实体三维化平面设计拓展研究论文

实体三维化平面设计拓展研究论文（精选5篇）

实体三维化平面设计拓展研究论文 第1篇

摘要:本文在平面设计的基础概念上，提出“平面设计≠‘平面’设计”的观念，打破平面设计二维化的既定思维，将平面设计向三维空间拓展。使平面设计的含义不再狭隘，明确现代“平面设计”应该包括基于实体化三维空间的平面设计。通过结合不同领域的成功案例分析得出通过材料、工艺、媒体等形式使平面设计实体三维化。

关键词：平面设计；实体三维空间；拓展

在中国，“平面设计”是翻译于“graphicdesign”，“graphicdesign”是不带有维度概念的词，但中译后的“平面”一词，使我们对其的理解局限在二维上，使其平面设计概念也变得模糊化，含义变得狭隘。在一定程度上限制了我们对于“graphicdesign”的拓展[1]。加勒特埃克伯说：“人们生活在一个三维的空间中……人生最伟大的体验之一，就是置身在这个完美的三维体量之中”将“平面设计”融入三维，观者能更好地体验、感受、理解设计师所要表达的“平面设计”作品。所以平面设计的概念应该包括基于二维空间的平面设计、基于虚拟三维空间的平面设计和基于实体三维空间的平面设计。将平面设计向实体三维空间效果拓展，不仅可以提升作品的感官体验效果，同时还能增加与观者的互动性、融入性，增强观者的想象空间，拓展观者的思维。因此，本文结合三维空间的理论，以及应用于平面设计的“三维空间”实体案例进行分析，得出平面设计向三维设计拓展的必要。由此，研究二维、三维空间与平面设计的关系，能够更好地激发设计者创作的多样性，表达设计者所想表达的设计内容，也能够使观者能动地，带入性地了解作品，理解设计者的设计主题。

1平面设计中的“三维空间”与实体三维空间

在“平面设计”中，三维空间可以简单地分为虚拟三维空间和实体三维空间。虚拟三维空间是指依旧在二维的平面设计范畴内，利用错视觉的引导，所产生具有明确的轮廓的虚幻空间。换句话说，就是二维的平面设计里的“视觉”三维。

1.1二维设计里的“视觉”三维

“视觉”三维指的是视觉感官上平面内的“立体”空间。点线面、明暗、色彩作为平面设计的基本要素，它的变化往往能使平面设计具有律动感和空间感，使画面具有“立体”空间效果。图1是由KurtWenner（美国）通过透视原理在同个水平面内利用人的视错觉关系描绘了这幅立体街头绘画（3-DStreetPainting）——三维立体画《Reections》。它是利用人眼立体视觉的特点产生描绘的作品，利用人眼视觉空间的延续性，将二维作品以伪三维的形式展现，使作品的表现力丰富，意境深远。但是依旧没有脱离二维空间的局限，以一种平面的、单一的面的空间形式存在，并不是真正意义上的，真实的三维空间，“立体”的平面设计。平面设计师乔尔森泰说过“设计师在不断通过明暗手法、矛盾空间、色彩色调、叙事结合的手段来强化三维效果时，其实都被手法欺骗了眼睛”。也就是说，在“平面”二维空间内的制造出来的“视觉”感官的三维效果，是基于虚拟三维空间的平面设计。

1.2实体三维空间与平面设计

三维空间的概念是：日常生活中可指由长、宽、高三个维度所构成的空间[2]。三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础，它是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法[3]。平面设计向三维空间拓展既需要设计者突破“平面设计”的字面含义，更需要设计者不拘于既定思维，突破球星。与印刷形式的平面设计相比较，包括实体三维化的平面设计给我们带来更多的拓展空间，以书籍为例，书籍即是二维也是三维。就页面来说，每一页都是两个二维面的贴合，但翻阅的过程则是一个三维过程。1.2.1立体书籍封面单以页面来说，通常可见的书籍设计属于印刷作品，惯性在于无法摆脱传统的二维平面的束缚，通过印刷文字、图形对视觉感官的刺激来传达信息。而将二维的设计作品与实体三维空间中的真实元素相融合，如图2是来自拉脱维亚设计师艺术家MandarinDuck的书籍封面设计，除了增强视觉效果，也可以更全方位，多角度传递设计信息。图2设计师通过增加二维平面设计中没有的触觉体验，来增加作品的真实感与吸引力。1.2.2书籍内容立体化强化阅读的三维空间感，使阅读过程中的思维想象转变为一个观感过程，则在书籍中融入三维设计元素，例如图3Sabuda,Robert创作的立体书《绿野仙踪》的表现手法，给故事书建造了一个可看，可触碰的具体空间，使静态的书，具有动态的“趣味”效果。不管是表现形式，还是传达功能上也拓展了平面设计的领域。实体三维化的平面设计能够打破传统束缚，增强感官体验；融入观者参与，更好传达信息；增强趣味性，吸引观者目光。实体三维设计能够更好地将以人为本的设计思想进行贯彻，通过与观者的互动过程中，使作品更好地被了解，也更好地了解观者的需求[4]。传统的二维平面设计对观者来说只是以“局外人”的视角，看设计作品，因此不能很好地融入设计作品，甚至去影响设计作品。但是在遵循互动行为时，利用现代新型媒体手段或者融入观者的行为动作使平面设计完整等，来实现必要的互动性设计。总之，突破传统的印刷形式，空间束缚，使平面设计形成多方位可见，互动性强的实体三维化的平面设计。

