 有利于观察, 为光学探究提供方便。
关键词：光学,实验仿真,origin
参考文献
[1]赵建林.光学[M].北京:高等教育出版社, 2006:P4.
三维CAD技术的优点是什么 篇5
三维CAD技术的优点是什么、是否要用三维CAD替代二维CAD系统？ 随着CAD基础理论和应用技术的不断发展，对CAD系统的功能要求也越来越高。设计人员不再仅仅满足于借助CAD系统来达到“甩图版”的目的。而是希望它能从本质上减轻大量简单烦琐的工作量，使他们能集中精力于那些富有创造性的高层次思维活动中。由于三维CAD系统具有可视化好、形象直观、设计效率高、以及能为企业数字化的各类应用环节提供完整的设计、工艺、制造信息等优势，使其取代传统的纯二维CAD系统已成为历史发展的必然。
通过对二维和三维CAD系统的分析，可以看到：三维CAD系统有较好的造型工具，能实现“自顶向底”和“自底向顶”等设计方法，实现装配等复杂设计过程，使设计更加符合实际设计过程；随着零件复杂程度的增加，用三维造型系统来表达零件的难度远比用二维图形系统增加得快；三维造型系统能方便地与CAE系统相连，进行仿真分析；能提供数控加工所需的信息，实现CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。由于三维CAD系统有其自身巨大的优越性，随着计算机软硬件系统的发展，性能价格比的不断上升，这种优越性会越来越明显。
工程设计不只是一个图形表达问题。还有尺寸，公差，相互位置，工艺等技术表达。三维造型也是先从二维草图开始，进行各种处理形成三维造型，为了制造部门进行生产还要再转变到二维工程图，多绕了一个圈子，肯定不如直接做二维图方便。除非你全部是加工中心。我认为三维设计的优点在于数控加工，有限元分析，装配干涉检查。如果不进行上面工作，就没必要上三维软件。
UG三维数控加工仿真 篇6
【关键字】UG；五轴数控加工；加工仿真
现阶段，使用的五轴数控仿真系统通常只有二维动画仿真，且整个仿真系统的几何功能有所限制，加工零件和机床模型必须借助其他CAD软件才能建模，整个模型的仿真精度不高。基于UG软件创建五軸数控机床仿真模型，能够准确读出数控代码，并为机床的各个部件实施三维仿真，同时对零件加工环节机床各部件之间的干涉进行检查，为合理修改刀具轨迹提供可靠依据，避免因文件格式转化导致仿真精度降低的情况。
创建三维仿真系统的步骤
（一）仿真系统工作流程
三维仿真环境是基于计算机虚拟系统中，以不消耗能源和资源真实加工系统的映射，虚拟环境的操作应于实际加工系统所具备的功能相互一致。五坐标数控机床建立的仿真系统具体流程如图1.五坐标联动机床进行加工的零件极为管饭干，可以综合考虑工件、道具等物品的外形、参数的变化，通过装配的形式把制作的CAD模型加入仿真系统内，从而提升仿真系统的灵活性。用户依照实际加工操作基于UG环境下创建刀具、工件等模型，进一步方便对这些模型的尺寸进行修改，在仿真系统的操作直视下，用户只要挑选最佳的部件和位置，
就能把工件、夹具等模型装配至仿真系统的模板文件内。
Y
N
N
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N
图1 仿真系统程序具体流程图
初始化仿真环境
建立合理的仿真模型之后，应对UG环境展开初始化操作，随之进入运动分析模块。为了方便在仿真系统内合理控制机床的各个运动部件，在开展仿真操作前要对机床模型中的几何体实施遍历，随后获得相关几何体的指针。
解释NC代码语义
基于NC代码对整个机床加工环节进行仿真操作，必须准确解释机床NC代表的意义，把代码指令进行转化，从而得到机床不同轴的联动运动。机床NC代码是由大量繁乱的机床运动指令组成，每次读取的代码都必须进行语义解释，从而把NC代码内有用的控制命令和数据转换为机床各个轴的位移。
基于三维造型仿真加工过程
使用三维实体造型的办法，能在仿真环境内更改不同的视角并无需重新进行计算，准确表示刀具与工件之间的几何关系和位置。把NC代码予以转化成各个轴的位移，并对其运动情况实施仿真操作。在三维造型中把动画一帧帧的展示出来，并保存到UG后台数据库内。经过存储的仿真动画能够反复回放，可以根据各行的NC代码依次显示，实际显示时可以进行放大、缩小及变换视角等操作。基于三维造型对整个加工环节进行仿真操作，能够准确展现出空间内实体之间的位置关系，三维效果非常好。
干涉检查仿真过程
对仿真过程进行干涉和检查操作，主要是对加工操作中刀具、夹具、刀柄与工件之间进行干涉。因整个仿真过程采用三维实体造型的模式，因此干涉检查就是对机床模型运动时是否相交进行判断。采用模型的几何体指针，对加工环节内可能出现的干涉部件其位置关系展开检查计算。如果运动部件遭到干涉，创建干涉产生的实体，并通过UG系统获取干涉部位的深度、体积等相关信息，并输出形成干涉效果的NC代码，为合理修改刀具轨迹提供可靠依据。
五坐标机床仿真系统实现
文中以五坐标联动机床为研究对象，为该机床建立仿真模型，同时为三元叶轮的铣削加工环节实施仿真操作。整体式三元叶轮形状非常复杂，具有大量的约束条件，因此加工难度较大，这是五轴数控加工操作中独具代表性的零件。根据数控机床具体的传动尺寸，基于UG环境创建仿真模型，对机床各个轴的运动方向及副作性质进行设定，同时把建立的模型存储为模板文件。五坐标联动机床的运动轴是由2个转动轴，和三个移动轴组合而成。根据实际机床部件的具体尺寸，使用UG/Modeling模块为机床部件创建各自的实体模型，随后使用UG/Assemblies模块把不同部件进行装配操作，从而形成完整的实体模型。在UG/Motion运动分析模块挑选工作台等机床部件定义成连杆，移动副由机床的X、Y、Z轴定义，B、C轴表示转动副，根据设定的机床传动轴运动方向进行操作，同时设定运动副其驱动方式是Articulation。对仿真完成的机床模型进行保存，就能加载各类工件、刀具及夹具，如此采用同个机床对各类工件进行加工时，不需要反复创建仿真模型。通过UF_UI_FILENAME函数弹出的对话框，挑选应该装配的部件，同时输入待装部件的位置，采用UF_ASSEM_assembly函数对部件进行装配，并把部件实体指针设置为运动副。若装配部件有必须隐藏的地方，可通过UG中Blank命令对其进行隐藏操作。
【结束语】：总之，基于UG建立的数控加工仿真模型，可以对整个加工过程机床干涉情况进行检查，为合理修改刀位提供有效依据，提升整个数据加工的工作效率，具有优良的实用性。
【参考文献】
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[4] 杜丽，张信，赵爽宇等.S 形检测试件五轴联动数控加工方法研究[J].中国机械工程，2014，（21）：2907-2911.
