第一篇：三維人體與服裝建模技術綜述總結

楊孝輝-201107004240-W112

三維人體與服裝建模技術綜述

摘要：在參閱了大量資料與文獻的基礎上綜述了現有的三維人體建模的一般方法并對各自的優缺點進行了分析，著重介紹了三維人體建模與服裝建模，可對三維人體與服裝建模技術有一定的了解。

引言：關于人體建模技術的研究始于20世紀70年代末，計算機人體建模技術發展到現在, 已經出現了大量的不同實現方法, 且隨著時間的推移, 還可能不斷地有一些新方法出現, 而一些老方法也可能會得到進一步完善和發展。三維人體建模是計算機人體動畫、人機系統計算機仿真等系統首要解決的問題之一。三維人體建模首先要建立逼真的人體模型，同時要考慮人體模型的動態特征。本文將從各個方面介紹三維人體與服裝建模得技術的各個方法，這將有助更清晰地區別和了解各種方法的特點。在服裝CAD、網絡虛擬試衣、三維人體動畫和游戲等應用領域，都面臨著如何解決真實人體與服裝的三維重建問題，即人體與服裝的真實感虛擬建模。在計算機圖形學中，物體的造型一般分為傳統幾何建模和物理建模兩大類。傳統幾何建模采用線框、表面和實體等造型技術，只描述物體的外部幾何特征，適合靜止剛體的造型。物理建模則是將物體的物理特征和行為特征融進傳統的幾何模型中，既包含了表達物體所需要的幾何信息，又包含了物體材料的物理性能參數。在現實世界中，服裝的運動受織物材料特性和人體運動的共同影響。人體運動所產生的肢體位移造成人體皮膚表面和服裝布料之間的碰撞，力的相互作用驅動服裝跟隨人體運動。由于用計算機模擬人體與服裝真實效果的復雜性，在三維人體與服裝的造型中出現了幾何建模技術、物理建模技術、結合幾何與物理的混合建模技術。一、三維人體與服裝的幾何建模技術

1．人體

三維虛擬人體的幾何建模技術主要是曲面建模，又稱表面建模，這種建模方法的重點是由給出的離散數據點構成光滑過渡的曲面，使這些曲面通過或逼近這些離散點。在人體曲面建模時，主要采用基于特征的和參數化的人體曲面建模兩種具體建模方法。

2.基于特征的人體曲面建模

基于特征的人體曲面建模根據人體的整體結構，將人體模型劃分為若干個基

楊孝輝-201107004240-W112 本的結構特征。為進行曲面造型，針對每個結構特征可定義相應的造型特征。造型特征分為主要造型特征(即人體模型中指定的特征)和輔助造型特征(即為了精確表達人體模型的較細節幾何特點所定義的造型特征)。該方法的優點在于．它使得人體模型的曲面建模更加靈活，可以針對人體模型不同部位的幾何特征，選擇最適合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一種曲面表達方式。此外，還可較方便地改進人體模型建模方法。根據人體模型尺寸表，可定義一系列的特征曲線，曲線的生成通過相關特征點(根據人體物理特性定義的點)和模型樣本點(根據人體模型曲面造型需要定義的點)來得到。僅靠特征曲線還不足以表達人體模型的所有幾何形狀，需補充定義幾何造型曲線，與特征曲線共同構造出曲線網絡。網絡曲線多采用3次B樣條曲線表達，人體曲面模型的構建則采用B樣條曲面。

二、參數化的人體曲面建模

參數化的人體曲面建模采用幾何約束來表達人體模型的形狀特征，從而獲得一簇在形狀上或功能上相似的設計方案。即在建模過程中應結合人機工程學原理，利用人體各部分固有的比例關系，從人體模型的眾多特殊尺寸中提取出起決定性作用的參數。一旦幾何特征參數確定下來，系統將根據人機工程學原理，修改相應的主要造型特征，使其滿足新的尺寸要求。同時，利用人體模型主、輔造型特征問的關聯結構，修改相關的輔助造型特征，獲得新的人體模型造型特征，對新的人體模型造型特征進行曲面造型，最終得到用戶所需的人體模型。參數化建模是一種更為抽象化的建模方法，它以抽象的特征參數表達復雜人體的外部幾何特征，依托于常規的幾何建模方法，使設計人員能夠在更高、更抽象的層面上進行人體設計。NM Thalmann和DThalmann最早使用多邊形表面生成虛擬人MarilynMonroe，之后又提出JLD算符用于對人體表面的變形。Forsey將分層B樣條技術用于三維人體建模。Douros等使用B樣條曲面重構三維掃描人體模型。曲面模型的優點是速度較快，缺點是不考慮人體解剖結構，取得非常逼真的模擬效果比較困難。提高表面模型的逼真性是目前的研究熱點之一。盡管曲面建模技術已經能夠完整地描述人體的幾何信息和拓撲關系，但所描述的主要是人體的外部幾何特征，對人體本身所具有的物理特征和人體所處的外部環境因素缺乏描述，對于人體動態建模仍有一定的局限性。

除曲面建模方法外，還有棒狀體建模和實體建模方法。棒狀體建模是最早出

楊孝輝-201107004240-W112 現的虛擬人體幾何建模方法，人體表示為分段和關節組成的簡單連接體，使用運動學模型來實現動畫模擬，實現人體的大致動作。實體模型使用簡單的實體集合模擬身體的結構與形狀，例如圓柱體、橢球體、球體等，然后采用隱表面的顯示方法，其計算量大，且建模過程非常復雜。在三維人體模型結構中，實體模型和棍棒體模型基本上已較少使用。

三、服裝的幾何建模方法

服裝的幾何建模方法著重模擬布料的幾何表象，尤其是波紋、褶皺等，不考慮服裝面料的物理特性，將織物視為可變形對象，用幾何方程表達并模擬虛擬現實環境中的織物動畫效果。目前常用B樣條曲面、Bezier曲面：INURBS曲面來進行服裝曲面造型。