2平面设计向实体三维设计拓展的方式

本身存在的空间（平面）＋媒介＝实体空间（三维）。本身存在的空间指的是通过印刷形式的二维平面设计作品。二维平面只是平面设计中的形式之一，对细致刻画作品的内在含义，是难以做到“完美”的。因此，设计者必须通过对引入媒介来探索平面设计的“实体三维”空间建设。通过“实体三维”建设的研究手法打破印刷形式的品面局限，从二维走向三维，从平面走向立体，从立体空间的多角度重新认识印刷形式的二维设计和实体媒介相结合的多样性表现，从真正意义上突破二维空间的传达设计，达到实体三维化设计[4]。陈逸飞先生在创立逸飞集团时说过：“我们致力于打破视觉局限，颠覆视觉惯性，创造一种全新的、“大视觉”的视觉文化。这是一个颠覆的时代，视觉艺术已经突破了传统平面美术的束缚，它的外延正在无限地扩展。”由此看来，平面设计突破印刷形式需要引入媒介[5]。对于媒介的映入我们可以通过以下的手法：运用材料本身的特性、手工艺的技法技巧，光与影与人的关系，突破二维平面设计的限制，真正实现三维视觉空间的立体设计。简单地将“媒介”分为以下3种：

2.1材料的运用

利用材料本身所属的三维空间在平面上设计，突破了传统、二维的印刷设计的范畴，平面设计师利用各种材料、工艺形成新的平面设计，即实体三维化的平面设计，在保留材料、工艺自身属性的基础上，改变了印刷形式的平面设计的视觉观感，创造出实体三维效果。图4原研哉设计的梅田医院视觉指示系统，巧妙地将印刷作品和实物进行结合，将作品中的印刷主体物或重点表达处用实物代替，能更直接、更有效地表达设计作品所要表达的重点、主题，也更具创意。将印刷与实物结合，拓宽平面设计领域。

2.2工艺技术

工，巧饰；艺，艺术。工艺可以理解为“巧饰的艺术”，那么工艺技术就是将原材料或半成品加工成产品、艺术品的方法、技术。用“工艺”的方式，结合材料的特性，来寻求生活和艺术相结合，使平面设计脱离全印刷的平面形式。在技术发展的今天，工艺技术不再那么复杂，图5是爱沙尼亚设计师EikoOjala的剪纸作品，就是依靠剪纸这种工艺技术完成的作品，使平面的山水画破纸而出，光影效果强烈的三维视觉感官，使作品的既视感更为强烈。

2.3媒体运用

“技术启发艺术，艺术挑战技术”当平面设计遇见光时，通过光艺术，使平面设计的表现形式丰富，视觉效果新颖，光的可变性也是平面设计变为具有动态效果的独创性设计，媒介也从实体材料扩展到了光学。开启了平面设计创作的新“空间”。图6是EMart的3DQRCode创意，利用正午时光的照射与长短不一的code的阴影形成一个完整的二维码。正是这种三维的效果使EMart中午时段的销售额大大提升，而且也带来了更大的曝光率。实体三维化的平面设计拓展方向在于打破印刷形式的二维束缚，但是印刷形式的二维设计也是推动平面设计由二维向实体三维设计拓展的有利因素，传统设计中在乎运用明暗颜色、虚实对比等并非是落后的手段，如果将其与真实效果结合，就能够完整地凸显三维效果[6]。

3结束语

设计无定式[7]。纸和印刷相结合的“平面”设计确实在平面设计领域中取得了很好的成绩，但是技术的发展，对平面设计师的要求在发生着变化。用空间的眼光看待“平面设计”，打破平面设计“平面”化的既定思维，将平面设计从二维空间向实体三维化空间拓展。实体三维化平面设计讲的是二、三维，虚实的结合。将实体材料放置于印刷作品中，形成一种新的视觉感官的平面设计。平面设计突破空间限制，突破单一的印刷形式，赋予更多的真实效果，实体视觉刺激，如此才能为其拓展更广泛的领域。