三维仿真技术论文 篇7
这个三维短片由比利时学生Manuel Adams和Raimond Teilis合作完成, 是他们的毕业设计作品。短片讲述工匠从格林兄弟那接到订单, 创造并复活小红帽和猎人, 小红帽完美地创造出来了, 但猎人在制作过程中好像出了点差错, 主要讲的是这么一个很短的小故事, 但是在三维技术上, 可以看出是非常出色的一部短片, 资料分析Manuel Adams负责灯光、渲染、模型、贴图, 以及后期工作, Raimond Teilis负责动画、音效、剪辑, 以及模型贴图。制作中使用到的软件有Maya, 3ds Max, Vray, FumeFX, Realflow, Fusion, Soundforge, 以及Vegas。
对这部片子首先看它的建模, 因为这是检验一部片子的技术基础, 有些片子过于注重技术的炫耀而忽略的人物的塑造, 但是这部片子是值得我们学习的, 特别是建模中场景的复杂, 丰满的人物形象、深刻的性格刻画和人物的爱情观, 从这些简而精的建模中都能看出制作者的世界观和对制作细节的追求。
开始由短片中故事绘制草图进入画面, 作为短片的引子, 紧接着是一个大场景, 这个建摸花费的时间和渲染的过程一定非常长, 接着是这些大场景中的一些物品特写, 交代观众这部片子从建模到贴图到渲染是没有瑕疵的, 特别交代了墙上的木偶模型, 贯穿故事的重点, 制作木偶的机器无论是建模还是贴图都建得非常好, 但是短篇唯一的缺憾是主角设计得简单, 但主角的脸部表情非常丰富, 他是通过运用默认骨骼在面部进行绑定后, 再把面部的骨骼链接到BIP上。但是在制作脸部动画是还可以用虚拟物体来控制骨骼, 虚拟体的位移动画连接到数值, 可以用数值来调节动画, 这个方便但设置起来比较繁琐。最后一种方式是用变形修改器, 复制出几个相同的模型做表情动画, 不需要绑定骨骼。但是这个方法做表情因为是预先设置好的, 所以不是很灵活。对这几种脸部表情方法中还是用默认骨骼在面部进行绑定, 这比较简单容易掌握。
一个中等复杂度的环境建筑, 要求使用简易几何体堆砌出大体感觉:如果故事场景我们使用MAX, 整个过程很流畅, 像《Red miss take》故事中的大场景建模不是很难, 只是相对性的多且复杂了一些, 如果用MAX建模, 制作和心情也没有任何障碍和困扰。如果《Red miss take》在maya中建模, 需要花点时间在建模上的, 因为用box再复制位移和修改大小, 这样会快些, 但是需要时间。但这对于制作短片的整个环节而言是致命的, 因为在maya中无论如何操作也达不到拖曳建模的效率 (因为需要时间) 。
但是像这样的大的场景, 房间物品比较多, MAX还有数不尽的脚本可以完成场景 (例如在建模中大的机器, 玻璃瓶容器和木偶, 等等) , 同时在MAX中全局光的渲染, 的确比MAYA选择的多。关全局光不用插件也比MAYA强, 即使不用MR也比MAYA强。除了MAX的光能传递外, MAX可以分层管理场景, 甚至还可以分层光能传递。除此之外MAX在制作像《Red miss take》中大场景, 特别是一些小的局部, 也可以模拟全局光。MAX至少可以三种方式列阵拷贝灯光, 关联修改方便, 即使原始的手工模拟全局光的效率也比MAYA好, 这是制作这么多年的一些总结, 特别是在像《Red miss take》的这样的短片中MAX在制作中可以更加便捷。
《Red miss take》短片在贴图上是为了改善角色的材质的外观和真实感。制作者在大场景的贴图上创建环境光和创建灯光直接投射。像MAX和MAYA软件中贴图可以模拟纹理、应用的设计、反射、折射, 以及其他的一些效果。若与材质一起使用, 贴图效果更明显, 特别是在主角的脸部上, 添加一些细节而不会增加它的复杂度。
在大场景中房间的木式家具和玻璃杯, 以及创造人物的机器, 这些贴图看出三维制作的手法效果非常明显, 贴图上连一些脸部和细小的机器上的铁锈都看得十分清晰。
对像《Red miss take》三维短片来说, 调动画是一件比较复杂的事, 特别是骨骼的父化, 动画中的骨骼系统中, 父化是必不可少的。简单的一个例子, 创建两段骨骼, 分别为父和子。先选择子, 按下shift选择父, 再按下P键, 就建立了骨骼的父化。在Outliner中, 点选骨骼, 用中间拖动到父物体上, 就完成了骨骼父化。在Hypergraph中, 用中间拖动子到父, 就完成了骨骼父化, 和Outliner相同。这样制作动画的骨骼就相对轻松很多。而且在MAYA中初始化骨骼是非常必要的, 否则可能会在动画中引发很多问题。一般两段骨骼, 一段中的是经过旋转的, 而另一段是没有做过任何旋转, 我们会发现在按下F8进入成分模式下, 并且按下问号图标的时候, 显示出来的Local Axes非常凌乱, 很不规则。而没有做过改动的local Axes的X轴指向下一级骨骼。我们这个时候就要初始化凌乱的骨骼, 像在《Red miss take》中使用的较为明显。MAYA中, 有个工具可以自动对齐local Axes, 省去了很多调整的时间。选择要初始化的所有骨骼, 然后执行菜单命令Skeleton Orient Joint打开Options设置参数, 分别调整参数为XYZ+X勾选Hierarchy和Scale再单击Orient按钮即可完成骨骼的初始化。可以看到更改后的X轴都指向。对这部短片动画设定带来很大的方便。全部完成后, 再命令行输入MEL:joint-e-zsoch;这个命令可以使骨骼的缩放轴和旋转轴对齐, 当缩放骨骼的时候, 这个MEL就非常有用了, MAYA增强了FK/IK之间的互相转换融合, 使角色动画的设置变得更加轻松。FK为正向动力学, 也使传统的针对每级动画设定关键帧来控制角色的动画, IK为反向动力学, 在骨骼中使用IK手柄来控制, 非常实用有趣。而且调出来的动作非常自然, 一点也不僵硬。在制作IK和FK的转换。执行菜单命令Display|Heads Up Display|Animation Details来让视图中显示动画的一些信息。然后选择IK手柄和所有骨骼, 执行Animation|IK/FK Keys Connect IK/FK来连接FK/IK。再次选择IK手柄会发现多了一个IK Blend的属性, 同时视图右下方的动画信息栏也显示IK Blend为1。调整该值就可以融合IK和FK了, 如果想关闭IK就把数值改为0视图显示为OFF, 反之改为1, 视图显示为ON。当数值为0.5时, 就可以同时使用FK和IK了, 当数值大于或者小于0.5, 就可以设定IK是否强过FK了。只有这样才能把完整的骨骼动作调到最好, 同时对于制作者来说, 真正的动画师自己必定是一个动作感觉非常好的, 而且自己有对于动作的认识比别人更好。因为技术再好, 还是需要动画师一帧一帧地调出来。