Lalfeur等開始用簡單的圓錐曲面代表一條裙子，并穿著在一個虛擬模特上，以人體周圍生成的排斥力場來模擬碰撞檢測。Hinds等將人體模型的上半軀干進行數字化圖像處理以獲得基礎人形，提出了在人體模型上定義一系列位移曲面片的、典型的幾何三維服裝建模方法，用三維數字化儀取得人體模型上的三維空間點，然后用雙3次B樣條曲面擬合得到數字化的人體模型，服裝衣片被設計成圍繞人體模型的曲面，然后將之展開到二維，這些服裝衣片是通過幾何建模得到的。此方法計算速度較快，模擬出的服裝具有其形態特點，生成的圖形具有一定的織物視覺效果，但不能代表特定的服裝織物，仿真效果較差。1.線框建模

線框建模是采用點、直線、圓弧、樣條曲線等構造三維物體的圖形表示技術，它是計算機圖形學在CAD/CAM應用中最早用來表示形體模型的建模方法，并且至今仍在廣泛應用。線框建模只是單純的用點、線的信息表示一個形體，數據量少，定義過程簡單，對其編輯、修改非常快，符合服裝生產中人們打樣的習慣。很多復雜的形體設計往往先用樣條勾畫出基本輪廓，然后逐步細化。人體的線框建模是將人體輪廓用線框圖形和關節表示。由于包含的信息有限，因此該法存在缺陷[1]：

(1)有模糊性和歧義性，即不能夠無二義性地表達三維人體；(2)無法實現三維人體模型的自動消隱及真實感人體模型顯示；(3)無法進行剖面操作；

楊孝輝-201107004240-W112 但線框建模方法很容易產生人體的動作，并且可作為實體建模、曲面建模的基礎，因此至今仍在廣泛應用。最早開發商品化人機系統仿真軟件的英國諾丁漢大學SAMMIE系統生成的人體模型APPOLLO(包含17個關節點和21個節段)、Chrysler公司用Fortran開發的CYBER-MAN系統生成的人體模型以及由Pennsylvania大學計算機圖形實驗室用C語言開發JACK軟件生成的人體模型(包含88個關節點，17個節段)采用的就是線框建模的方法。2.實體建模

實體建模[2]的概念盡管早在20 世紀60 年代就已提出, 但到20 世紀70 年代才出現簡單且有一定實用意義的實體建模系統.到20 世紀70 年代后期, 實體建模技術在理論、算法、和應用方面才比較成熟.三維人體的實體建模由于增加了實心部分表達，信息更加完備，從而使得三維人體得到無二義性描述。并且實體建模方法提供了頂點、邊界、表面和實體幾乎所有的幾何和拓撲信息，因此它可以支持對表達人體的消隱、真實感圖形顯示。

實體建模技術包含兩部分內容，一部分是體素(長方體、球體、柱體、錐體等)定義和描述;另一部分是體素之間的集合運算(并、差、交等)。但是隨著物體結構復雜性的增加,計算量會隨之加大,導致計算效率差、耗時長。

采用實體建模的方法構建的系統有:波音公司開發的Boeman人體建模軟件、以及后來在該系統中開發的允許用戶建立任意尺寸和比例的人體幾何建模程序生成的人體模型、KomyisB等在IBMRs/600CATIA系統上構造的三維人體模型等。毛恩榮等在研究用于機械系統人機界面匹配的人體模型中，采用面向對象的繼承方法，將人體構造成由一系列立方體所組成的三維人體模型實際上也是實體建模方法。3.多面體建模

多面體建模[3]是從構造多面體開始，對多面體的任意一個面、棱邊、頂點進行局部修改，從而構造一個與實體外形相似的多面體(即基本立體)，然后通過類似于磨光的處理，自動產生自由曲面的控制頂點，并拼接成所需的形狀。它是一種根據設計者的構思來進行局部處理并生成人體模型的方法。用多面體建模可以靈活地進行人體形狀設計。多面體人體建模的步驟如下：

（1）首先它將產生一個由直線和平面所組成的基本立體, 作為人體形狀的原型；

楊孝輝-201107004240-W112（2）由基本立體產生曲線模型；

（3）曲面的產生： 在曲線模型的基礎上, 用參數曲面進行擬合； 四、三維人體與服裝的物理建模技術

傳統的人體建模技術經歷了從線框建模，曲面建模到實體建模的發展歷程，其對人體的幾何信息和拓撲信息的描述已相當完備。但它們所描述的主要是人體的外部幾何特征，而對人體本身所具有的物理特征和人體所處的外部環境因素(如重力等)則缺乏描述。傳統的人體建模方法對靜止人體的建模是非常成功的，但對于人體動態建模卻相當乏力。正是針對這一問題，人們嘗試將人體的物理屬性和人體所受的外部環境因素引入到傳統的幾何建模方法中，形成了全新的基于物理的建模方法[4]。

基于物理的建模方法是針對傳統的人體建模技術主要描述人體的外部幾何特征，而對人體本身所具有的物理特征和人體所處的外部環境因素(如重力等)缺乏描述的基礎上發展起來的。因此它嘗試將人體的物理屬性和人體所受的外部環境的各個方面因素引人到傳統的幾何建模方法中，形成的一種全新的建模方法。由于在建模過程中引人了人體自身的物理信息和人體所處的外部環境因素，因而基于物理的建模方法能獲得更加真實的建模效果。同時也由于引人了時間變量，對人體或服裝進行三角、網格或粒子劃分,進行能量、受力分析,能較真實地模擬柔性物體的特性，人體的動態特征將得到有效地描述。但基于物理的建模方法在人體的動態運動規律表達多是采用微分方程組數值求解方法來進行動態系統的計算，與傳統的人體建模方法相比，基于物理的建模方法在計算上要復雜得多。但此法能彌補傳統人體建模方法的不足，自產生以來也得到了迅速的發展。

與傳統的建模方法相比，基于物理的建模方法具有以下幾個特點：(1)在建模過程中引入了人體自身的物理信息和人體所處的外部環境因素，因此，基于物理的建模方法能獲得更加真實的建模效果；