参考文献

[1]牛玉慧,刘方林.平面设计的空间性研究[J].包装工程.2007.11.192-194

[2]百度百科

[3]百度百科

[4]孙斐.二维平面设计中的三维视觉空间表现[J].美术大观.2010.11.206

[5]黄婷.平面设计向三维空间拓展研究[J].包装工程.2011.05.18-21

[6]姜昕.平面设计向三维空间拓展研究[J].艺术科技.2014.12.172

[7]李耀新.新时代新使命新格局——以创意设计引领创新转型的初步思考[J].设计.2015(22).148-149

实体三维化平面设计拓展研究论文 第2篇

Computer Aided Design技术 (计算机辅助设计技术) , 简称CAD技术, 已经从根本上改变了过去依靠手工绘制图纸, 然后通过图纸来组织生产过程的技术管理模式, 这不仅成为了企业用于提高产品质量的手段, 更成为了加速产品更新换代, 增强自身竞争力的必备措施。因此, 三维CAD技术已成为机械专业学生必须掌握的基本技术之一。三维机械产品设计师作为一种新型机械行业职业就应运而生了。《三维实体建模与设计》课程是三维CAD技术课程教学的主要组成部分, 该课程所涉及的相关知识较多, 除了机械专业知识外, 通常还要涉及到如工程材料、工程数学以及数据处理等相关学科知识, 课程的重点应该是以培养学生的综合能力和创造力为目标, 使学生能够掌握运用三维计算机辅助设计软件去进行实际设计问题的技能。然而, “现在很多本科院校在具体教学时存在教学内容陈旧、方法单一以及重理论轻实践等现象, 学生反映不甚理想。注重实践环节, 实现教学模式、教学方法、教学内容的改革, 已经成为该课程改革的重点”。

二、教学改革与实践的内容

1. 学生学习方式的引导。

科技技术日新月异, 切忌固步自封, 一成不变。但是在引导学生在学习新技术的同时, 也不能忽视专业基础知识的传授与学习, 不能因为这是一门偏应用的课程而变成一门纯教软件操作的课程, 应该让学生通过课程的学习知道软件只是设计所使用的工具和手段。掌握了软件使用, 并不等于掌握了机械设计技术, 也并不代表会进行机械产品设计, 设计仍需依靠专业知识来支撑。学生是学习主体, 无论教师如何教, 都是为了使得学生能够更好地学习, 是为了不教。必须注重培养学生独立思考并解决问题的能力, 把学生从单纯地接受灌输的“被动人”, 转变为成为通过引导而获得发展的“主动人”, 鼓励学生创新, 充分发挥其主观能动性和创造性。

2. 学生学习能力的培养。

三维CAD技术发展很快, 授课时间又非常有限 (只有32课时) , 不可能在这么短的时间内教授学生当前的所有知识。“授之于鱼, 不如授之于渔。”学生们的接受能力也有高低, 为了让学生都能学好, 第一要务还是要激发学生的学习兴趣, 这样学生才能在课后主动地去消化和学习知识, 通过课余时间的学习来弥补课堂教学时间的不足, 在将来也才有动力去不断自我充实和更新以适应专业的发展。如可以在第一堂课的时候不急于让学生进入专业知识的学习, 而是可以组织学生观看采用Solidworks、UG等三维设计软件设计出的各种产品造型、虚拟动画装配、CAM模拟加工仿真加工以及CAE工程分析等等, 还可以让学生观看一些高年级学生的作品, 甚至是好的比赛作品或者科研作品, 让学生明白好的设计可以在他们中产生, 使学生对这门课程有一个初步的了解, 在一开使就能产生浓厚的学习兴趣, 并坚定学习和学好的信心。

3. 课堂教学方式与考核方式的改革。

三维实体建模与设计是机械类工程计算机教育系列课程之一, 教学过程中不能只进行片面的、孤立的实体零件建模, 还需要与机械原理、机械设计及机械制造等专业课程进行结合。还应该好好利用相关专业的课程设计进行实战演习, 例如机械设计课程大作业减速器设计, 以专业教学为依托, 服务于专业教学。在课堂教学中引入大量的具体项目案例, 以学生设计分析为主, 教师引导为辅, 使学生掌握课程相关知识的同时, 能够进一步地增强本专业的实践动手能力, 从而为学生就业打下良好的基础。此外, 考核的方式也不应局限于试卷形式, 完全可以采用国外流行的分组大作业的形式, 以小组为单位提交设计作业, 教师根据作业打分即可, 形式多样, 也可杜绝考试作弊。并可进一步引入三维CAD建模与设计的相关专业考证与学科竞赛形式来丰富考核学生综合掌握所学知识的程度。