当然, 对于这部短片来说, 还是有很多遗憾的, 特别模型的眼睛, 这个细小的地方没有处理好, 从建模到贴图, 都没有处理好。在制作女孩完成后, 制作者给女孩一个特写, 这个特写有很多令人遗憾的地方。另外, 在粒子制作中, 没有更加细致的完成粒子效果。
《Red miss take》这部比利时的三维短片, 让我们学到很多, 特别是在故事悬念上, 是一部值得我们借鉴的片子。本文仅仅是对这部片子制作上的一些浅析。
摘要：比利时三维短片《Red miss take》从建模、渲染、骨骼动画, 再到故事, 特别是在短的时间内讲完一个很完满的故事, 都是值得国内同行学习的地方。本文仅仅是对三维技术进行分析。
三维仿真技术论文 篇8
1 基于三维配准的口腔三维测量数据融合技术
本文给出的基于三维配准的口腔三维测量数据融合技术, 以曲面曲率为依据作为ICP抽样选点的策略, 根据计算所得的三维曲面曲率来提取三维特征点[8]。本文方法所用的三维特征点是三维数据上局部区域内所有三维点构成的曲面上曲率较大的点, 直观来说就是由口腔三维点云的角点和边界上的点组成的特征点。提取这些点需要计算各三维点处的曲面曲率, 其中曲率的求解需要计算曲面法向量。我们运用协方差分析估计曲面法向量, 根据曲面的法向量提取三维特征点。
将基于三维曲面曲率计算提取的三维特征点, 将其应用于口腔数据的ICP配准流程中, 口腔数据的具体拼接流程如文献[9]所描述。
2 实验结果与分析
我们以石膏牙模为例, 在口内测量环境下对模型进行测量, 从不同视角不同位置获取三维点云数据。同时具有邻近的部分牙齿, 整体约两颗牙齿的测量范围, 获得如图1 (a) 、图1 (b) 所示的两组相邻的部分点云数据测量结果。由于模仿测量视场大小受限, 不同视角下邻近的部分牙齿存在相互不可见部分。图1 (a) 、图1 (b) 邻近的部分牙齿的三维描述具有一定的公共部分, 并且空间上不在同一坐标系。利用本文给出的方法对数据进行拼接融合, 得到如图1 (c) 的拼接结果, 且两视角的拼接精度小于0.005mm。图1 (d) 所示为一、二视角的拼接融合结果。利用本文方法对部分口腔扫描数据依次进行拼接融合, 就得到如图1 (e) 所示, 得到的完整下部口腔待修复拼接融合结果。
3 小结
由于口腔测量空间有限, 而且现有口内微型测量系统视场狭小, 单视角视场内只有平均两颗牙齿的测量范围, 本文给出基于三维配准的口腔三维测量数据融合技术, 实现被测牙齿的大范围甚至全周覆盖。本文以石膏牙模为对象, 验证了提出方法的有效性。口腔三维测量数据融合为口腔数据进一步数字化修复提供了基础。
参考文献
[1]崔海华.微小型数字化口腔测量关键技术研究及应用[D].南京:南京航空航天大学, 2012.
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三维服装CAD技术 篇9
随着我国计算机技术和社会经济的发展, 现有的二维服装CAD技术已经不能满足纺织服装业CAD应用要求。成衣生产的多样化化、时装化、快速化、短周期的发展趋势, 使服装CAD迫切需要由目前的二维设计向立体三维设计发展。三维服装CAD技术, 是指在电子计算机上实现三维人体测量、三维服装设计、三维立体裁剪、三维立体缝合及三维穿衣效果展示等全过程, 其最终目的在于不经制作服装, 便可由虚拟模特试穿, 完成着装效果的预先演示, 从而大大节省了时间和财力, 不仅有助于服装生产率的提高, 更有助于服装满意率和设计质量的提高。目前, 国内外学者主要研究的内容分为以下三大块:人体测量、人体建模、虚拟模特;三维服装设计;三维服装展示。技术工作流程图如图1所示。
1 人体测量、人体建模和虚拟模特
这一阶段主要就是:经过CCD或CMOS成像实现三维人体尺寸的非接触性测量, 属光电法。通过对人体全身的3万个测量点进行测量而得到精确的人体虚拟三维图像, 以获得精确的人体三维尺寸。这些三维数据在计算机内重新构造人体模型, 进行人体仿真, 实现电脑中的虚拟模特。它可用于:在虚拟模特上进行虚拟三维服装设计和立体裁剪, 得到三维服装纸样;在虚拟模特上进行虚拟三维服装展示, 展示服装穿着效果, 有利于服装样板的修改和穿着效果的确认。具体效果如图2所示。
人体测量技术已经发展了几十年, 经历了由接触到非接触, 由二维到三维, 并向自动测量和利用计算机测量处理和分析的方向发展, 弥补了常规的人工人体测量的不足, 更加准确可靠。
三维人体建模作为计算机人体仿真的一个组成部分, 一直是人们研究的热点之一。关于人体建模的一个普遍问题就是如何系统地模拟各种不同的人体。在大多数情况下, 研究者都会选择构建一个所谓的人体模型模板或标准人台, 然后依照不同的需要对其进行修改。人体建模方法划分为线框建模、实体建模、曲面建模、基于物理的建模等方法。线框造型法构造的人体模型很难区分遮挡情况, 其实感的表示较差, 而且不能实现无二义性的表达三维人体, 无法实现对剖切图、消隐图、明暗色彩图等的加工处理。使用实体建模的方法对人体建模时, 由于它增加了三维人体的实心部分表达, 使其信息更加完备, 从而使得三维人体得到无二义性描述。并且实体建模方法提供了人体几乎所有的几何和拓扑信息, 因此它可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示。曲面模型是和计算机图形学最活跃、最关键的学科分支之一。它主要研究具有一定光滑程度的曲面外形的数学描述。使用曲面模型的方法对人体建模时, 曲面模型能提供三维人体的表面信息, 并进行隐藏线消除和真实感三维人体模型显示, 但曲面模型方法也存在着缺陷, 由于没有明确定义三维人体的实心部分, 因此曲面建模方法不能进行剖面操作。传统的人体建模方法对静止人体的建模是非常成功的, 但对于人体动态建模却相当乏力, 正是针对这一问题, 人们尝试将人体的物理特性和人体所受的外部环境因素引入到传统的几何建模方法中, 形成了全新的基于物理的建模方法。一种三维人体建模方法能否在具体人体模型实现中发挥作用, 要由建模方法本身设能和实现方法 (如计算机程序的质量) 两方面共同决定。实现方法的好坏很大程度上依赖于建模方法的原理, 因此对人体建模方法本身进行理论上的分析研究, 寻求一种好的建模方法是非常重要的。
