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1、1产品设计中的材料仿真技术研究 胡 鹏 李 纶（昆明理工大学机电工程学院工业设计系， 云南 昆明 650093）摘要：在工业产品造型设计的形、色、质等形态要素中，色彩和质感与材料有着直接的联系，材料在塑造产品和体现其美学和人文价值中起着关键的作用。在计算机辅助产品设计中，真 实的材料质感是产品造型设计的重要组成部分，如何 编辑出仿真的材 质对提高设计质量有着重要的作用。本文着重针对材质编辑中的难点， 讨论在计算机上应用仿真技 术编辑制作逼真材料的方法，并 对金属材料、无机材料、有机材料、复合材料的色彩、质感模拟仿真的方法进行了讨论。关键词：产品设计，材料，仿真技术0 引言工业设计自诞生到如今大
2、约已有一百年多年的历史，在这一百多年里工业设计和所处时代的生产力水平有着十分密切的关系，不管是设计观念、设计思想还是设计手段都随着社会的进步在不断的变化和发展。随着工业设计学科的深入发展，工业设计中的许多概念，方法和内容也越来越细，每一个领域对于工业设计的影响，每一个学科在工业设计中的作用，都在发生着巨大变化。计算机软硬件水平的飞速发展，大大推动了工业设计的发展，作为信息时代的主角，计算机辅助工业设计（Computer Aided Industry Design）也正以一个全新的面貌发挥着巨大作用 1。产品设计作为工业设计家族中的重要成员之一，其重要性不言而喻。而计算机辅助设计（Compute
3、r Aided Design，简称 CAD）技术在其中的应用，也越来越受到设计师的青睐， CAD 技术为设计师对产品的设计开辟了一个崭新的空间。在产品设计中，产品的形态、色彩和材料质感是决定着产品设计六大因素中产品美观与否的重要方面，特别是材料质感在塑造产品和体现其美学和人文价值中起着关键的作用。目前，在计算机辅助设计时大多数的设计师都把精力投入到了形态和色彩的研究，而往往忽视了材料质感在体现产品内在美的重要性。所以，在产品设计时，如何编辑出仿真的材质，如何发挥 CAD 技术的最大功能进行材质编辑，如何更好地把材质与形态、色彩相结合，是设计师必须关心和研究的问题。1 产品设计中的材质在工业设计
4、中，工业产品的美一般有两个显著的特征。一个是产品以其外在的感性形式所显现的“形式美” ，另一个是产品以其内在结构的和谐、秩序而呈现的“技术美” 。由于形式美是外在的，易感受的，因而生动、具体。它所包括的形态、色彩和材料质感相当丰富，抛开形态不谈单单色彩与材料质感的不同组合，就会呈现出千万种各异的产品。一般在工业产品设计中，我们结合计算机辅助设计，把经常涉及到的材质分为金属材料、无机材料、有机材料和复合材料四大类。1.1 金属材料金属材料的一般质感特性是具有良好的反射能力、金属光泽和不透明性。经过切削加工的金属表面有光滑、平整、坚硬、冰冷的感觉；经过铸造、锻压、拉拔等工艺处理的金属表面有粗糙、规
5、整、坚硬、亚光的感觉。1.1.1 碳钢不锈钢经表面抛光处理后有极强的发射能力和高光呈现，它广泛应用于建筑、装饰、家具、车辆、机械、餐具、医疗器械等许多方面。1.1.2 铝及铝合金 第一作者简介 胡鹏（1979 ） ，男，云南昆明人，设计艺术学专业在读硕士研究生，研究方向：云南民族民间工艺。2铝及铝合一般呈现银白色金属光泽，光反射率高，在工程中广泛用于建筑与家具装饰中的门、窗、扶手、栅栏等部位，在日用器具中的应用也比较广泛。1.1.3 铜及铜合金黄铜是铜锌二元合金，具有明亮的金黄色泽，广泛应用于装饰品。青铜是铜锡二元合金，具有良好的铸造性能，常用作铸造金属件和装饰雕塑材料。1.1.4 镁及镁合金