4. 二维制图课程和三维建模课程两者的融合。

有鉴于三维CAD和二维制图的关系非常密切, 开展三维实体建模与设计的教学改革与工程制图课程是难以分割的。很多学生往往二维制图课程没有学好, 三维建模也学不好, 或者三维建模学好, 但是二维制图没有学好。但是, 目前的机械设计却需要从业者能够读懂二维图, 画出三维模型, 或者根据三维实体模型, 画出二维工程图。虽然, 现在的三维软件大都可以方便生成二维图, 但是由于制图课程没有学好, 工程图也是不合格的。特别是目前大多数的院校将两门课程相对独立地开设, 分处于两个不同的学期, 这对学生的学习其实是不利的。如果能够将两门课程进行整合, 合二为一, 互相渗透, 对学生进行手工绘图和计算机辅助绘图的多重融合授课和训练, 综合运用于机械产品设计的各个教学环节, 相信学生的制图能力、读图能力和设计能力将会得到很好的提升, 达到事半功倍的效果。

三、教学改革与实践的目标

在三维实体建模与设计课堂教学改革基础上, 与行业企业工程设计人员和兼职教师共同研究打造三维数字化机械产品设计师职业能力的培养, 建立对机械设计专业以机械产品设计师 (员) 为就业导向的人才培养模式, 探索以“工学结合”为行动导向的教学模式, 开发基于工作过程的课程模式和课程。大力培养学生的产品设计能力与创新能力, 并使之成为具有一定解决实际项目能力的、具有产品设计能力的和创造能力的应用型本科人才, 使他们出了校门就能投入到机械产品设计工作和自主开发创业中。

四、教学改革与实践的实施方案

1.对地方高校的三维设计人才培养目标进行研究和需求调查, 了解教育、管理、教学任务和改革发展的特点, 对地方高校三维设计人才培养需求进行准确描述。

2.项目式教学课堂实践。在2011级机械设计制造及其自动化专业的三维实体建模与设计课程教学中引入案例与项目实例进行教学改革实践, 将枯燥的命令融入到具体的项目实例中。教学中增加课堂讨论环节, 让学生充分发表自己的见解, 从而激发学生创新的火花。

3.二维制图与三维建模的整合实践, 将两者有机结合, 用三维建模基础中有关内容取代制图的相应部分, 把三维建模与设计的有关内容插入二维制图的相应部分, 使二维和三维可以相互转换, 融为一体。

4.考核方式改革的实践。在整个课程教学过程中, 教师讲解占整个教学环节课时的三分之一不到, 以引导为主, 学生需要花费大量的时间在实践环节以及课后自学上, 课程成绩的考核可以采用分组大作业的形式:学生自由组合, 组合人数1~4人, 经过学期初的分组、学期中的方案提交、学期末的三维作品提交三个环节完成大作业。教师可以根据大作业的完成情况进行打分。引入相关专业考证与学科竞赛形式来丰富考核学生综合掌握所学知识的程度。

实践表明, 课程的教学改革与实践是成功的。学生们通过课程的学习可以将机械设计的创意凭借软件得以实现, 学习趣味性与积极性得到了大幅度提高。知识的学习不再是枯燥的吸收, 而演变成了主动和创造性地参与。2013年学校在浙江省乃至全国各类机械设计创新大赛上的大丰收就是很好的证明, 相信这也将为他们适应机械产品设计师的工作岗位打下良好的基础。

参考文献

[1]邝卫华, 仝菁.机械CAD课程教学改革探讨[J].广东工业大学学报 (社会科学版) , 2007, (7) :70-71.

[2]宋继良, 张晓辉, 孙曙光.应用型本科《机械CAD》课程教学改革探讨[J].教育教学论坛, 2010, (29) :212-213.

[3]张春华, 孟令辉, 徐慧芳.大学生科技创新活动中的能力培养与实践[J].教育教学论坛, 2011, (23) :7-8.

[4]王秀珍.SolidWorks软件在《机械制图》教学中的应用[J].教育教学论坛, 2013, (39) :86-87.

实体三维化平面设计拓展研究论文 第3篇

一、平面设计向三维空间拓展定义

平面设计指的是将平面媒介作为主要载体,记住文字、图案和色彩对作品内涵进行表达;信息传达是平面设计的根本目的,在传统的二维空间当中对视觉对象比例、关系和位置进行科学筹划,再通过印刷等方式制成一个整体的平面视觉。简单来说,平面设计指的是在二维空间当中将印刷复制作为核心媒介,再将视觉传达作为根本目的,把图形、文字和色彩等要素编排成整体[1]。

对平面设计而言,其作业也有一定的空间。比如,使用矛盾空间可以使画面的形象在二维空间当中形成三维幻想。然而,在过去的设计工作中,丰富多彩的空间形式仅仅是设计人员使用透视法和明暗关系等作出的假象,根本上并未脱离二维空间。此类假象的基本特征为二维、静止和模拟,不具备真实的立体,也无法进行运动和触摸。平面设计向三维空间的拓展是一个较为新颖的观点,国内少有成功的案例,更缺乏相关理念和研究体系,是一个亟需进行深入探索的重要课题。这一新观点定义为:平面设计采用的设计方式与体现形式彻底摆脱二维空间的限制,使其从原本的静态模式转变为立体和动态的,并对虚拟的元素和三维设计元素进行结合,形成一个完整的设计体,一同表达设计主旨,传达必要的信息。