虚拟模特是目前三维服装领域里最为先进的研究成果, 人体的动态仿真科技在国外的研究己经达到很高水平, 而国内对动态仿真的研究还不多。日内瓦大学实验室就创建服装设计和模拟的交互环境所提出的一个功能强大、机械式基础的服装仿真系统, 并表现出十分完美的虚拟模特的服装展示。
2 三维服装设计
在三维人台上直接进行服装设计, 包括三维服装的修改和自动裁剪, 服装二维三维的交互式修改等等, 其中自动裁剪是指三维服装到二维衣片的自动转化。如图3所示。
三维服装设计是指直接在三维服装上进行的设计操作, 比如修改衣服的长度、腰围、袖长或添加分割线、配饰等等。而且在修改三维服装的同时, 二维裁片上也应该有相应改动。这就使得服装具有一定的可控性, 必然是要在服装上定义一些特征曲线和型值点, 如何将可控服装与织物悬垂力学特性结合是一大难题。服装衣片的三维展平也是一个研究的热点, 主要有中心点法和网格平面法。前者主要适用于简单曲面, 如圆锥曲面;后者通常应用于复杂曲面, 如半球面三维衣片产生以后, 根据表面造型的复杂程度, 可以考虑可展曲面的第一次通近及展开, 然后再考虑第二次的局部曲面展平。首先用回台等可展曲面来作第一次通近展平, 接着考虑运用开省的方法把服装造型上较为复杂的部分展开, 如女性胸部进行第二次展开, 使衣片最终成形。在完成所有的衣片之后, 再将新衣片转换成三维服装造型来进行模拟和修改。中心点法, 就是在曲面上选一定点, 联系省道部位的结构线, 并旋转到给定的二维坐标平面, 计算出线段长度与坐标轴的夹角。并由省道开始, 一一展平, 最后留下缝隙正好生成省道, 考虑到面料的弹性和压缩等特性并将三维衣片展开成二维。网格平面法, 将服装曲面划分成四边形网格, 将每一个单元用相应的四边形来代替, 并考虑面料的弹性和压缩性能等, 按与前面类似的原则, 由省道线开始逐一向外扩展, 直至形成衣片平面网格映射图, 再用样条函数方法拟合出衣片边界。樊劲提出了一种通用的二维三维映射算法, 该算法基于弹簧质点变形模型, 能较好地解决计算机辅助服装设计的过程中立维三维的映射问题。Charlie C.L.等提出基于能源的表面展平, 采用三角片模型来表达一个曲面, 然后建立一个基于能量的模型将三维曲面展开为二维片。在这一过程中, 曲面展开的局部精度较易控制。
3 三维服装展示
将设计好的二维衣片, 在三维人台上进行自动缝合并展示三维成衣效果, 进行三维面料填充及效果显示。更为先进的是, 将设计好的衣片穿在虚拟模特的身上进行虚拟的动态时装表演。如图4所示。
将设计好的二维衣片, 在三维人台上进行自动缝合并展示三维成衣效果, 这一过程的关键是三维服装模型的建立, 由于纺织材料的各向异性和变形模拟的难度, 织物变形模型的建立很复杂。B.K Hinds和J.Mc Cartney提出了一种在人体模型的基础上定义一系列位移曲面片 (即服装曲面) 的3D服装造型方法。这是一种典型的基于几何技术的造型方法, 它没有考虑织物的物理性质, 仅集中于外观的表现, 不能准确表现局部结构。Terzopoulos所提出的基于物理的弹性变形模型是织物模拟技术的里程碑。该模型从连续介质力学的角度考虑物体的变形, 认为变形体的变化遵循牛顿力学和经典弹性力学原理, 将问题归结为一个微分方程, 求解方程得到物体上各点的空间几何位置。其后的研究都秉承了这种动力学思想, 提出了许多模拟技术, 如Thalmann小组和Okabe分别提出的粒子系统技术, Celniker, Eichen分别提出的有限元方法以及Provot和Howlettp利用弹簧———质点模型的模拟技术等等。这些模拟技术已经被广泛应用于织物模拟、虚拟演员着装和动画等, 取得了良好的效果。国内在这方面的研究也已经广泛开展, 浙江大学计算机科学与工程系对虚拟服装设计进行了研究, 对弹簧质点模型作了进一步的改进。西北工业大学自动控制系采用能量法进行了真实感布料的仿真。但是这些模拟方法缺点在于都需要求解复杂的微分方程, 运算效率较低, 在普通的计算机上做到实时比较困难。但在实际应用中, 如虚拟试衣镜、模特服装展示动画等, 都要求三维服装的造型与仿真达到实时运算, 在用户的忍受范围内完成, 这些方法有待进一步改进。
衣片的缝合问题, 即曲面的拼接, 可以通过两曲面取相同的型值点来解决。东华大学信息学院测量与控制实验室从人台上取得构造曲面的型值点, 通过曲面插值算法, 实现了三维衣片的构造与缝合。二维衣片的缝合也会遇到一些特殊情况, 如省道、褶皱的处理, 对位与不对位缝合的情况需要分别处理。
使用纹理映射技术填充的服装表面面料, 在服装曲面上实现图案纹理效果, 实质上就是织物图案在物体表面上的映射。其原理是首先根据纹理图案和物体的边界定义, 确定一个映射函数, 然后使用逆向映射将图案映射到服装曲面空间。先将纹理图案空间点通过投影逆变换成服装曲面上的点, 参数化成三维坐标, 由此可以把纹理元素的光亮度值作为该图像元素的明暗值。这一过程实际上是一个坐标转化过程。
4 结语
人们对服装的质量和合体性、个性化的要求越来越高, 使服装CAD迫切需要由目前的二维设计向立体三维设计发展。因此, 三维服装CAD技术在服装工业生产中具有非常重要得作用。随着这项技术的成熟必将会给我国生产加工带来一场大的变革和发展。
参考文献
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三维虚拟仿真研究框架 篇10
三维仿真平台的建立,需要集数据库技术、二维可视化技术、统计分析功能、专业模型计算、三维可视化表现、网络会商功能于一体。在数据存储、统计、分析与二维可视化方面,GIS系统已经比较完善,信息集成度高;从专业模拟计算的角度,相关专业的学者已有大量的研究成果,科学可视化方面也有比较多的应用软件;三维虚拟仿真技术作为一种新的技术,在信息表达方面独树一帜,是二维可视化系统的提升和补充。
1 三维仿真平台框架
三维虚拟仿真平台作为综合平台,其总体框架主要由四个模块组成:三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块。数据库部分作为后台数据的总仓库存储系统运行所需数据,随时接纳由计算或监测输入的数据资料,同时为二维GIS模块和三维可视化模块提供显示数据,为数学模型计算程序提供计算参数。数据库模块包括GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库三个部分,联合实现上述功能。数学模型计算作为系统进行科学模拟的核心内容,为可视化平台提供科学的计算结果,供用户判断决策,并接收可视化平台的反馈信息,随时调整计算条件,其计算结果也可存入数据库中。二维GIS模块和三维可视化模块并列作为前台的显示和交互界面,是整个系统面向用户的窗口。GIS模块完成二维显示和统计分析功能,并与三维可视化模块相连接实现地图导航功能,三维可视化模块则实现场景的三维可视化表现任务[1]。这些模块的集成最终形成三维虚拟仿真平台。
2 数据库设计
三维虚拟仿真平台作为综合平台,包括二维GIS和三维仿真两方面表现,本文将数据库设计分成GIS数据库、三维空间数据库和属性数据库三个部分进行研究。GIS空间数据库主要为二维GIS提供绘图和空间分析的数据源;三维空间数据库为三维可视化模块提供显示所用到的空间结构位置、纹理材质等数据;属性数据库则为GIS和三维可视化模块中的各个实体提供属性信息,同时也存储数学模型计算结果,供查询分析之用。
2.1 GIS数据库
GIS数据库分为空间数据库和属性数据库,空间数据用于描述空间地理对象的属性,是对点、线、面特征的操作。在GIS系统中,空间数据以图层的形式存储和表达,在Arc/Info中图层称为coverage,每个图层存储一个特定的专题图形,不同的图层通过描述信息特征或者辅助特征(如控制点和边界范围)达到空间信息的匹配和配准。图形特征分为点、线段、多边形等,分别对应空间对象的点、线、区域等特征,每个对象对应一条记录。属性资料用来描述图形的特征,包括点属性资料、线属性资料和多边形属性资料。属性数据在GIS中以关系型数据库形式存储,可利用ArcGIS等GIS软件的连接功能,通过用户定义的特征识别码使属性数据库与空间数据库相关联。
2.2 三维仿真空间数据库
三维空间数据库包含的信息有:三维地形地物的空间几何信息,空间拓扑关系,相对应实体的纹理、材质、层次细节构造等方面的信息数据。与传统的商业关系数据库相比,三维空间数据库技术的理论和产品仍处于探索和试验阶段,商业化的三维空间数据库系统尚不多见。
OpenFlight格式数据模型将实体按照其几何结构进行存储,从基础的三角形面组合为局部结构,最后构造为完整形体,通过节点三维坐标和形体拓扑关系存储模型的几何信息。另外该数据模型可以同时存储与实体显示相关的属性信息,如模型材质、色彩、明暗阴影等,模型文件中对纹理信息只存储纹理名称和映射关系,纹理图片需另外存储,通过上述存储方式可从三维可视化角度实现实体信息的关联存储与访问。
2.3 属性数据库
属性数据是指描述三维实体各种属性信息的数据,其中既包括实体名称、实体说明等文本数据,也包括相关的图片、音像等多媒体数据。在数学模型计算方面,一方面需要存储计算所需的基础数据,如河道地形、糙率、流量、水位、经验拟合曲线等;另一方面则需存储计算结果。
3 空间数据与属性数据之间的联系
无论是空间数据还是属性数据,最终都要集成于三维虚拟仿真系统平台中,为信息查询分析、仿真模拟服务。实体空间信息由OpenFlight格式的模型文件存储,可通过三维可视化平台调用而绘制出实体的三维形态;实体属性信息存储于Oracle等关系数据库中,可通过SQL语句进行查询、更新等操作。因此要实现基于三维场景的信息连接查询,需要通过程序设计和数据库间的关联来实现。
4 二维GIS可视化
二维地理信息系统可视化已较为成熟,已经有不少商业GIS软件。但要开发与三维相结合的仿真平台,对GIS的开发调用必须能够脱离商业平台独立运行,这方面组件式GIS技术完全可以满足要求。国内外著名的GIS厂商都相继推出了他们的GIS组件,如InterGraph公司的GeoMedia,MapInfo公司的MapX,ESRI公司的MapObjects和ArcObjects等。而近年来ESRI公司推出的ArcGIS9中的ArcGIS Engine则是组件GIS开发中的新工具。
5 三维可视化
5.1 三维图形显示原理
5.1.1 坐标系定义
现实世界是真三维的,把具有空间坐标的三维实体通过各种变换投影到二维屏幕上的过程称为三维图形显示。为了在计算机屏幕上得到真实感的图形图像,需要一系列坐标变换和计算机图形学技术处理,其过程示意如图1所示。
5.1.2 图形变换
三维图形显示要将世界坐标系中的三维实体经过一定几何和投影变换之后,显示在二维屏幕坐标系中,其中图形的几何变换主要包括平移、旋转、变比、错切等方面,投影变换则一般采用透视投影的方式。
三维图形的几何变换矩阵可用T3D表示如下:
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从变换功能上T3D可分为4个子矩阵,其中,
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产生比例、旋转、错切等几何变换;[a41a42a43]产生平移变换;
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产生投影变换;[a44]产生整体比例变换。
5.2 三维可视化软件开发平台
实现以上的三维图形显示过程需要相应图形开发软件的支持。实现场景三维可视化显示的软件很多,本文以OpenGVS为例来实现场景的实时驱动。OpenGVS是Quantum3D公司提供的视景开发软件包,该软件提供了构建虚拟场景的总体框架和大量的C函数接口,本身实现了许多图形显示经典算法,从而避免了重复开发工作,对视景开发的效率很高。
OpenGVS提供了构建虚拟场景的多个三维场景的驱动接口,主要有Frame,Channel,Scene,Camera,Object,Light,Fog等(Quantum3D Inc,2001)。如图2所示。
程序设计可分为三个部分:程序初始化、图形处理循环和程序退出,结构如图3所示。初始化是对场景三维可视化所涉及的各种实体进行初始化赋值并载入的过程,主要包括:创建图像通道并定义透视投影视图体的大小;载入地形地物实体,将其置于特定的空间位置;设定光照和雾化效果的具体参数,加入场景;初始化摄像机位置和视角。通过初始化工作,程序就具备了图形渲染的数据基础,可渲染出最初的场景静态效果图。而要实时生成图形,进行动态交互仿真,就需要根据交互操作实时改变绘图参数,并根据参数的改变渲染出相应图形,这正是程序的图形处理循环部分所要完成的任务,也是三维交互系统设计的核心所在。实时系统的图形处理是按帧循环的,每帧中都首先根据交互操作的要求进行实体状态更新,如改变摄像机的位置视角、各种地物的运动状态、光照雾化的效果参数等,然后按照更新后的实体状态绘制输出。其中对实体更新变化过程的控制正是三维仿真模拟的实现接口,如场景漫游就是通过更新摄像机位置和视角来实现的,基于科学计算的三维交互仿真也是通过对相应实体运动变化控制函数的设计而完成的。
5.3 三维可视化与漫游
三维可视化系统的基本功能便是真实再现模拟场景,在计算机虚拟环境下对场景进行随意漫游。根据程序的框架结构,三维显示是通过图形场景的渲染完成的,场景画面的明暗阴影及雾化根据光照和雾化参数进行调整,场景的漫游则通过对摄像机的控制加以实现[3]。
5.3.1 三维图形显示
三维图形的显示需要对图形进行剪裁、消隐处理,程序设计中通过定义视图体的大小进行图形剪裁,并应用Z缓冲区算法完成消隐处理。为真实表达三维空间的物体,一方面需要描述其几何特性,即实体的空间位置,另一方面则要描述其光亮度和颜色。另外现实世界是绚丽多彩的,要在计算机屏幕上逼真表达,需要描绘和模拟不同表面的纹理图像,进行纹理映射处理。
纹理映射的实现是依据纹理空间、景物空间和计算机屏幕图像三者的映射关系来完成的。一般来说,二维纹理定义在一个平面区域(纹理映射空间)上,该平面区域上的每一点处,均定义有灰度值或颜色值。在图形绘制时,根据纹理空间与景物空间之间的映射关系,确定景物表面上任一可见点P在纹理空间的对应位置(u,v),而(u,v)处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面P点处的纹理属性。
景物空间与纹理空间之间的映射实际上是实现纹理图片与相应景物实体间平面位置上的配准,其映射关系是一种仿射变换:
u=a0+a1X+a2Y+a3XY (2)
v=b0+b1X+b2Y+b3XY (3)
式中,(u,v)是纹理空间中的坐标,(X,Y)是景物空间实体表面坐标,(ai,bi,i=0,1,2,3)为8个变换参数。可依据纹理图片与实体表面相对应的四个控制点,求解这8个变换参数,从而确定映射关系。景物空间与计算机屏幕图像间的映射即前面所述的透视投影变换。
对大范围的地形模拟,除三维建模外,要获得更多的地形信息,最佳的方法是用数字化的航摄像片进行相对应的纹理映射。因为航摄像片是地面的中心投影,因此航摄影像与地形模型间的映射关系为透视投影变换,通常采用直接线性变换的方法建立纹理坐标(u,v)与地形空间坐标(x,y,z)之间的映射关系:
u=A/C (4)
v=B/C (5)
A=L1x+L2y+L3z+L4 (6)
B=L5x+L6y+L7z+L8 (7)
C=L9x+L10y+L11z+1 (8)
利用一定分布的6个以上的控制点,就可根据最小二乘原理解算出L1～L11这11个参数,确定影像与地面模型的映射关系。
5.3.2 场景控制漫游
场景的随意控制漫游是交互式三维可视化系统有别于动画演示系统的特征之一,通过对视点空间位置和转角的控制来实现[5]。在OpenGVS的Camera接口中,提供对视点控制的模拟回调函数接口,只要编程限制摄像机的运动规则,即可实现诸如漫游过程中视点不能低于地面、进行碰撞检测等功能。摄像机视点由鼠标或键盘操作控制,实现调整视点的高低变化及变向移动等功能。因为系统地形涉及多个层次细节,所以在不同高程漫游时其移动速度应该不同,高空时漫游速度快,可以很快到达指定地点,地表则漫游速度慢,以便仔细观察相关实体;同时俯视角度也应该随之改变,高空观看俯视角大,地面浏览则俯视角变小,达到平视的视觉习惯。具体实现时,通过实时检测视点距地面垂直距离的方法动态改变漫游速度与视角,即当视点距地面的垂直距离大于某一设定高度时,漫游速度设为最大值,俯视角垂直于地面,当该距离减小至接近地面的某一预定值时,漫游速度达到最小,视角水平,中间过程按线性插值,从而达到漫游时速度与视角的自动渐变效果,增强了系统操作的友好性能。图4(a)和图4(b)分别为视点在不同高程时三维可视化系统所显示的场景效果。
为模拟光照变换下的场景,需要在场景中加入光源并控制其位置、方向等属性。如为了模拟一天中不同时刻的场景状态,可根据时间将场景中的太阳光光源按圆弧移动位置,并调整光照的方向,使实体生成不同的影子。局部光源的加入还可以描述车灯、路灯等效果,逼真地模拟各种场景。
6 三维可视化与数据库的集成与交互
三维虚拟场景下对数据库的操作主要集中于实体属性信息的查询统计。属性库的查询统计主要采用SQL查询语句,查询的关键是三维场景下实体的识别并与属性库相关联。
由上面数据库的设计方案可知,三维仿真系统的属性数据分静态数据和动态数据两种,静态数据不再更新变动,只供查询之用;动态数据则不断更新变化,需要实时监测,不断对数据库进行插入、更新、查询等操作。因此两者在查询显示方面自然有所不同,静态数据存储于后台数据库中,正常状态下不显示在屏幕上,其数据大多通过基于三维场景的鼠标点击查询方式,通过对话框形式显示出来;而对于动态数据,虽然也可以通过同样的方式加以显示,但考虑到动态数据的实时变化性,许多情况下对实时性较强的关键数据,需要随时关注其变化,因此采用将这部分数据直接显示在屏幕上的方式,使数据的更新变化一目了然。
6.1 基于三维场景的动态查询
三维动态查询是指通过鼠标选择与点击操作,对三维虚拟场景中各个实体的信息进行直接查询,不需要进行场景画面的切换。通过该功能可以在虚拟场景下将三维实体与数据库中相应实体的属性信息(文本、图片、多媒体)连接起来,达到实体三维显示与相关属性信息的一体化表现。
6.2 实时数据的更新与显示
与静态数据不同,由于实时数据具有动态变化的特点,因此在查询显示方面就不但要考虑数据获取的及时性,而且需要考虑数据显示的直观便捷的需要,使实时数据能够及时、直观地表现于三维虚拟场景中,跟踪相关实体动态显示其属性信息。为此需要解决数据获取和数据显示两个方面的关键技术问题。
7 数学模型与数据库的集成与交互
由于数据库在数据存储、更新、保护、共享等方面的特殊优势,因此应该尽可能将系统数据交付数据库进行统一存储管理。然而当前的很多数学模型程序都由FORTRAN语言编写,采用文件管理方法管理和操作数据,FORTRAN语言不提供数据库读写功能。可以采用Visual C++编写中转程序的方式解决这一问题,实现数学模型与数据库的集成与交互。
8 结束语
仿真平台建立的目标是为了信息管理与决策支持,通过对应用于流域的三维虚拟仿真平台总体结构的分析,将系统功能的实现划分为三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块四个部分的信息集成,从宏观上对仿真平台的集成开发进行了有益的探索。
讨论了GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库的建立和相互关系,从空间数据和属性数据两个方面讨论了数据存储、查询以及两者的联系。重点研究了三维空间数据库的设计及三维空间数据库与属性数据库的连接。
简要介绍了三维图形的显示原理,以三维软件开发包OpenGVS为底层开发平台进行系统开发,实现了三维可视化功能,构建了具有高度真实感的流域场景。探讨了场景三维显示与漫游的方式及实现方法,提出漫游过程中自动调节漫游速度和俯视角度以及对不同状态下可视效果的处理方案。研究了不同漫游状态下显示方式的差异,通过实时监测视点位置的方法实现了自动友好的交互式漫游,并通过添加雾化、光照等效果优化了场景模拟的效果。
在三维可视化与数据库的交互方面,探索了基于三维虚拟场景的动态查询与数据实时显示的实现方法。尝试了运用管道传输方式解决FORTRAN计算程序与数据库信息的数据传输障碍,为数学模型与数据库的交互提供了接口。
参考文献
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三维技术与水墨元素的结合运用 篇11
关键词：传统水墨；三维动画；中国元素
一、中国传统影视动画中水墨风格的运用
水墨动画是中国艺术家在中国悠久而传统的艺术表达形式的基础上而创作出来的一种新的艺术形式。它通过对水墨画的各方面借鉴创作出一种新的空间与时间的表现手法。
刘进安在2009年发表了关于现代水墨与教学的思考——刘进安访谈录一文，路易斯·李发表丁飞艺术的当代价值一文，我们似乎可以找出当下水墨动画片创作处于低谷的原因所在——传统胶片水墨动画片制作过程的繁复与漫长。然而，如今在信息大爆炸、计算机技术无孔不入的时代，水墨动画可否借助数字技术这一强大的巨手解决这一难题。
（一）中国传统水墨画的分析
中国画中水墨画占有独特一席。水墨画顾名思义运用了中国特有材料墨与水的结合，创作出中国所特有的艺术形式水墨画。在运笔的勾、皴、擦、点、泼中，在水墨的浓淡变换中，形成了水墨画所特有的形神碰撞的虚拟空间。使其画面能够穿越空间与时间，从新赋予了水墨画中的物以生命与精神。使创作者的体验、情趣与感受同时融入画中。水墨画讲究简而明通过简洁的物象变幻，却能够韵意出丰富的精神信息，使人的精神达到与景物的形神空间结合。
水墨画的另一大特点就是其构图，它与西方的绘画的构图有很大的不同，常常创作者根据自己意愿和心境随意取舍，及其自由。留白就是水墨画的一大特点，在水墨动画的创制中，许多的优秀作品都遵循了中国传统水墨画的构图原则，营造出许多意境悠远，形神兼备的优美画面。
（二）水墨动画片与传统动画的不同之处
追求水墨技法如何运用数字技术逼真的表现，让水墨元素在交互中绽放光彩，数字化的应用与一般传统动画片的不同之处在于，水墨动画所绘制的材质不同，它们并不都是绘制在宣纸上，并且只有在单帧的画片中能找到水墨所特有的笔触，数字水墨相比于胶片水墨最大的优势在于可擦写，易修改，可直接在软件中进行后期电脑美术编辑，可直接打印，作画效果与在纸上作画一样，并可以灵活修改。
二、三维技术与水墨元素的结合运用
从现阶段很多成功的三维水墨动画的实验来看，将水墨元素运用到三维动画中，不但可以节约许多的成本，免去许多不必要的重复工作，并且可以与先进的现代三维动画技术相结合，创作出更多更优秀的影视动画作品。
（一）水墨元素对角色设计的影响
1、中国传统水墨动画的角色与场景特点
中国传统水墨动画讲究的是写意的空间与形神兼备的画面，在简洁洗练中蕴涵着丰富的故事变化。比如中国画对空间的处理，首先要制作一片水面的话，水面上需要有石头、树、草等。一般在西方的绘画中，水面会是一个实体，需要有色彩、水波、反光、倒影等多种元素结合，而在制作水墨动画的过程中，如果把这些元素全部结合进来反而会失去中国画所特有的美感，但放弃了水面的色彩、水波、反光，却会使水面变成画面中大片的空白，仅仅通过倒影和倒影的波动来表现水面的空间和质感，反而会使画面充满了想象的余地(如图1）。而且，这种大面積的空白不但不会使画面显得苍白无力，反而它符合了中国国画构图中讲究的高度概括，以少胜多的含蓄表达来表现创作者的主观意蕴。中国水墨动画对黑白变幻的精妙把握，对于墨色浓淡的艺术化掌控使得画面中简练的笔触充满了意韵，而这也是将中国水墨动画运用到三维动画中最需要注意的一点。
2、水墨元素与场景的结合
在水墨动画中需要更多的通过线条的轮廓或水墨的浓淡变幻来表现角色的动作变化。在普通的三维动画中，比如制作一个人物的手上动作时，制作者只需要在三维软件中虚拟的三维空间里调整角色的动作规律变化，然后通过计算机的模拟计算得出一个模拟现实的动作变化。这样的动画只是对现实的模仿，它的艺术表达却很欠缺。
（二）水墨元素对特效的影响
水墨动画的特效不同于普通动画的特效处理，它有自身的独特性，所以它对创作者的创意发挥有自己的独特要求。比如在普通的动画中处理一个物体落入水中的特效时，创作者大多会处理成溅起一片水花，但在三维水墨动画中，物体落入水中则溅起的是一朵墨韵；在普通动画中，表现一个生命的消逝最多的处理时是让这个生命倒地，但在水墨动画中则是让这个生命从墨变成墨韵慢慢消逝掉，生命在瞬间变成留白，这些特效的处理不但要求创作者有对水墨艺术的深刻理解外，还需要其发散思维的想象力。
三维仿真技术在动画中的应用 篇12
1 三维仿真技术的含义
三维仿真技术即我们所称的3D动画, 随着影视制作的需求和软件技术的布点发展, 三维仿真技术应运而生, 并受到业界的欢迎。三维动画的制作模式如下:首先, 设计师根据操作的实际需要, 在计算机内建立一个虚拟空间, 虚拟空间建成后, 按照脚本或者客户需求, 设计师对角色或者场景进行相应的设计和表现, 再依据现实生活中的经验, 根据人物、事物的动作、状态对其运动的方向和轨迹进行模拟设计, 设计完成后, 再对人物进行蒙皮、事物进行细节的勾画设计。在完成对人物和事物的塑造后, 便可依据脚本来进入运动状态, 形成一个极具动感和现实感的三维动画。
2 三维仿真技术的特点
1) 对于无法完成的实景拍摄, 三维动画可对其进行模拟, 以排除危险因素;2) 三维动画的制作不似实景拍摄, 易受天气及气候的影响;3) 对于操作人员的物性以及硬性技术要求较高可以用三维动画进行模拟, 降低成本;4) 可进行随意变更, 回炉再造周期短;5) 对于实拍来说, 成本更易控制;6) 通过三维动画代替危险性较高的镜头;7) 对无法重现的镜头进行三维模拟;8) 美化产品, 达到特效制作;9) 三维仿真技术制作时间与场景实拍相比较而言, 时间长, 处理精细。并且制作越精细越逼真, 成本越高。
3 三维仿真技术的在动画中的应用
三维技术在动画制作中得以广泛运用, 不仅仅是由于电脑技术以及软件操作技术所带来的便捷性, 除此之外, 三维技术在动画中的运用突破了传统二维技术制作的局限性, 使屏幕内的内容更加丰富、更加动感, 并且能够给人耳目一新的感觉, 因此三维技术在画面的制作中, 得以更广泛的推广及运用。[2]三维动画不仅仅是对于动画片的运用, 还可以用于广告和电影电视剧的特效制作 (如爆炸、烟雾、下雨、光效等) 、特技 (撞车、变形、虚幻场景或角色等) 、广告产品展示、片头飞字等。
三维技术在动画的应用中, 主要是对现实事物的虚拟再造以及不存在事物的合理想象。由于三维动画存在着自身优势, 被越来越频繁地运用到动画制作中。三维技术的发挥, 使得动画领域得以不断发展和拓展。
一部完整的动画制作不仅仅如我们在荧幕上看到的那样简单, 总体上, 动画制作分为前期策划、中期制作、后期合成三个方面。[3]
在动画制作流程中, 不论是前期策划的剧本及角色的设置、中期制作中道具及场景的布置, 还是后期合成中特效即片头片尾的制作等等, 都离不开三维技术的运用。
3.1 三维技术在前期策划中的运用
制作短片之前, 剧本的选择非常重要。剧本决定了人物设计、情节结构以及故事发展的主线和副线。在前期工作中, 剧本确定后, 根据剧情, 制作人员会写出文字分镜头, 并对画面与镜头进行相应的融合和分配, 以使剧情连贯, 构成完整的叙事。在此期间, 三维技术无需发挥太大作用, 只用于动画完成之前, 画面效果以及人物形象的的预估作用等等。
3.2 三维技术在中期制作中的作用
在中期制作中, 三维技术开始派上较大的用场。其中包括道具、角色的设计, 角色骨骼的绑定、蒙皮等等。中期制作流程任务量庞大, 场景的复杂程度、人物的个性化、道具的精确性都为三维技术的运用提供了宽阔的空间。
在道具场景的设计工作中, 主要运用Polygon, NURNS, SUBDIV三种技术对道具进行建模工作, 并根据剧情以及故事的风格, 设计出相应的模型, 与场景需求相匹配, 在模型设计过程中, 应充分利用三维技术。[4]刻画出道具的棱角和轮廓, 使物体看起来更鲜活、更接近实物。
在人物角色设计中, 为了体现角色的个性化和人物特征, 制作过程总共分为两部分:首先利用三维技术进行角色建模, 其次利用三维技术进行角色的材质贴图制作。在角色的建模过程中, 不仅仅是对人物形象的设计, 还有关于人体结构、肢体运动、肌肉走势等等, 都应注意变通。本项目中主要运用的是Polygon技术, 制作好人物模型后, 在完成相应的细节设计。
人物模型设计好后, 要对骨骼进行绑定, 而后进行人物的蒙皮, 以达到仿真效果。在这一过程中, 先从人物躯体的主干开始运作, 再经由四肢、头部, 进入Animation应用, 使用骨骼组建命令进行骨骼的接合。在蒙皮环节, 运用pain-skin-weights-tool, 对人物进行蒙皮。蒙皮及骨骼设计完成后, 即可对人物做出表情设定, 肢体语言设置等等。
制作动画的过程中, 主要是运用三维技术完成, 主要包括非线性动画、路径动画、关键帧动画、驱动关键帧动力学动画、运动捕捉等等。主要的技术运用还是应依据动画短片的特点、剧情走向、人物设置等等, 挑选出与实际需求相适应的三维技术。
3.3 三维技术在后期制作中的作用
后期制作主要包括特效和音效的制作渲染。在特效场景的制作环节中, 主要是运用After Effects工具制作与场景相符的特效现象, 以丰富画面, 增加动感。音效及合成相对简单, 只需要在音效剪辑软件中输入原材料, 仅是适当的合成剪辑, 便可适用于动画中。
4 结论
随着电脑技术的不断发展, 三维技术已在动画制作中得到了越来越广泛和灵活的运用。三维技术已经深入了动画制作的整个流程之中, 并以其高度的灵活性使得动画的特技制作越来越娴熟, 使动画具备了更好的品质。在动画的发展历程中, 只有不断投入三维技术的使用, 使创造性的思维方式与精湛的三维技术相结合, 方能不断推进动画产业的发展和应用, 从而呈现出更多的优秀作品。
摘要：随着计算机技术的不断发展, 整个世界都进入了数字时代和网络时代。计算机技术的发展不仅推动了政治、经济、文化的发展, 还艺术视觉领域, 计算机技术也为动画制作带来了新的发展机遇。传统的二维动画的主体地位已渐渐被三维技术所取代。本文针对三维仿真技术的特点, 分析其在动画制作中的运用。
关键词：三维技术,质感,视觉,动画
参考文献
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