6、镁合金是近几年发展较快的一种材料，由于镁合金的密度只有 1.738/cm 3 ,比铝和钛轻得多，且强度高、易铸造、切削性能好，颜色朴素美观，广泛应用于汽车方向盘、座椅、自行车、摩托车、体育器材、电视机壳、笔记本电脑外壳、手机等。1.1.5 金属钛金属钛具有熔点高，重量轻，高抗腐蚀性等诸多优异性能，成为近年来极受关注得尖端材料。常用于国防、机械、航空、精密仪器、高端相机等方面的制造。1.2 有机材料1.2.1 塑料塑料作为人工合成的高分子化合物是近年来发展和应用极广泛的新型材料，也是最具有潜力和发展前景的材料之一。塑料的表面特性，可任意着色，可注塑出各种纹理，部分塑料具有透明、半透明的质感，装饰
7、性强。用途极为广泛。1.2.2 工程塑料聚乙烯，主要用于制造各种容器、餐具、厨房用品、塑料板箱、包装等方面。聚丙烯，主要应用于耐热性餐具、医疗器械、家具、家电制品外壳等方面。聚苯乙烯，可自由着色，用于仪器外壳、灯罩、透明模型、照明装饰材料等方面。有机玻璃，在所有工程塑料中透明性最好，可任意着色，用于广告标牌、仪表透明外壳、交通工具的座窗等方面。ABS 工程塑料，表面硬度高、光滑，容易电镀，常用于仪表盘、外壳、汽车转向盘、家用电器外壳等方面。1.3 无机材料无机材料与金属材料和有机材料共同构成现代材料的三大支柱。1.3.1 陶瓷陶瓷是一种无机非金属固体材料， 分为陶器和瓷器。陶器外观质量相对较低
8、，一般用作饮具、卫生陶瓷和较粗糙的外装修用瓷砖；瓷器外观质量较高，广泛应用于各种工业产品中。1.3.2 玻璃玻璃是工业产品中常用的造型材料，其性能和用途随其化学成分的变化有很大不同，但总体而言，其光学性能突出，气密性、不透过性和装饰性优异。常用于日用器皿、装饰品和艺术品中。1.4 复合材料复合材料是由两种或两种以上的不同材料复合合成，具有任何单一组成材料所无法达到的优异性能。包括无机系、有机系或将两者相互复合而成的材料。2 计算机辅助产品设计中的仿真材质编辑实际生产中，不同的产品具有不同的材料质感，不同的材质反映出产品独特的特点属性。在一定程度上各种材质是可以进行触摸、感觉和分析的，而在计算机
9、产品辅助设计中要让观者立即从视觉和心理上感受到，呈现在眼前的产品也和实际中的产品一模一样，体现出实际产品的外观美学价值，计算机材质仿真技术便显得尤为重要。在计算机辅助设计领域有很多三维软件都可以对产品材质进行编辑和渲染，本文就以目前比较流行，功能丰富并且易于一般设计师接受的 3DS MAX 软件为例，对计算机辅助设计中的材质仿真编辑进行讨论和介绍。2.1 计算机仿真材质三维软件中的材质都是虚拟的，和真实世界中的物理材质概念不同。在接触 3DS MAX 或者其他三维软件时经常使用“材质”和“贴图”这两个词汇， 它们的含义是决不能混淆的，特别是当我们专门探3讨材质的编辑时必须把这些概念弄清楚。狭义
10、的贴图是指将图案附着在物体的表面上，使物体表面出现花纹或色泽；而材质的概念则要广阔得多，材质的直接意思是一个物体由什么样的物质构造而成，它不仅仅包含表面的纹理，还包括了物体对光的属性，如反光强度、反光方式、反光区域、透明度、折射律以及表面的凹痕和起伏等等一系列的属性 2。贴图只是体现材质属性的一个基本方式，一系列的贴图和其他参数的综合运用才能构成一个完善的材质。2.2 3DS MAX 中的材质与贴图 3针对在 3DS MAX 中要对材质进行编辑，首先应该了解材质的属性。在 3DS MAX 中主要涉及基本材质属性和贴图属性。一般一个标准的材质，包括多种基本属性，各种属性的合理运用使得材质效果生动
11、逼真。2.2.1 Shader (滤光器)类型这是最基本的材质性质类型，3DS MAX 包括 Blinn、Phong、Metal、Anisotropic、Multi-Layer、 Oren-Nayar-Blinn、Strauss 等 7 中不同的材质类型。Blinn 的反光较 Phong 柔和，用的比较广泛；Phong 常用于玻璃、油漆等高反光的材质；Metal 常用于金属材质；Anisotropic 可以产生长条形的反光区，适合模拟流线体的表面高光，如汽车、工业造型等，弥补了圆形反光点的不足；Strauss 用于金属材质的模拟，参数比 Metal 少；Oren-Nayar-Blinn 材质适