二、平面设计向三维空间拓展的要点分析

1、多感官体验

人类于维多利亚时期就进入到了读图时代。荷兰的设计名家尤哈尼指出:“覆盖了人类感官与情感的图像潮流,抑制了形象力与移情作用的发挥,读图时代的到临麻痹了人类的感官,感官体验敏感度随之也大幅下降。”传统意义上的平面设计只是借助视觉感官来达到信息传达目的,而通过对虚拟和三维元素的结合,能使传达的过程更为全面。设计人员能采取增大感官体验的方法,来大幅加强设计结果影响力,开发出更多、更好的作品,引导人员多角度的对作品进行体验[2]。

图1为日本设计师渡边良重创作的丝带年历。图中女孩马尾辫末端的红丝主要由二维图形及三维实物共同组成。从远处看浑然一体,从近处又可以直接触摸到真实丝带,使人很好的体会到二维和三维的融合。这是一个为受众提供更多感官体验的成功平面设计案例。

2、参与性与互动性

在信息传播时,传播行为发起人即传播人,一般会处在完全主动的地位,而传播对象并非完全被动,它能以信息反馈对传播人造成影响,双向性是存在强弱之别的,但无论哪种传播,都是建立在信息传递与反馈基础上的社会行为。由此可见,对于平面设计,其受众并非被动的接受信息,而是处理信息的重要主体,可以按照自身的要求有选择性的对信息实施二次处理与加工。

互动指的是共同参与和互相推动,具有交往的各方相互反应和影响的特点。传统意义上的平面设计智能给受众带来观赏,无法发挥参与和影响的作用,因此受众也只是草草的看过而已。而在完全突破二维制约以后,设计人员能借助参与性内容,引导更多的受众参与至作品的解读过程,进而实现信息高效传达。

图2为某音乐网站广告,以宣传网站中的黑人音乐为主题。广告被设置于座椅的后身,左数第二个座椅是此广告的重要创意部分。在二维画面下本无意义的图形通过对互动形式的参与,成为极具趣味性的美国标志性“爆炸头”。设计者充分使用可以进行自由活动的人,将人变成构建三维实体的重要元素,这一广告创意充分体现出二维与三维的有机共存,所以具有良好的互动性及参与性,有效提升了信息传播效率。

3、增添新奇感

新奇感为人类天性,每个人都具备新奇感这一心理现象。人们通常对新兴事物有很强的兴趣,这种心理同时也是设计与创作的源泉。平面设计不断向三维空间拓展,和三维元素结合应用本身就是一种新颖的设计表现,近几年得到设计人员广泛关注。就心理接受层面分析,由于此类新颖设计方式较为罕见,可对受众带来很强的新奇之感,所以更容易引起重视。而可以提升受众感觉刺激的信息也可以被长时间记忆,达到宣传和传达的目的。

4、创建具有趣味性的想象空间

在作品设计和创作过程中,具有趣味性的作品更容易吸引人的眼球,产生视觉冲击,达到高效传达目标信息的作用。趣味为产品当中最具人性化的要素[3]。将三维设计要素融入到平面设计过程中,可为作品本身趣味性打开新的施展平台,而且在表达形式与传达功能等方面也延展了设计领域。设计人员可以充分使用新颖、独特的方法营造趣味性,为不同的受众提供联想的空间,引导其发挥自身想象力,并使他们乐在其中。

三、结束语

伴随社会进一步发展,人类物质与精神生活日益丰富,以往的平面设计已无法满足受众实际需求。而通过向三维空间的不断拓展,可以将虚拟元素和三维的动态元素结合在一起完成设计过程,满足设计创新要求,顺应全新背景下的多学科交叉发展模式,有助于开发更多设计语言及思路,开阔平面设计发展空间。

摘要：针对平面设计向三维空间的不断拓展,在简要概述拓展定义的基础上,结合实际情况,对拓展要点施以深入分析,旨在为现代化平面设计发展奠定坚实基础。

关键词：平面设计,三维空间,拓展,要点

参考文献

[1]黄婷.平面设计向三维空间拓展研究[J].包装工程,2013,10(10):18-21.

[2]姜昕.平面设计向三维空间拓展研究[J].艺术科技,2014,11(12):172-173.