(2)在建模過程中引入了時間變量，因此，基于物理的建模方法能對人體的動態過程進行有效地描述；

(3)人體的動態運動規律多采用微分方程組的形式表達，在基于物理的建模過程中，通常采用微分方程組的數值求解方法來進行動態系統的計算，因此，與傳統的建模方法相比, 基于物理的建模方法在計算上要復雜得多,由于基于物理

楊孝輝-201107004240-W112 的建模方法彌補了傳統的幾何建模方法的不足, 自產生以來便得到了迅速的發展。物理建模方法雖然仿真效果更接近真實狀態，但因模型中包含的有效織物力學結構參數很難確定，加之運算時間太長，應用受到了限制。

五、離散模型的建立

織物是由大量纖維、紗線形成的復雜結構體，是非連續的，宜使用離散的方法建立模型。1994年Breen等提出采用相互聯系的粒子系統模型模擬織物的懸垂特性，1996年Eberhardt等發展了Breen的粒子模型，體現了織物的滯后效應，增加了風動、身動等外力對服裝面料的影響。在粒子系統的基礎上，由Provot和Howlett先后提出的質點一彈簧模型結構簡單，容易實現，計算效率較高，取得了較好的應用效果。該模型將服裝裁片離散表達為規則網格的質點～彈簧系統。每一個質點與周圍相連的若干個質點由彈簧相連，整個質點一彈簧系是一個規則的三角形網格系統。Desbrun等對質點～彈簧模型加以延伸、擴展和改進，綜合顯式、隱式積分，提出一種實時積分算法，可實現碰撞和風吹等檢測和反應。劉卉等也用改進的質點一彈簧模型完成了模擬服裝的嘗試。

人體多層次模型是最接近人體解剖結構的模型，通常使用骨架支撐中間層和皮膚層，中間層包含骨骼、肌肉、脂肪組織等，因此人體從內到外分成骨架、骨頭、肌肉、脂肪和皮膚等幾個層次，可分別采用不同的建模技術。骨頭層可看成剛性物體，采用幾何模型。皮膚層屬于最外層，需要較多的真實性，可采用基于物理的模型，指定皮膚層每個頂點的質量、彈性、阻尼等物理參數，計算每個點的運動特性，實現皮膚的變形。皮膚需要匹配到骨架上，其動態擠壓和拉伸效果由底層骨架運動及肌肉體膨脹、脂肪組織的運動獲得，附著于骨頭上的肌肉和脂肪也得適當地采用物理建模方式形成。

Chadwick等提出了“人體分層表示法”的概念。在此基礎上，Thalmann等提出一種更加高效的、基于解剖學的分層建模算法來實現人體的建模與仿真。通過這種方法建立的人體模型從生理學和物理學角度都能實現更加逼真的效果，但模型復雜度高，人體變形時計算量大。

幾何建模能賦予服裝更靈活的形狀，可以方便地修改服裝的長短胖瘦、結構線等外觀形狀，模型簡單，執行速度快，但不能通過參數控制服裝的懸垂及質感。物理建模允許通過選擇參數值較為直觀地控制服裝的懸垂及質感，如增加質量參

楊孝輝-201107004240-W112 數值將得到厚重織物，但模型復雜，計算費時。服裝的混合建模技術吸取了幾何和物理的優點。通常在圖形生成或模擬過程中，先用幾何方法獲得大致輪廓，再用物理約束和參數條件進行局部結構細化，從而獲得逼真、快速的模擬圖形。

Kunii和Godota使用混合模型實現了對服裝皺褶的模擬。Rudomin在進行模擬時先使用幾何逼近的方法，在人體的外圍生成?個3DJ]~裝凸包，給出了懸垂織物的大致形狀，后利用Terzopoulos的彈性形變模型對織物的形態進行細化處理。在實際應用中，混合建模技術更適合于織物和服裝變形形態的模擬，既能滿足對服裝三維效果的仿真，且能在一定程度上實現三維交互設計，計算時間也將顯著縮短，可以滿足實時的要求，是目前較好的選擇。在三維人體建模上，對靜止人體的實現主要采用面建模技術，重點描述人體的外表面，即皮膚的外形。為了實現人體的動態仿真，需要考慮人體本身的物理特征(如質量、密度、材料屬性等)和行為特征，使得計算機模擬的人體活動符合真人的運動效果，采用了物理建模技術，但由于人對人體解剖結構、自身組織及器官的物理特性、人體運動及動力學行為等研究和了解得并不充分，很難建立起完整的三維人體物理模型。

在三維服裝模擬上，需要設置面料的質地、圖案、色彩、尺寸及環境的燈光、重力、風源、風速、風向等，以及人體與服裝的動力學約束，才能完成服裝動態特性的運動模擬和仿真。服裝的幾何建模能方便模擬面料的幾何表象，但也只能實現服裝的外觀形狀。物理建模技術大多用于對單個織物的動態模擬，對整個由衣片縫合而成的、具有一定款式和飾物的服裝造型則過于復雜。

要實現虛擬試衣、虛擬時裝表演、服裝的網上展示和虛擬購物等的虛擬環境，不僅需要建立人體和服裝的模型，而且還要考慮人體、服裝間、人體與服裝間的碰撞，因此統一人體和服裝的造型是必需的。結合幾何建模和物理建模的各自優點，接近人體解剖結構，把最外層設置為服飾層的人體多層次模型將是今后重點研究的方向。

六、結束語

一種三維人體建模方法能否在具體人體模型實現中發揮作用，主要由建模方法本身性能和實現方法(如計算機程序)的質量兩方面共同決定。實現方法的好壞很大程度上依賴于建模方法的原理，因此對人體建模方法本身進行理論上的分析研究，尋求一種好的建模方法是非常重要的。并且隨著人體建模方法研究的深人，楊孝輝-201107004240-W112 還可能會有一些新的建模方法出現，原有的方法也可能會得到進一步完善和發展。

