基于Solid Works Composer的产品虚拟展示方法

王 琛，张佳音，郑泠汐

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

随着计算机辅助设计技术的迅速发展，虚拟展示方法在产品设计过程中起到越来越重要的作用。产品虚拟展示是通过三维可视化图形界面和对模型的三维操作来实现虚拟展示的效果[1-3]。根据产品的设计信息，在计算机的虚拟仿真环境中建立能够展现与实际产品尽可能造型、结构和功能相似的数字仿真模型[3]。其目的不仅是对产品的物理形态和功能进行可视化模拟，而且是对产品的概念、性能和可靠性进行预测、评价和优化。通常，利用计算机辅助设计技术进行产品虚拟展示常用的软件有CATIA、UG NX、Solid Works Composer、Keyshot、3D max等[4-6]。

1 虚拟展示方法

虚拟展示是以可视化图形技术为基础、以计算机辅助设计技术为依托的一种产品展示手段。随着三维技术的发展，三维虚拟展示将取代二维展示而成为主流[7]。相对于传统的二维展示方法，三维展示方法拥有巨大优势[8]，其不仅使展示物体更加生动形象，还可以与用户具有交互性。用户可以直接从视觉获取所需要的各种信息而不需要额外阅读产品介绍。目前主流的三维虚拟展示方法有如下三种：虚拟现实法、全息投影法和计算机辅助虚拟展示法[9]。

虚拟现实法是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中[10]。虚拟现实的应用非常广泛，它充分调动了人的听觉、视觉与触觉，具有极强的真实性和交互性[11]。

全息投影法是利用光物理原理，生动再现物体的三维影像，广泛用于新品展示、文物展示等领域。全息投影可以真实展现物体的三维信息，但相比于虚拟现实法用户的交互性略差[12]。

计算机辅助虚拟展示法是通过计算机虚拟展示软件制作关于产品结构和功能的辅助虚拟展示动画，以达到展示产品外观、结构和功能的效果，也可以实现一定的交互功能[13-16]。常用软件有3DMAX、Solid Works Composer、Keyshot等。计算机辅助虚拟展示应用非常广泛，成本低，简单易学，展示效果具有真实性和交互性[17]。

相较于虚拟现实法和全息投影法，计算机辅助虚拟展示法是利用计算机虚拟展示软件来进行产品虚拟展示的方法。输入、输出设备简单，一台计算机即可进行虚拟展示效果的编辑和呈现，成本较低[18]。易于实现产品虚拟展示、满足设计师及客户浏览需求，因而在产品设计过程中得到广泛的应用。其中，基于Solid Works Composer的产品虚拟展示动画是计算机辅助虚拟展示法中应用较多的案例[19]。

2 基于Solid Works Composer的产品虚拟展示动画

2.1 Solid Works Composer软件

Solid Works Composer软件是一款基于三维数模进行技术文档创作及动画制作的互动式三维软件，可以直接使用3D模型创建三维数字化文档，利用软件的内建功能，可以快速建立各种三维动画、爆炸图、零件图以及交互式展示功能效果[20]。该软件可以整合现在所有主流三维设计软件的文件格式，如UG NX、PROE、CATIA以及Solid Works及其他多种三维CAD格式文件。同时Solid Works Composer容易学习，动画制作效果流畅，简单便捷，因此适用于产品设计过程中对产品的概念、结构和性能进行虚拟展示。

2.2 虚拟展示动画分类

基于Solid Works Composer软件的虚拟展示动画包含三个方向的分类：一是产品结构的虚拟展示动画，二是产品功能的虚拟展示动画，三是产品运动的虚拟展示动画。基于Solid Works Composer的产品虚拟展示动画可以是其中一类动画类型的呈现，也可以是多类动画类型的组合。因此，选择合适的虚拟展示动画类型是对产品进行虚拟展示的关键。

2.2.1 产品结构的虚拟展示动画

产品结构的虚拟展示动画是Solid Works Composer软件最常用的虚拟展示方式。通常用于验证产品结构设计的合理性以及装配设计的可行性。主要形式是有顺序的产品结构拆装动画，又称为“虚拟装配动画”[21]。产品虚拟装配是在计算机辅助设计虚拟环境下模拟产品结构的仿真模型，并在其中进行虚拟拆装。此种虚拟展示方式降低了设计成本，加快了设计周期。

2.2.2 产品功能的虚拟展示动画

产品功能的虚拟展示是Solid Works Composer软件另一种常见的虚拟展示方式。产品的设计从功能需求分析开始，设计的好坏取决于其是否满足设计初期的功能需求。因此，在虚拟环境下对产品的功能进行虚拟展示，验证其是否满足设计需求，既测验了产品功能的可行性，又提高了产品的设计效率[22]。

2.2.3 产品运动的虚拟展示动画

产品的设计过程除了考虑产品结构、装配和功能等方面因素，还需要考虑产品工作过程中整体和局部的运动方式、路径轨迹、干涉问题以及动、静力学性能等[23]。因此，对产品工作过程中整体和局部的运动进行虚拟展示，检查局部与整体、局部与局部的配合关系、干涉和碰撞问题，有利于发现产品设计过程中的问题，予以解决更新，提高设计的可靠性。

2.3 多种关键帧的组合应用

虚拟展示动画的基本单元是关键帧，Solid Works Composer软件中常用四类关键帧：位置关键帧、照相机关键帧、属性关键帧和Digger关键帧[24]。Solid Works Composer产品虚拟展示动画的实质是多种关键帧的组合，从基础的单一类型关键帧的编辑到多种类型关键帧的混合编辑，体现出不同的动画展示效果。

2.3.1 位置关键帧的应用

位置关键帧是制作产品虚拟展示动画的基础，也是Solid Works Composer软件的基本操作。位置关键帧的设置建立在展示对象顺序变换的基础上，位置关键帧可手动记录，也可自动记录。自动关键帧模式下，对选定对象位置每进行一次更改，系统会自动记录下该对象的位置状态，即位置关键帧。如此重复，直至所有对象的位置关键帧编辑完成。

2.3.2 照相机关键帧应用观察对象的视角和视距

在Solid Works Composer软件中，照相机的位置和视口区域是相对运动的。因此，对视口区域的切换即可得到照相机的变换[25]。当展示区域发生变换时，切换视口区域的方位和缩放比例可在合适的视角和视距下展示特定区域的对象，以达到对产品中特定对象特定变换的特写展示，优化了展示效果。

2.3.3 属性关键帧的应用

属性关键帧主要包含了颜色、材料、透明度等属性。自动关键帧模式下选定某一对象后，在特定时刻对其颜色、材料、透明度进行更改，系统会自动记录下更改后的属性关键帧，并产生渐变的效果。属性关键帧在产品虚拟展示动画中应用也较多，常见形式有高亮效果切换、透明效果切换和材料(材质、颜色效果)的切换[26]。

2.3.4 Digger关键帧

Digger又称细节探查器，是Solid Works Composer软件的特色功能，用于对产品中的特定对象进行缩放、剖视和透视等细节展示。细节探查器通过键盘中的空格键调出，更改兴趣点后对所选对象进行单独展示，展示出的细节可截取保存为二维图片，也可设置为Digger关键帧，并对Digger关键帧加以淡入淡出等特效，以此丰富产品虚拟展示的内容及效果。

2.4 虚拟展示动画的编辑要点

2.4.1 展示顺序编辑

展示顺序的编辑是产品虚拟展示动画编辑的主线。Solid Works Composer的产品虚拟展示动画是以产品虚拟展示顺序为主线，混合多种关键帧的组合，以及各种展示特效的加入，共同构成完整的虚拟展示效果。展示顺序编辑一般遵循的原则是“有顺序的拆装”，即由外到内，层层拆解，与拆装实物结构的顺序相同。

2.4.2 展示路径规划

展示顺序的编辑确定了对象的展示顺序，但没有确定对象按照什么路径移动，以及移动过程是否发生干涉。展示路径的规划是在装配建模和展示顺序编辑的基础上，充分利用装配信息进行路径分析、判断和求解。生成一条无碰撞从展示起点到展示终点的路径，从而达到优化展示的效果。展示路径的规划主要包括展示对象分离方向的确定、分离距离的确定和干涉检查。

2.4.3 复合运动编辑

复合运动是Solid Works Composer产品展示动画编辑中常用的操作。对于选定的展示对象，在动画模式下，一个时刻只能对应一个位置关键帧，也就是在一个时间段内选定对象只能有一种运动。如果该对象在一个时间段内有两种或两种以上的复合运动，则需要在装配树中建立该对象的父集装配体，并在装配体选择模式下编辑该对象的其他运动，由此产生该对象在一个时间段内的复合运动。

2.4.4 展示特效加入

Solid Works Composer产品展示动画中常用的展示特效包括箭头特效、标签特效、淡入淡出特效、运动路径展示等。展示特效是为了突出、强调、注释展示对象的某一特征或者某种属性。展示特效混合于展示动画的任意时刻，展示特效的加入可以丰富展示效果，让整个展示过程生动形象且自然流畅。

3 小结

产品虚拟展示方法是通过三维可视化图形界面和对模型的三维操作来实现虚拟展示的效果。基于Solid Works Composer的产品虚拟展示方法适用于产品设计前期对产品的概念、结构和性能进行虚拟展示。本文从Solid Works Composer的产品虚拟展示动画分类，关键帧的组合应用以及虚拟展示动画的编辑要点等方面进行了分析探究，总结了应用技巧和编辑经验，可为虚拟展示方法在产品设计中的应用提供指导。