实体三维化平面设计拓展研究论文 第4篇

传统的三维模型主要有线框模型和表面模型, 目前的公路设计逐渐从三维模型走向三维实体模型, 三维实体模型是三维模型中最高级的一种, 它囊括了线、面、体的全部信息, 与线框模型和表面模型相比, 实体模型不仅有实体的边界和表面, 还有实体的体积, 具有质量、体积和质心等质量特性, 实体模型上有更多更完整的信息, 歧义较少。而且, 使用实体模型时可以通过Auto CAD软件输出实体模型的数据给计算机辅助制造程序进行有限元分析。

在具体的建模中, 三维实体模型的基本方法是先创建基本实体, 其中包含长方体、楔形体、球体、圆柱体、圆锥体、圆环体、拉伸实体、旋转实体, 然后再通过布尔运算得到任意形状的组合实体。

2 在公路设计中的建模

2.1 地形实体

在公路设计中, 建立地形实体是三维实体模型建模的第一步, 这需要运用野外测量、航拍、遥感等技术获取大量地形资料, 运用计算机对获取的资料进行挖掘处理形成DTM。DTM可以分成散点式、方格网式和三角网式等多种形式, 其中:散点式最为简单, 无需构网, 且计算精度高, 但是其在断裂线的处理上能力偏低, 且计算速度较慢。方格网式构网简单, 计算简单且速度快, 虽然可以生成等高线, 但精度不高, 断裂线的处理能力也较低。三角网式是最适合于公路设计的, 精度高、计算速度快、处理断裂线能力高, 且能适应地形的复杂变化, 生成等高线, 非常适用于公路设计的可行性研究、初步设计、施工图设计等, 已经在生产实践中得到广泛应用, 且取得较好效果。

三角网式DTM就是将地形实体划分成各个互相连接的三角形, 这个平面上的任意一点的三维坐标均可以通过地形平面提取出来, 而且三角形平面构网简单, 可以采用简单的三角网模型构建出地形实体。

2.2 组合实体

公路设计中的组合实体是由公路填方实体、挖方实体、地形实体组成的, 在不同的公路设计中可以设计出不同的组合实体。如图1所示为一种标准横断面形式, 图中:B1是中央分隔带的宽度, H1为高度, B2、B4为左右路缘带的宽度, B3、B5、B6表示行车道、硬路肩和土路肩的宽度, i0、i1、i2表示行车道、硬路肩和土路肩的横坡, FHi、FMi、FBi (i=1、2、3) 表示各级填方边坡的高度、坡度和宽度, DHi、DMi、DBi (i=1-5) 为各级挖方边坡的高度、坡度和宽度, P、Q是路基左右的边缘点。在实际公路设计中, 存在不需要的数据时可以取值为0, 比如说:当公路设计中部存在中央分隔带时, 可以将B1、H1取值0。本标准横断面形式图中设计的边坡是三级的, 实际设计中可以根据具体情况适当增加填方和挖方的边坡数量, 而且, 填方边坡和挖方边坡的高度是待定值, 其余为定值, 故而在设计时可以将填方和挖方边坡的高度去一个较大的值, 确保下图中的边坡填方实体中的F1、F2能达到地面 (如图2) , 确保下图填方实体中的C1、C2能达到地面以上 (如图3) 。

2.3 组合实体的应用

组合实体将整个公路的实际情况都展现出来, 在具体设计中可以提取其中的某些数据进行纵横断面图的绘制, 下面就简单介绍如何运用组合实体绘制某桩位的横断面的绘制以及如何将组合实体模型转换成面模型。

首先, 某桩位的横断面绘制。沿某桩位处的路线向竖直剖切组合实体, 得到的剖切面就是该桩位处的横断面, 进行横断面的绘制可以更好阐述填方情况以及边坡设计方案的可行性和合理性, 为桩位的设计提供参考依据。当公路存在较大弯度且填方量较大时, 填方边坡伸出远, 弯道位置的两个相邻位置横断面的填方/挖方边坡趋于相交时, 很显然会威胁到边坡的稳定性, 必须在公路设计中尽量修正边坡的高度和坡度, 并为边坡设置相应的护脚以及挡墙等措施, 提高边坡稳定性, 确保公路施工的安全性, 为公路使用寿命的提高奠定坚实基础。

其次, 组合实体转换成面模型。公路设计中的三维组合实体是一个多面体, 其各个面就是公路设计中的各个边坡表面、原始地面、路幅表面等, 同时, 组合实体又是一个整体, 我们无法将其各个面绘制成不同的颜色, 供设计人员参考和利用, 对此, 我们需要将组合实体转换成面实体, 获取我们想要的面数据资料, 得到面模型的效果图, 便于优化设计方案。而要将组合实体转换成面模型, 只需要调用Auto CAD软件中的explode指令即可, 从而获取公路设计中所需要的路幅面模型、填方边坡面模型、挖方边坡面模型、原始地面模型, 我们将不同的面放在不同的图层上, 给其特定的颜色、线型, 便于区分, 便于进行可视化分析。

三维实体模型的建模方法基本就是以上三点, 这三点建模中需要运用到许多先进的计算机软件程序以及测绘数据资料, 运用计算机进行相应的数据计算。例如:运用计算机计算计算直线段与三角网式地形实体的相交情况, 主要是直线段与三角形平面交点的计算。另外, 绘制纵横断面图时, 需要借助Auto CAD等软件进行模块式的构建, 得出精确化的纵横断面效果图, 提高公路设计的数字化水平, 不断优化设计方案, 根据公路等级以及类型进行多重分析, 为建设出高质量、美观大方的公路奠定坚实基础。