12、合于布料、陶土等无反光材质。2.2.2 特殊 Shader 效果在 Shader 类型里，3DS MAX 软件又为其提供了 4 种附属效果，分别是 Wire（线框） 、2-Sided（双面）、Face Map（面）和 Faceted（面状）效果，在一般的产品设计中用得比较多的是双面和线框效果。 Wire线框方式常用于结构的表现，可以只渲染模型中的网格线，它的粗细由 Extended Parameters（扩展参数）面板上 Wire 项目中的 Size（尺寸）值来调节。2-Sided 常用于透明材质，可以渲染出模型的另一面，更加真实。Face Map 是在每个多边形面上贴图，无需坐标系统，在产品
13、设计中一般不常使用。Faceted 是不进行表面的平滑处理，也一般不太使用。2.2.3 材质区域在一个模型的表面，分布着阴影区、过渡区和高光区三个区域，在 3DS MAX 中通过 Ambient(阴影区)、Diffuse（过渡区） 、Specular（高光区）三个参数对三个区域进行色彩调节。2.2.4 高光强度产品表面的高光效果在 Specular Highlights(高光)区中调节，通过调节高光区的面积大小和高光区的亮度来实现。例如金属有很强的高光和较大的高光面积；油漆表面有很强的高光和很小的高光面积；砖墙有很弱的高光和很大的高光面积。物质的物理属性都应逼真的表现。2.2.5 发光和透明在
14、产品设计中，有些材质本身会发光，在 3DS MAX 中发光材质只能自己发亮，不受光照的影响，且无法影响周围的环境，这与真实世界的发光材质就有差别，为了逼真反映真实材质的发光效果，利用Mentalray 渲染器，通过全局照明方式，发光材质才会像现实中的材质一样照亮周围环境。在这其中参数的选定很重要，如 Opacity(不透明)是专为玻璃、水等透明体准备的，如果加上反射和折射效果及Advanced Transparency（高级透明）进行调节，透明材质的效果就比较完美。2.2.6 反射和折射反射和折射是金属或油漆后的物体的重要材质属性。在 3DS MAX 中，利用 Raytrace(光线跟踪) 贴
15、图可以进行反射和折射的自动跟踪计算，完全模拟物理环境。2.2.7 贴图材质表面的各种纹理效果都是通过贴图产生的，我们不仅可以象贴图案一样进行简单的纹理涂绘，还可以按各种不同的材质属性进行贴图。若图案以 Self-Illumination(自发光)方式贴图，则会形成发光的图案；以 Bump（凹凸）方式贴图，则会形成表面起伏不同的效果；以 Opacity（不透明）方式贴图，则会形成半透明的图案等等。当然在 3DS MAX 中还有 Noise（噪波） 、Bricks（砖墙） 、Marble （大理石） 、Checker（棋盘格）等贴图类型。设计师通过在对计算机仿真材质和 3DS MAX 中材质编辑的
16、一些基本概念的基础上，要对产品材质仿真编辑有了一个观念上的总体把握。也只有充分理解和全面掌握材质的概念，设计师在设计产品时才4能很好的联系实际，考虑产品所处的环境，运用计算机材质仿真技术，设计出生动、形象、逼真的工业产品。3 计算机材料仿真技术的实际运用工业产品的材料多种多样，在上面作者把经常在计算机设计中所遇到的一些材质分为了金属材料、有机材料、无机材料和复合材料 4 大类，因此结合实际计算机设计中材质仿真的研究，作者给出了针对这些材料类型的材质仿真应用的实例，进一步说明了产品材质仿真的重要性。3.1 仿真金属材质假设对一个金属物品进行编辑，不仅要考虑金属本身的金属光泽，还要考虑金属物件对周围环境的影响及周围环境对金属物件的影响。这就要求环境反射与折射制作的逼真。首先，在 3DS MAX 中，打开材质编辑器，从 Blinn 菜单中选择 Metal（金属）方式，并设置Specular Level（高光级别）值为 80，Glossiness（光泽度）值为 75，这样一个金属物件便产生了。但这样一个金属物件仅仅处于一个真空的环境中