參考文獻：

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A Model-Based Approach for Estimating Human 3D Poses in Static Images

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Medical Imaging: Registration of 3D Objects and Surfaces

Klaus D.Toennies , Jayaram K.Udupa , Gabor T.Herman , Isaac L.Wornom III , Steven R.Buchman IEEE Computer Graphics and Applications 卷次: 10 刊期: 3，May 1990 Generating Semantic 3D Models of Underground Infrastructure

Erick Mendez , Gerhard Schall , Sven Havemann , Sebastian Junghanns , Dieter Fellner , Dieter Schmalstieg IEEE Computer Graphics and Applications

卷次: 28 刊期: 3，May 2008

第二篇：三維建模技術

計算機三維建模及其應用 作者：劉勝平指導老師：

南昌航空大學航空制造工程學院

摘要：為了更好的應用計算機三維建模技術，本文講述了計算機三維建模的含義，描述了三維建模的發展歷史，說明了三維曲面建模和三維實體建模的主要方法與應用、數據交換接口、三維建模技術的發展趨勢。關鍵字：三維建模技術 1 引言

為了能夠在計算機環境下更逼真地模擬現實世界的人和物及其運動形態, 必須在三維空間系統中利用已有的三維建模技術 ,精確地描繪這些事物以實現三維物體的真實再現 ,進而為用戶創造一個身臨其境、形象逼真的環境。對現實世界的事物進行建模和模擬,就是根據研究的目標和重點, 在三維空間中對其形狀、色彩、材質、光照、運動等屬性進行研究 ,以達到 3D 再現的過程。因而, 對三維實體的圖形圖像處理及其模型建模研究顯得尤為必要。2三維建模技術的定義、發展歷史

三維建模技術是研究在計算機上進行空間形體的表達、存儲和處理的技術，在CAD技術發展初期，CAD僅限于計算機輔助繪圖，隨著三維建模技術的發展，CAD技術 才從二維平面繪圖發展到三維產品建模，隨之產生了三維線框模型、曲面模型和實體造型技術等。線框模型：20世紀60年代末開始研究線框和多邊形構造三維實體，這樣的模型被人稱為線框模型。三維物體是由他的全部頂點以及邊的集合來描述。曲面模型：曲面模型是在線框模型的數據結構基礎上，增加可形成立體面的各相關數據后構成的。

實體造型技術：實體模型在表面看來往往類似于經過消除隱藏線的線框模型在線框模型或經過消除隱藏面的曲面模型；但實體模型上如果挖一個孔，就會自動生產一個新的表面，同時自動識別內部和外部；實體模型可以使物體的實體特性在計算機中得到定義。

特征參數化技術：參數化造型的主體思想是用幾何約束、工程方程與關系來說明產品模型的形狀特征，從而達到設計一系列在形狀或功能上具有相似性的設計方案。

變量化技術：我們在進行機械設計和工藝設計時，總是希望零部件能夠讓我們隨心所欲地構建，可以隨意拆卸，能夠讓我們在平面的顯示器上，構造出三維立體的設計作品，而且希望保留每一個中間結果，以備反復設計和優化設計時使用。三維曲面建模和三維實體建模的主要方法與應用

第三篇：三維建模設計報告總結

三維建模設計報告總結

三維造型技術在機械制造業中的廣泛應用，給機械制圖課程的改革提出了新的要求，以下是小編整理的三維建模設計報告總結范文。

三維建模設計報告總結篇一：

1、論文題目：要求準確、簡練、醒目、新穎。

2、目錄：目錄是論文中主要段落的簡表。(短篇論文不必列目錄)

3、提要：是文章主要內容的摘錄，要求短、精、完整。字數少可幾十字，多不超過三百字為宜。

4、關鍵詞或主題詞：關鍵詞是從論文的題名、提要和正文中選取出來的，是對表述論文的中心內容有實質意義的詞匯。關鍵詞是用作機系統標引論文內容特征的詞語，便于信息系統匯集，以供讀者檢索。每篇論文一般選取3-8個詞匯作為關鍵詞，另起一行，排在“提要”的左下方。

主題詞是經過規范化的詞，在確定主題詞時，要對論文進行主題，依照標引和組配規則轉換成主題詞表中的規范詞語。

5、論文正文：

(1)引言：引言又稱前言、序言和導言，用在論文的開頭。引言一般要概括地寫出作者意圖，說明選題的目的和意義, 并指出論文寫作的范圍。引言要短小精悍、緊扣主題。

〈2)論文正文：正文是論文的主體，正文應包括論點、論據、論證過程和結論。主體部分包括以下內容：

a.提出-論點;

b.分析問題-論據和論證;

c.解決問題-論證與步驟;

d.結論。

6、一篇論文的參考文獻是將論文在和寫作中可參考或引證的主要文獻資料，列于論文的末尾。參考文獻應另起一頁，標注方式按《GB7714-87文后參考文獻著錄規則》進行三維設計開題報告三維設計開題報告。

中文：標題--作者--出版物信息(版地、版者、版期)：作者--標題--出版物信息

所列參考文獻的要求是：

(1)所列參考文獻應是正式出版物，以便讀者考證。

(2)所列舉的參考文獻要標明序號、著作或文章的標題、作者、出版物信息。

三維建模設計報告總結篇二：

鉗工用電動臺虎鉗，是現在市場所少有的。

一、根據現在生產技術越來越高，生產精度越高，同時也是生產越來越精巧，夾緊力也要求越來越準確，不能過大過小。但傳統的臺虎鉗所產生的夾緊力是根據師傅的經理來保證的，因此極有可能會產生以上的不足而使廢品率提高，根據生產的需要，特此設計一套適合加工的鉗工用電動臺虎鉗。

二、傳統的臺虎鉗工作效率比較低，傳統臺虎鉗是螺紋傳動，無法實現快速夾緊與松開，使得生產效率比較低。現有的電動臺虎鉗基本上用在車床上，能實現快速夾緊與松開，但是要配有一個機動的動力源，如果用在鉗工上就成本太高，所以不適用。新設計的鉗工用電動臺虎鉗，不但可以實現快速夾緊與松開的同時，電動系統的動力源為手動，這樣相對于機床用的臺虎鉗來說成本比較低，只比傳統臺虎鉗的成本高不了多少。鉗工用電動臺虎鉗有以上優點，新的臺虎鉗的問世是遲早的問題，是必然的趨勢。

目前，國內有不少科研單位已經或正在進行利用Pro/ENGINEER進行二次開發的CAD系統研究工作，不過對于這些系統，在機械方面的設計比較多，合肥工業大學進行了開發Pro/ENGINEER用戶化菜單的技術和實踐方面的研究，即研究如何在Pro/ENGINEER中加入用戶自定義的菜單;合肥經濟技術學院提出了通過Pro/ENGINEER二次開發來利用工程數據庫進行特征造型的方法;南京航空航天大學的陳辰等參與開發的是一個較為完整的軸類零件設計(三維模型)、零件出圖、零件加工(加工刀軌代碼生成)系統，讓一些通用設計的過程實現自動處理，以減輕設計人員的工作量;北方交通大學機械與電子工程學院進行的是基于Pro/ENGINEER的內燃機車三維標準件庫的建立方面的研究，該系統采用Pro/ENGINEER為平臺，利用其強大的參數化造型技術和二次開發模塊Pro/TOOLKIT，建立內燃機車三維標準件庫，以適應機車新產品的設計與開發，提高Pro/ENGINEER系統的實用程度;清華大學精儀系CIMS中心則提出基于Pro/ENGINEER系統開發面向并行工程的CAD系統三維設計開題報告文章三維設計開題報告

在國外，新加坡國立大學的Wynne Hsu等人，以Pro/E軟件為平臺，通過C語言編程開發出一種將裝配設計分析與產品的概念設計相結合的系統。系統通過五大模塊:設計特征庫、分析模塊、交互模塊、搜索模塊和裝配模塊，實現了產品的自動裝配。國外由于研究開發三維設計軟件的時間較長，而且早己應用于相關行業，故在其應用領域里的自主開發技術已經十分成熟和完善。

(1)對虎鉗進行測量，并通過三維繪圖軟件Pro/E重構其模型。

(2)對產品測繪后，根據各個尺寸，通過Pro/E重構出產品臺虎鉗的三維模型。

用ProE做出虎鉗的零件圖的三維建模，并進行虛擬裝配、干涉檢測及系統優化等。

利用 Pro/E軟件的參數化功能或指令編程技術，建立本單位常用的標準零件庫，減少重復建模時間，提高設計效率。

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Pro/ENGINEER Wildfire 中文版典型實例。人民郵電出版社P367--423

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第四篇：注塑機三維建模畢業設計

注射模具工作過程中的動畫模擬

第1章 緒論

1.1注塑成型模具概述

注塑用模具簡稱注塑模，主要用于熱塑性制品的成型，但近年來也越來越多地用于熱固性塑料的成型。注塑成型在塑料制品成型中占有很大比重，世界塑料成型模具產量中約半數以上為注塑模具。

注塑模主

圖1-1 化妝瓶蓋用模具 要由成型零部件和澆注系統組成，使來自注塑機的熔融物料成型為適應于各種用途的制品。注塑過程中，塑料先加在注塑機的加熱料桶內，塑料受熱熔融后，在注塑機的螺桿或活塞推動下，經噴嘴和模具的澆注系統進入模具型腔，塑料在模具的型腔內固化成型，這就是注塑成型的簡單過程。

1.2注塑成型模具的分類及其典型結構

1.2.1注塑成型模具的分類

生產中使用的注塑模具種類繁多，可從不同的角度分類。本論文要模擬模具的工作和裝配過程，要對各類不同的模具結構進行精密的三維建模，因此本文按照模具的結構不同來對其進行分類：單分型面注塑模具，雙分型面注塑模具，帶活動鑲件的注塑模具，橫向分型抽芯的注塑模具，自動卸螺注塑模具，多層注塑模具，無流道注塑模具等。下文將主要針對單分型面，雙分型面，斜導柱抽芯注塑模具以及目前應用廣泛的潛伏澆口的注塑模具進行模擬。

1.2.2注塑成型模具的典型結構

注塑模具的結構是由塑件結構合注塑機的形式決定的。凡是注塑模具均可

注射模具工作過程中的動畫模擬

1.4課題的研究內容

a 用3ds max制作各種塑料模具零件，包括動定模板，凸模，凹模，導柱，導套，復位桿，推桿以及連接螺釘的建模；

b 把零件裝配成成型系統，澆注系統，脫模系統，抽芯系統，再將各系統裝配成整套模具，并附有相關圖片和文字說明；

c 模擬上述各類模具的工作過程及其裝配過程。

注射模具工作過程中的動畫模擬

者豐富的創造欲望，這一特點正滿足了本設計中圖片細致的后期處理要求。

2.3會聲會影的選用

會聲會影是一套影片剪輯軟件，具有其它視頻工具無法替代的視頻文件編輯功能，能獨立編輯影片的視頻，背景音樂和旁白解說音軌。本論文正是利用這些特有功能對3ds max渲染出的無聲視頻文件加上標題，轉場效果并且配上背景音樂，使動畫更加生動豐滿，有聲有色。

注射模具工作過程中的動畫模擬

模架。適用于立式或臥式注射機上。用于直澆道，采用斜導柱側面抽芯、單型腔成型，其分型面可在合模面上，也可設置斜滑塊垂直分型的注射模。

3.2典型注塑模具的特征

在本設計工作開展之初，為了更加準確的表達清楚模具的內部結構，本組成員到模具車間進行了現場調查，通過工人師傅的講解和部分照片資料的收集，筆者對本課題涉及的模具有了更加深刻的認識。此外，在設計中期，我們還到外校模具實驗室參觀了注塑模具木結構模型，并進行了現場拆裝實驗，為設計提供了豐富的實踐素材。現介紹本文將涉及的幾種典型模具的具體特征。

3.2.1單分型面注塑模具

顧名思義，在動模與定模之間只有一個分型面的注塑模叫單分型面注塑模，有些資料也將其稱為兩板式注塑模或標準模。具體特點是主流道開設在定模板一側，分流道和測澆口設置在分型面上，開模后，塑件連同澆口，流料凝料一起滯留在動模一側。動模中的頂出脫模機構在注塑機的頂桿驅動下，從動模上把塑件和凝料一齊頂出。圖3-2所示是一種單分型面的注塑模具。

圖3-2單分型面注塑模具

3.2.2雙分型面注塑模具

除了動模和定模之間的一個分型面之外，還設有另外一個具有輔助功能的分型面的注塑模叫做雙分型面注塑模具，又稱作三板式注塑模。與單分型面注

注射模具工作過程中的動畫模擬

此種類型的單獨給出介紹。

潛伏式澆口的斷面形狀和尺寸類似點澆口，它除了具備點澆口的特點外，其進料部分一般選在制件側面或背面較隱蔽處，不至于影響制件的外觀，同時可以采用較簡單的兩板式模具澆口進澆點潛入分型面的下方沿斜向進入型腔，在動模和定模分型或者推出時流道凝料和制件被自動切斷，故分型或推出的時候必須有較強的外力驅動，對于強韌的塑料，潛伏式澆口是不適用的。圖3-5所示為潛伏式澆口示意圖。

圖3-5 潛伏式澆口

3.3三維模具模型的建立

本文要實現三維動畫的效果，首先要對各部分模具零件進行三維建模。對于此部分工作，本課題采用3ds max 5.0應用軟件。首先對各類模具的單個零件進行建模，最后裝配在一起成為完整的一套模具。下面對上述四種典型模具的建模過程進行詳細闡述。

3.3.1單分型面模具建模

在這部分的模型建立中，筆者的主要工作有標準模架的模型建立，包括動模底板，支架，動模墊板，動模板，定模板，定模底板，推板以及推桿固定板等板類零件的建模；凸模和凹模的建模；桿類零件模型的建立，包括復位桿，注射模具工作過程中的動畫模擬

柱體，最后將復位桿復制三份，推桿復制七份，調整好各自的相對位置。由于這部分采用的是Z字頭拉料桿，因此對拉料桿的末端還要進行處理。利用自由

圖3-10 導柱和導套

圖3-11 桿類零件

圖3-12推板導柱及導套 曲線工具創建Z字形二維形狀，然后用extrude拉伸命令將其拉伸至一定厚度，最后用拉料桿減去這部分形狀即可得到Z字頭拉料桿。桿類零件的全部效果圖如圖3-11所示。

為了推板能在固定的軌道上運動，這里還要建立推板的導柱及其導套的模型，其建立過程和復位桿以及拉料桿的大同小異，同樣是建立首先利用圓柱體命令建立兩個圓柱體，然后調節其形體參數和相對位置，最后用“布爾和”將它們合并成一個實體。其效果圖為圖3-12所示。

最后進行各部分連接螺釘的三維建模。在這套模具中，有連接動模底板，支架，動模墊板和動模板的螺釘，有連接推板和推桿固定板的螺釘以及連接定模板和定模底板的螺釘。首先用createextended primiti vesgengon命令創建正六邊形棱柱，在用

布爾和運算將它與另一倒角圓柱體合并，然

圖3-13螺釘建模 后建立一個彈簧模型，調整其顯示參數，使其成為螺紋的形狀，最后也將它合并至剛才制作好的復合幾何體中，其效果圖為圖3-13。利用復制命令將其復制到其他位置，并調整好各自的長度，螺釘的模型建立即完成。

由于各桿類零件和螺釘都是裝配在模架之中，所以最后還必須在模架中制作與各零件相配合的孔，這項工作可以利用布爾差

運算實現。

此外，再用圓柱體命令建立澆口套和定圖3-14 單分型面注塑模具模型

1注射模具工作過程中的動畫模擬

用createextended primitivesoiltank命令創建油桶幾何體，調節其參數使它的形狀和大小復合斜導柱的特征，再創建兩個圓柱體，將兩個幾何體應用布爾和運算合并，效果如圖3-17所示。

圖3-17斜導柱示意圖

圖3-18 組合滑塊示意圖

3注射模具工作過程中的動畫模擬

第4章 三維動畫的制作

動畫是由一系列靜止圖像構成的，這些靜止圖像按一定順序顯示在用戶的眼前，每個靜止圖像稱為動畫的一幀。動畫非常適合表現模具的工作過程和裝配過程，看過動畫之后能十分清楚地了解模具結構。

3ds max5.0擁有強大的動畫制作及渲染功能，利用其自帶的動畫編輯和渲染器能輕松實現三維動畫的制作。如圖4-1為該軟件的動畫軌跡視圖。

圖4-1 3ds max5.0動畫軌跡視圖

4.1單分型面模具工作過程動畫的制作

動畫的制作過程也都是大同小異，在此以單分型面的工作過程動畫為例來說明動畫的制作過程。（1）分析動畫過程

該部分動畫可以分為5個過程。第一，注塑機開始工作，往模具型腔中注入塑料熔料；第二，注塑過程完畢，動模部分和定模部分開始分開，同時將制件和流道凝料一起和定模脫離一定距離（開模行程）；第三，推板在注塑機的驅動下推動塑料制件離開凸模；第四，脫模過程完成，動模和推板部分一起向定模方向運動，直到復位桿接觸到定模板；第五，合模過程結束，并且推板的復位完成，準備開始下一周期的工作。（2）設置關鍵幀

根據上述分析結果，可以在動畫中設置關鍵幀：第0幀，即為各部分零件的初始階段，動模和定模閉合；此后每隔20幀設置一個關鍵幀。第20幀，開模，此時塑料制件仍然在凸模上；第40幀，推出制件和凝料；第60幀，合模；

5注射模具工作過程中的動畫模擬

使側型芯滑塊側向運動完成側抽芯動作，接著是推桿運動推出制件，最后合模并準備下一周期的注塑工作。

潛伏式澆口所用的是兩板結構，其關鍵幀的設置和單分型面注塑模具十分相似，在此不作重復論述。

4.3裝配過程動畫的制作

在裝配過程動畫中，筆者將零件的運動軌跡設置為水平運動，并使各零件依次從屏幕兩邊“飛”入畫面，以實現裝配過程的模擬。由于零件數量較多，其關鍵幀的數量比起模具的工作過程動畫來說更多，因此所需的動畫時間也較長。具體的設置過程為依次把各零件拖入畫面，然后點擊關鍵幀設置按鈕，最后選擇合適的視頻輸出尺寸，渲染輸出。

4.4靜態圖片的渲染出圖

圖4-3 渲染動畫對話框

為了更清楚的反映模具結構，在配合三維動畫的前提下，在此還渲染出更為清楚的靜態圖片，以彌補三維動畫中未曾表達清楚的細節部分零部件。

首先將要顯示出圖的零件選中，單擊右鍵選擇“隱藏未選中零件”，然后放大視圖，將零件顯示在視圖的顯眼位置，最后架設好“燈光”和“攝像機”系統，調出渲染動畫對話框。此處與渲染動畫所不同的地方在于，在選擇文件格式時，如果要渲染動畫文件則選擇“avi”格式，如果是圖片，則選擇“jpeg”格式，并勾選上渲染“single”，即指渲染單幀。

同樣，此時的圖片仍然比較粗糙，沒有層次感，必須對其進行專門的后期處理才能達到更好的效果。

7注射模具工作過程中的動畫模擬

以“單分型面注塑模具的工作動畫”為例。播放初稿時，整個動畫只有5秒鐘，時間過短，整個模具的工作過程難以看清，而且視頻開頭缺乏標題和標題動畫。

在“會聲會影9”中打開這段影片剪輯，首先為動畫加入標題。單擊素材庫右邊的下三角按鈕，在彈出的菜單中選擇“視頻”命令，在素材庫中出現所有可用的視頻素材，在此選擇一個flash片段作為開頭動畫，持續時間為3秒鐘左右，將其拉入時間軸中即完成標題動畫的添加。然后單擊“標題”命令，切換到標題面板，在整個項目的開始位置輸入“單分型面注塑模具的工作動畫”，并將其移動至預覽屏幕中央，在窗口中播放影片就能看到標題動畫持續大概3秒鐘后轉入模具動畫的播放。

此后可以用調節影片播放時間的方法來調節其播放速度。單擊選項面板中的“回放速度”按鈕，打開回放速度對話框（圖5-3）。移動調節按鈕至滿意為止。

圖5-3 回放速度調節對話框

添加背景音樂的方法和添加標題動畫差不多，這里可以在聲音素材庫中找到一段風格適宜的音樂，直接將其拖入背景音樂軌中，調節播放時間，并加入“淡入淡出”的效果，使文件的播放不至于太突然。

重新預覽動畫，就可以收到聲色俱佳的視頻文件效果。

9注射模具工作過程中的動畫模擬

結束語

本文主要介紹了單分型面，雙分型面，斜導柱抽芯和潛伏式澆口注塑模具的工作和裝配過程的動畫模擬。文中重點論述了模具的建模過程，動畫的制作過程，并且還對圖片和動畫素材進行了后期處理，使其更容易被受用者接受。但是不足在未能對所有典型注塑模具的結構進行模擬，在已完成的工作中也存在許多缺陷，和預期的目標仍然存在一定的差距。

文章還附帶對3ds max，Photoshop和會聲會影等軟件的應用進行了簡單的比較，提到了它們各自的特點以及選用理由。

由于時間倉促以及相關知識和經驗的缺乏，本文難免存在許多錯誤，懇請各位讀者提出批評和指正。

1注射模具工作過程中的動畫模擬

參考文獻

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第五篇：三維建模思路教學淺析

AutoCAD（中級）培訓中三維建模思路教學淺析

謝珍真

內容摘要：復雜的形體大多都是由簡單的基本形體進行布爾運算或面截切得到的。在教學中從簡單零件的畫法開始，就注重引導學生進行形體分析，養成良好的建模思維習慣，同時，讓學生理解UCS變換的目的是至關重要的一步。重視建模思路的分析引導，讓學生自主探求模型的構建方法，使不同層次的學生得到不同程度的發展。

關鍵詞：三維建模思路，形體分析，UCS變換

AutoCAD是目前應用最廣的計算機輔助設計（CAD）通用軟件，從AutoCAD2000以后，其三維建模與功能隨著軟件版本的不斷升級而日顯強大。AutoCAD（中級）培訓其主要任務是完成三維建模的學習。這個過程既是AutoCAD 三維建模技能的教學過程，更是為學生構建三維設計理念，拓展三維設計視野，為今后觸類旁通地學習其他更專業的3D參數化設計軟件做鋪墊的過程，因此在教學中不僅要重視通過建模實例熟悉命令，更應注重通過三維建模思路的分析，讓學習者能舉一反三，熟悉三維建模的思維過程，達到真正理解與掌握三維建模過程的目的。本文擬通過多年的AutoCAD實踐對三維建模思路的教學加以總結分析。

一、形體分析是三維建模的思維基礎

正如我們在《工程制圖》教學中，形體分析法是讀懂圖紙的基本分析方法一樣，在3D設計中，無論是象AutoCAD這種基于二維發展起來的三維設計模塊，還是參數化3D 設計軟件：如3dmax、Pro/E、ug，其建模的基本思路都是首先對模型進行形體分析，因為復雜的形體大多都是由簡單的基本形體進行布爾運算或面截切得到的。在教學中從簡單零件的畫法開始，就注重引導學生進行形體分析，養成良好的建模思維習慣，只有這樣才能使學生真正掌握三維建模的技能。

三維建模時的形體分析（本文主要討論實體造型），主要從以下幾方面進行考慮：1）是否為3d工具條中已有基本體（長方體、圓柱體、球體、圓錐體、楔體、圓環體, AutoCAD2007又新增了螺旋體、棱錐體等）的布爾運算（并、差、交集），2）是否為二維幾何面拉伸、旋轉、放樣（2007新增）后與基本體的布爾運算3）是否為基本體的面截切。一些形體，盡管看起來復雜，但基本形體的判斷與分解并不困難，這是由于組合形體主要是布爾并、差運算，運算后基本形體的特征仍然明顯。例如（圖1）所示泵體，建模時可將其分解為圖2所示的二維幾何面拉伸體與圓柱體的布爾并、差運算,復雜的形體也就變得簡單了。而有些形體，看似簡單，但初學者卻感覺無從下手，例圖3，六角螺母的倒角，不少初學者常常在倒角與倒圓命令上兜圈子，而其形體的形成應是六棱柱與圓錐的布爾交運算所得，采用布爾交運算后的得到的形體，其基本形體的特征已不明顯，往往不易判斷，因此，在形體分析時，應熟悉布爾交運算結果的特點：兩形體的共有部分。形體分析的目的是在弄清形體結構的基礎上，確定建模方法。一個形體，其構建的方法往往并不是唯一的，因此，在教學中，通過形

圖3 體分析啟發學生探討建模方法，并對各種方法加以分析比較，選擇最簡方法，可以使學生在學習中不拘于教材或老師的建模步驟而獨立完成三維建模，真正掌握三維造型的技能，達到授之以漁的目的。

二、UCS變換是三維建模的關鍵

形體分析為三維建模奠定了建模方法的思維基礎，但能不能完成建模，關鍵還在于對UCS的理解與靈活運用。

UCS為user coordinate system的縮寫，即用戶坐標系。在AutoCAD中有兩個坐標系，一是WCS（世界坐標系），另一個就是UCS。在二維繪圖中，我們采用的是WCS，其原點位置和坐標軸的方向是固定不變的。而UCS是一個原點位置和坐標軸方向可根據用戶需要變換的坐標系。由于是在2D平面繪制3D圖形，因此，所有的3D軟件都要解決同一問題，即2D繪圖平面的變換，只是各自的術語不一樣而已，如：pro/E將二維繪圖平面稱為草繪平面，masterCAM中將其稱為構圖面，Solidworks將其稱為基準面。AutoCAD中沒有明確給出二維繪圖面的名稱，而是用可變換的UCS確定二維繪圖面XY平面，理解了這一點，UCS變換也就容易掌握了，同時對于其他3D軟件的入門也起到觸類旁通的作用。

初學者對UCS變換目的不理解，在建模時最感困難的就是UCS 的應用。因此，在教學中，讓學生理解UCS變換的目的是至關重要的一步。UCS變換的一個重要目的，就是建立新的XY平面，由于許多2D繪圖及編輯命令（如PLINE、ARC、CIRCLE、ELLIPSE）只能在xy平面內繪制，而三維實體命令（圓柱、圓錐、長方體、楔體及拉伸、旋轉、掃描，放樣）都是基于2D圖形形成的，因此在三維建模時必須通過UCS變換將XY平面建立在所需的空間任意平面內，使各個方向基本形體得以完成。如圖4示的機件，是由1、2、3塊板組合而成，而創建1、2、3板的2D幾何平面圖形只能在xy平面內繪制，通過UCS的變換，就可以使 xy平面位于圖示所需的三種位置，達到構建各個方位基本形體的目的。

（圖4）

明白了UCS變換的目的，再讓學生來理解和應用UCS變換的各個命令就容易的多了。UCS變換命令的靈活應用則在于讓學生熟悉UCS工具條中各命令的特點，為了讓學生能熟練掌握各命令，可以根據各UCS變換命令特點分類介紹：

1）繞坐標軸旋轉（），其特點是原點不變，只改變坐標軸的方向，例圖5，1 繪水平方向圓柱 繞Y軸旋轉90°（圖5）

繞X軸旋轉45°繪斜圓柱

配合原點平移命令，可以將XY平面變換到任何位置與角度。2）原點、坐標軸方向變換（），這三個命令原點都可改變。為原點平移，理解與應用不會有困難，靈活應用可以在確定基本形體位置時簡化坐標輸入。圖6示確定鍵槽位置時，UCS變換后，軸向坐標（X）輸入1.5 即可。

為定原點及Z軸正向，為三點定新XY平面，應用的前提是已知Z方向

或已知平面的三點，這兩個命令應用得當，可以使UCS變換快捷簡單。(圖7)

3)變換到指定平面（）），這三個命令的特點是 指定某面（對象、實體表面、視圖）為新的XY平面。對于 指定對象確定新的坐標系，學生一般感覺較困難，但在實際 中應用并不多，因此可以簡略介紹即可。(圖8)

指定實體平面

（圖8）

圖7 Z軸正向

教學中注意給出UCS 變換的典型實例，注意分解難點。如（圖8）的建模，形體分析簡單，但須經多次UCS變換才能完成。（圖9）

（圖9）

無論是已有模型的繪制，還是三維創意的表達，形體分析是三維建模思維的基礎，只有清楚了各部分的基本形體，才能確定建模的方式。而UCS變換則是解決各基本形體在各個不同空間方位的繪制。三維模型的構建，重要的是建模思路的構建。在教學中，宜采用引導——探究教學方法，探究學習理論認為，傳統的理科學教學熱衷于灌輸和記取結論性知識，不利于學生思維能力的發展，而該理論強調學生自主地通過探究過程式學生的思維得到開發并獲取知識。教學中不是照本宣科地講授命令或繪圖步驟，而是重視建模思路的分析引導，讓學生自主探求模型的構建方法。采用引導-探究式教學可以讓學生成為學習的主體，從而使不同層次的學生得到不同程度的發展。參考文獻

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