3 结束语

随着计算机信息技术的发展, 越来越多先进的绘图软件被运用到公路设计中, 而当前火热的三维实体模型在建设行业得到广泛应用, 不仅是在公路设计上, 在矿山工程、水电工程等工程设计中都有较好应用, 且取得良好成果。本文以公路设计为例, 简单阐述三维实体模型的建模方法, 有一定的参考价值, 供同行参考和借鉴。

摘要：三维实体模型在公路设计中的应用有助于分析设计方案的优劣, 其在纵横断面图的绘制上有得天独厚的优势, 而纵横断面图又在公路设计中占有重要地位。笔者结合实践经验, 简单阐述三维实体模型的基本概念, 探寻公路设计中的三维实体模型建模方法。

关键词：三维实体模型,公路设计,建模,实体

参考文献

[1]龚元翔, 王李管, 张海军, 等.基于MICROMINE系统的露天矿山三维可视化技术研究[J].中国钼业, 2007, 31 (4) :13-16.

实体三维化平面设计拓展研究论文 第5篇

关键词：UML语言,模型,系统

UML统一建模语言具有定义良好、易于表达 、功能强大和便于交流等特点。不仅支持面向对象的分析与设计, 而且支持从需求分析开始的软件开发全过程。UML语言提供了一个标准的、统一的和可视化的建模符号体系, 能够建立系统的图形化可视模型, 使系统结构直观易懂。UML符号具有良好的语义, 不会引起歧义[1]。

在MetalMiner露天金属矿优化设计系统之矿体三维实体构建子系统的开发过程中, 从需求分析到总体设计, 再到详细设计, 全部采用UML语言建模, 取得较好效果。以下为系统UML建模过程及部分实例。

1 UML 模型概述

UML语言为系统建模提供了9种不同的图 , 分别从不同方面和不同角度为软件系统分析、设计到实现提供有力支持。其中类图、 对象、用例图、组件图和配置图为系统的静态方面建模, 而时序图、协作图、状态图和活动图则为系统的动态方面建模。

在不同的阶段需要建立不同的模型, 同样类型的图在不同的阶段其侧重也不同。例如, 在软件开发的不同阶段虽都使用类图, 但这些类图描述了不同层次的抽象。在需求分析阶段, 类图是所研究的问题域中的概念, 即处于概念层; 在设计阶段, 类图描述类与类之间的接口, 即处于说明层; 在实现阶段, 类图描述软件系统中类的实现, 即处于实现层。类图还可以为数据库建模。

2 系统模型

用例模型用于在需求分析阶段描述待开发系统的功能需求。它将系统看作黑盒, 从外部参与者的角度来理解系统, 驱动需求分析之后各阶段开发工作, 不仅在开发过程中保证系统所有功能的实现, 而且还用于验证和检测开发的系统是否满足系统需求。实现用例的元素是协作。协作是实现用例 行为的类和其他元素总称。每个用例都有一个相应的协作来实现, 故不必显式为其建模。通过需求分析, 建立系统用例图, 如图1所示。用例图包括用例、参与者 (代表特定功能的角色) 以及依赖、类属和关联关系。先画参与者, 再列出每个参与者的用例。参与者代表角色, 而不是职位。图1中的系统用户可以是采矿工程师、技术人员和管理人员。参与 者可以是人, 也可以是系统外部的软件系统、硬件乃至数据库系统, 如剖面轮廓数据库等。

用例捕捉系统行为, 但未规定怎样实现行为。系统分析是规定行为, 而不是规定怎样实现这些行为。因用例图没有显示不同的场景或称脚本, 故在迭代开发细化阶段, 需建立事件流文档, 为用例图配上结构化叙述的文本, 且随着分析的深入, 不断添加更多细节。事件流例子如图2所示。

由于本系统每个矿体或矿体分支作为独立实体, 因此, 采用双向链表数据结构分别对不同矿体或矿体分支进行描述, 可简化程序设计的复杂程度。

每个用例可用一个或多个时序图来详细描述。上述用例对应时序图如图3所示。

时序图和协作图一样都属于交互作用图。两者以不同的方式表达了类似的信息, 时序图描述了消息的时间顺序, 协作图描述了对象间的关系, 它们之间可以相互转换。时序图存在两个轴, 水平轴表示不同的对象, 垂直轴表示时间。时序图中的对象用一个有垂直虚线的矩形表示, 并标有对象名和类名。垂直虚线是对象的生命线, 用于表示在某段时间内该对象是存在的。对象间的通信通过在对象的生命线间画上消息来表示。

活动图主要是一个流图, 描述了从活动到活动的流, 还可以用来描述对象在控制流的不同点从一个状态转移到另一个状态时的对象流。活动图用于为系统的动态方面建模, 包括系统中任意一种抽象 (包括类、接口、组件、节点) 的活动。通常活动图的上下文可以是系统、子系统、操作或类。 活动图还可以用来描述用例脚本。“构建矿体三维实体”用例对应的活动图如图3所示。

活动图描述了发生了什么, 但没有说明该项活动由谁来完成。泳道解决了这一问题, 它将活动图的逻辑描述与时序图、协作图的责任描述结合起来。泳道用矩形框表示, 属于某个泳道的活动放在该矩形框内, 将对象名放在矩形框的项部, 表示泳道中的活动由该对象负责。

在处理复杂问题时, 通常使用分类方法来有效地降低问题的复杂性。在面向对象建模技术中, 也可采用同样方法将客观世界的实体映射为对象, 并归纳成类。类、对象以及它们之间的关系是面向对象技术中最基本的元素。 类模型 (类图) 和对象模型 (类的实例) 揭示系统结构, 是面向对象系统建模常用的图, 描述了类集、接口集、协作及它们之间的关系。 类图为系统的静态方面建模, 是定义其他图的基础。此外, 还可为逻辑数据库模式建模。本系统类图如图5所示。

类很少独立存在, 大多数类以某种方式彼此协作。故在为系统建模时, 不仅需从问题域的词表中抽象出类和对象, 还要描述这些抽象间的关系。关系是事物间的连接。在面向对象建模中有4种主要关系, 即依赖关系、类属关系、关联关系和实现关系。 依赖关系描述类之间的使用关系; 类属关系描述类之间“一般”与 “特殊”的关系; 关联关系描述对象间的结构关系; 实现关系描述规定协议的元素和遵守协议的元素之间的关系, 例如接口与实现接口的类或组件之间的关系、用例和协作之间的关系。从本系统类图中可以看到类 之间存在的种种关系。

将系统功能进行封装, 制成组件, 供第三方软件系统调用。组件是一系列其他逻辑单元 (类和协作) 的物理实现。组件可以是图形界面, 也可以是非图形界面。接口是操作的集合, 规定类和组件的服务。虽然组件和类均可实现接口, 但它们之间有明显区别, 例如, 制成组件以后, 服务只能通过接口来访问。用什么组件实现接口不会影响使用接口的组件, 即可以用更先进的算法替代原组件, 而不必修改第三方软件, 完全符合软件工程中的“低耦合, 高内聚”原则。组件图描述组件及组件间的关系, 表示组件之间的组织和依赖关系 (图6)。

图6中用户接口组件只需调用三维实体重构组件接口函数Build3DModel即可实现矿体三维实体建模。

3 系统数据结构模型

数据结构模型是构建矿体三维实体模型的基础, 重要性不言而喻。数据结构可采用类图建模, 如图5所示。

由于本系统采用由多种单一模型 (如矿体剖面模型和不规则三角网模型等) 构成的混合数据模型来为矿体三维实体建模, 因此, 必须设计出与之相适应的数据结构模型。以下为本系统采用的几种数据结构模型。

(1) 二维矿体剖面轮廓数据结构

一般可以通过坐标投影变换将相邻轮廓线上的顶点坐标 (三维) 投影到当前轮廓线所在的平面 (各点高程相同, 故可视为二维), 以降低处理的复杂程度。即: 先计算当前轮廓线任意不共线三点的法向量, 再通过计算平均值求得所在平面的法向量, 然后将轮廓线上的点投影到该平面。因文中涉及的矿体剖面之间相互平行, 故无需进行坐标投影变换。

二维矿体剖面轮廓数据结构相对简单, 主要包括轮廓各顶点三维坐标数据及该轮廓所属矿体编号。每个三维矿体实际上就是由这些编号与矿体编号相同的一系列矿体剖面轮廓, 按照高程从小到大或从大到小的顺序, 依次重构而成。笔者采用数组作为二维矿体剖面轮廓线的数据存储结构, 即根据轮廓线顶点的个数, 动态分配数组存储空间, 并依次记录每条矿体剖面轮廓线上各顶点三维坐标 (x, y, z)。例如, 某条轮廓线顶点坐标按下列格式存储到二维数组polygonNodes [] [3]中: {{50305.660, 50621.552, 406.000} , {50305.660, 50615.314, 406.000} , {50305.660, 50550.328, 406.000} ,}。

(2) 三维矿体数据结构

采用不规则三角形网模型描述矿体表面的空间形态, 即用三角面片来近似模拟三维矿体表面。因这些三角面片是在用二维矿体剖面轮廓线重构矿体三维实体的过程中生成, 故三维矿体数据结构中既要包括一系列相关的二维矿体剖面轮廓数据, 又要包括在三维重构过程中生成的三角面片数据。采用两个双向链表分别作为一系列二维矿体剖面轮廓线和矿体表面三角面片的数据存储结构, 即: