《產品三維數碼虛擬表現——Solidworks&keyshots產品建模渲染實例教程》是一本介紹產品設計三維效果圖軟件制作方法的書；一本采納了當下*流行的產品設計三維軟件Solidworks和渲染軟件keyshots結合使用的教材，通過對軟件常用工具的介紹，和大量的實例練習，可以輕松的掌握這兩款軟件并制作出產品設計相關三維效果圖。這是一款市面上不多見的軟件搭配模式的教材。
本書是從當今三維數碼虛擬表現的流行熱門領域著手，通過對SolidWorks和KeyShot的講解，配合具體實例，旨在培養具有良好的科學素養以及美術修養、既懂技術又懂藝術、能利用計算機進行產品設計和創作的復合型應用設計人才。SolidWorks和KeyShot兩個軟件的結合講解是一種市面上很少見的軟件搭配教材模式，它把相對專業的產品建模軟件SolidWorks和渲染軟件KeyShot結合進行介紹，挑重點進行剖析，把重心放在常用工具與最優效果上。書中主要介紹了SolidWorks的常用建模方法和KeyShot渲染方法，在應用三維數碼虛擬表現的設計理念和設計思路的引導下，通過簡潔的知識介紹和精美實用的案例解析，引領讀者掌握各種設計表達理念及技巧，輕松步入專業設計的新領域，使建模到渲染一氣呵成。
從產品設計行業上來說，三維數碼虛擬表現中的SolidWorks和KeyShot軟件都被廣泛應用，其中SolidWorks軟件可以進行模型設計，如精密儀器、風機、水泵、車輛、印刷機、農機、醫療器械、鎖具、模具、工裝、水冷卻循環系統、燈具等，甚至可用于家具、家裝設計等方面。KeyShot是一個互動性的光線追蹤與全域光渲染軟件，無須復雜的設定即可產生真實的3D渲染影像，是目前比較流行的主流渲染軟件，它們的結合使用為產品設計師提供了非常便利的工具平臺。本書主要對SolidWorks和KeyShot的以下功能進行了介紹。
(1)SolidWorks基礎，包括基本功能、操作界面、基本操作方法、菜單使用、參考幾何體等。
(2)草圖繪制，包括草圖繪制命令、編輯草圖命令、等距實體等。
(3)建模基礎，包括拉伸特征、旋轉特征、掃描特征、圓角、倒角、孔、筋、抽殼和放樣等特征設計。
(4)模型編輯，包括組合編輯、陣列和鏡向等特征設計。
(5)曲面設計，包括曲線的生成和曲面編輯。
(6)裝配體設計，包括裝配體文件的建立、裝配體的干涉檢查、爆炸視圖、軸測剖視圖和裝配體的統計，以及制作動畫等。
(7)工程圖設計，包括工程圖及應用、線型和圖層、圖紙格式設定、工程視圖、標準三視圖、投影視圖、剪裁視圖、局部視圖、剖面視圖、斷裂視圖等。
(8)KeyShot模型渲染，包括基本設置、加材質、貼圖、渲染、輸出圖像等。
另外，在書中針對學生理解相對困難的部分章節，添加了掃二維碼看視頻教程的講解方式，生動形象地介紹知識點的同時也增加了閱讀樂趣。
本書由杜文潔、卜一平、趙志剛、蔡世新、杜美佳、何佳怡、英浩等編寫。同時，楊檸、牟振、張曉鵬、許昊、宋倬、尹淑杰、趙啟波等也參加了部分內容的編寫。全書由卜一平統稿完成。
由于作者水平有限，書中內容難免有疏漏之處，懇請各相關院校和讀者在使用本教材的過程中予以關注，并及時將好的建議和思路反饋給我們，我們將不勝感激。
編者2017.1
第1章
產品設計三維數碼虛擬表現導論
本章主要講述了三維數碼虛擬表現的概念和特點，同時還介紹了三維數碼虛擬設計在產品設計等專業的用途和前景。三維數碼虛擬表現在當今設計領域用途非常廣泛，其表現效果也很吸引人，它是設計師從事眾多行業的先決條件，如平面設計、產品設計、工業設計等。
1.1三維數碼虛擬表現的概念和特點
隨著計算機在人們生活中的廣泛應用，三維數碼虛擬表現技術也因其自身的特點和優勢逐漸被人們認可。三維數碼虛擬表現是基于三維效果圖制作的計算機輔助設計。設計者能夠通過計算機輔助設計進行三維實體建模和裝配建模，并且最終生成精確的系統模型和逼真的三維效果圖。當我們在產品設計專業領域提及“三維”形式時，首先想到的是計算機三維建模，它是利用計算機三維軟件，得到產品的三維模型，再利用合適的材質或者貼圖進行渲染，最終讓產品的三維模型更接近現實的一種最常用方式。其表現效果如圖11所示。
圖11三維效果圖
在設計師的成果展示中，最直接和最直觀的方式就是將實體展現在客戶的面前。但這種方式需要高昂的成本并有一定的資源浪費風險，而利用三維數碼虛擬表現生成的平面圖片加上文字介紹做成的成果展示，是現在的主流展示方式。這種基于圖像的展示方式實現簡單，方便快捷，表現設計者思想更加直觀，也很容易應用在網絡以及電子媒體中。
產品三維數碼虛擬表現——SolidWorks&KeyShot產品建模渲染實例教程
第1章產品設計三維數碼虛擬表現導論
如今當人們談論設計的時候，總會不知不覺地把重點放到計算機制作的效果圖中去。效果圖已成為設計行業中的“通行證”或者說是行業內的“貨幣”，可以很方便地進行各種各樣的流通，從而形成了一種觀念——“要讓我看你的設計，那就等于是看效果圖，沒有效果圖，就說明沒有設計”，而三維數碼虛擬表現制作出來的效果圖不光在設計中起到舉足輕重的作用，更有以下特點。
1.真實、生動的視覺效果
三維數碼虛擬表現制作出來的效果圖是最能直觀、生動地表達設計意圖，將設計意圖以最直接的方式傳達給觀者的方法，從而使觀者能夠進一步認識和肯定我們的設計理念與設計思想。
三維數碼虛擬表現制作出來的效果圖能夠逼真地模擬現實產品或創造常規拍攝所無法實現的產品和場景。從微觀世界到宏觀世界，從真實空間到想象空間，三維數碼虛擬表現制作出來的效果圖都可以出色地表現。
2.效益與效果倍增、節約成本并提高效率
三維數碼虛擬表現制作出來的效果圖可以直觀快速地展現產品、設計成果和場景等項目真實的形態或功能，投入較少時間和費用就可以看到成果，使我們可以優化流程、完善設計、提前展現等，進而節約成本提高效率。
3.清晰的說服力
利用三維數碼虛擬表現技術建造一個虛擬的環境對現實世界中的復雜系統進行簡化和直觀剖析，往往是解決問題最快捷的方式。三維數碼虛擬表現技術能夠幫助我們在體驗中傳達難于解釋的信息，再加上互動功能，賦予圖像生命力，使圖像和影像能夠和人產生“對話”和交流。
4.個性化的表現手法
在這個同質化的時代，對一個新產品而言，“差異化”意味著成功的一半，而傳統的拍攝手法和受眾的視聽審美疲勞一直不停對抗著，三維數碼虛擬表現技術的出現帶來了一個新的創作空間，以耳目一新的手法幫助企業塑造產品的差異化形象。
1.2三維數碼虛擬表現的分類
隨著計算機技術及應用的迅速發展，特別是大規模、超大規模集成電路和微型計算機的出現，使計算機圖形學(ComputerGraphics，CG)、計算機輔助設計(ComputerAidedDesign，CAD)與計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)等新技術得以十分迅猛的發展。CAD、CAM、CAE已經在電子、造船、航空、航天、機械、建筑、汽車等各個領域中得到了廣泛的應用，成為最具有生產潛力的工具。
三維數碼虛擬表現涵蓋范圍非常廣泛。追溯起源，要從計算機輔助設計說起。接下來我們就來看看和產品設計息息相關的計算機輔助設計的歷史和現狀。
1.2.1CAD計算機輔助設計
CAD(ComputerAidedDesign)指利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。我們通常在設計中要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優方案。而CAD可以將各種設計信息，不論是數字的、文字的或圖形的都存放在計算機的內存或外存里，并能快速地檢索。因此設計人員可以將繁重的制圖工作交給計算機完成，由計算機自動產生設計結果，并可以快速作出圖形。CAD設計人員可以及時對設計作出判斷和修改并利用計算機進行圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉等有關的圖形數據加工工作，如圖12所示。
圖12CAD計算機輔助設計
1.CAD的發展歷程
CAD(ComputerAidedDesign)誕生于20世紀60年代，當時的美國麻省理工學院首先提出了交互式圖形學的研究計劃，但由于當時硬件設施昂貴，只有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發的交互式繪圖系統。到了20世紀70年代，小型計算機成本下降，美國工業界才開始廣泛使用交互式繪圖系統。
20世紀80年代，由于PC的廣泛應用，CAD得以迅速發展，出現了專門從事CAD系統開發的公司。當時VersaCAD是專業的CAD制作公司，所開發的CAD軟件功能強大，但由于其價格昂貴，故不能普遍應用。而當時的Autodesk公司是一個小公司，其開發的CAD系統雖然功能有限，但因其可免費復制，故在社會得以廣泛應用。同時，由于該系統的開放性，該CAD軟件升級迅速。CAD的實現技術從那個時候起經過了許多演變。這個領域剛開始的時候CAD主要被用于產生和手繪的圖紙相仿的圖紙。隨著計算機技術的發展，如今CAD已經不僅僅用于繪圖和顯示，它開始變得更加智能，應用更加廣泛。
2.國產CAD
中國CAD技術源于國外CAD平臺技術基礎上的二次開發。隨著中國企業對CAD應用需求的提升，國內眾多CAD技術開發商紛紛通過基于國外平臺的二次開發產品，讓國內企業真正普及了CAD，并逐漸涌現出一批優秀的CAD開發商。
在二次開發的基礎上，部分頂尖的國內CAD開發商也逐漸探索出適合中國發展和需求模式的CAD。他們的目的是開發最好的CAD，甚至是為全球提供最優的CAD技術。
1.2.2CAM計算機輔助制造
CAM(ComputerAidedManufacturing)的核心是計算機數值控制(簡稱數控)，是將計算機應用于制造生產的系統程序。1952年美國麻省理工學院首先研制成數控銑床，如圖13所示。數控早期的特征是由
圖13數控銑床
編碼在穿孔紙帶上的程序指令來控制機床。此后發展了一系列的數控機床，包括稱為“加工中心”的多功能機床以及能從刀庫中自動換刀和自動轉換工作位置，能連續完成鉆、鉸、攻絲等多道工序的智能機床。這些機床的操作都是通過程序指令控制運作的，只要改變程序指令就可改變加工過程，這種加工的靈活性被人們稱之為“柔性”。CAM系統一般具有數據轉換和過程自動化兩方面的功能。CAM所涉及的范圍包括計算機數控和計算機輔助制造兩種。
計算機數控除了在機床應用以外，還廣泛地用于其他各種設備的控制，如沖壓機、激光束加工、自動繪圖儀、焊接機、裝配機、檢查機、自動編織機、電腦繡花和服裝裁剪等。
從自動化的角度看，數控機床加工是一個工序自動化的加工過程，其中的加工中心是實現零件部分或全部機械的自動化加工過程。計算機直接控制和柔性制造系統是完成一組零件或不同組零件的自動化加工過程，而計算機輔助制造是計算機進入制造過程中的總概念。
1.2.3CAE計算機輔助求解復雜工程
CAE(ComputerAidedEngineering)是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、動力響應、熱傳導、彈塑性等力學性能的一種近似數值分析方法，它可以完成分析計算以及對結構性能進行優化設計等智能操作。CAE從20世紀60年代初在工程上開始應用到今天，已經經歷了50多年的發展歷史，其理論和算法都經歷了從蓬勃發展到日趨成熟的過程，現已成為工程和產品結構分析中(如航空、航天、機械、土木結構等領域)必不可少的數值計算工具，同時也是分析連續力學等各類問題的一種重要手段。
CAE計算機輔助工程技術的提出就是要把工程的各個環節有機地組織起來，其關鍵就是將有關的信息集成，使其產生并存在于工程(產品)的整個生命周期。因此，CAE系統是一個包括了相關人員、技術、經營管理及信息流和物流的有機集成且優化運行的復雜系統。
1.3產品三維數碼虛擬表現的相關軟件
三維數碼虛擬表現在產品設計領域應用廣泛，其相關軟件眾多、功能各異，下面就介紹幾個三維數碼虛擬表現領域的主流軟件。
1.3.1Rhino
圖14Rhino圖標
Rhino是美國RobertMcNeel公司開發的專業3D造型軟件，其圖標如圖14所示，它可以廣泛地應用于三維動畫制作、工業制造、
科學研究以及機械設計等領域。它能輕易整合3Dmax與Softimage的模型，對要求精細、復雜的3DNURBS模型，有點石成金的效果，能輸出OBJ、DXF、IGES、STL、3DM等格式的3D文件，尤其對提高整個3D工作團隊的模型生產力有明顯效果，故其成為使用3Dmax、AutoCAD、Maya、Softimage、Houdini、LightWave等軟件的3D設計人員必備工具。
1.Rhino簡介
Rhino，中文名稱犀牛，是一款功能超強的三維建模工具，大小才幾十兆字節，硬件要求也很低。不過不要小瞧它，它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模感覺非常流暢，所以它經常被大家用來建模后導出高精度模型，給其他三維軟件使用。
Rhino是由美國公司于1998年推出的一款基于NURBS為主三維建模軟件。Rhino想要在當下三維軟件激烈的競爭中取得一席之地，必定要在某一方面有特殊的價值，在建模方面Rhino就向三維軟件的巨頭們發出了強有力的挑戰。從設計稿、手繪到實際產品，或是只是一個簡單的構思，Rhino所提供的曲面工具可以精確、快速、便捷地制作出所有用來作為渲染表現、動畫、工程圖、分析評估以及生產用的模型。
2.Rhino特點
Rhino可以創建、編輯、分析和轉換NURBS曲線、曲面和實體，并且在復雜度、角度和尺寸方面沒有任何限制。
Rhino可以非常快速地將數據表示成圖形，其工作界面包括：工作中的透視視窗，指定視區，制圖設計界面，設計圖符界面、工具欄界面、聯機幫助等大量簡單便捷的操作界面，如圖15所示。
圖15Rhino界面
1.3.2Alias
1.Alias簡介
Alias作為世界領先3D圖形技術提供商，為汽車、工業設計和可視化市場及電影、游戲、網絡和教育市場開發了眾多軟件。Alias同時也為從初級到高級的各類用戶提供其最需要的服務項目。
圖16Alias啟動界面
Alias軟件是目前世界上最先進的工業造型設計軟件之一。其啟動界面如圖16所示。它是全球汽車和產品造型設計的行業標準設計工具。Alias軟件提供了從早期的草圖繪制、造型，到制作可供加工采用的最終模型各個階段的設計工具。
2.背景介紹
現今的工業產品造型日趨復雜，講求流線型和美感，產品設計師對CAD軟件的要求也越來越高。一般傳統的CAD軟件，所給設計師曲線和曲面處理的工具有限，不能滿足造型設計師的需要。Alias軟件從本質上區別于傳統的CAD軟件，位于產品設計的前端。其價值在于對外形設計的高自由度及其效率。Alias軟件巧妙地將設計與工程、藝術與科學連接起來，整個設計流程天衣無縫。它將設計、創意與生產一元化，成為全球工業設計師夢寐以求的設計工具。
Alias軟件的優點首先是操作簡單，易學易用。用戶只管把注意力集中在如何使他的產品的造型完美無缺，而不必糾纏于復雜的操作與編程中。因Alias的圖像描繪工具可提供多達1600多萬種色彩，無限的曲面類型和光源效果，故能生成活生生的形體，給人以真實自然的三維感，其工作界面如圖17所示。
圖17Alias工作界面
1.3.3SolidWorks
1.簡介
SolidWorks為達索系統旗下的子公司，專門負責研發與銷售機械設計軟件的視窗產品。軟件設計的目標是為每一個工程師提供一套具有生產力的實體模型設計系統。公司從1995年推出第一套SolidWorks三維機械設計軟件至今，已經擁有位于全球的多家辦事處，并經由300家經銷商在全球140個國家進行銷售與分銷該軟件產品。1997年，SolidWorks被法國達索公司收購，作為達索中端主流市場的主打品牌。其軟件啟動界面如圖18所示。
圖18SolidWorks啟動界面
2.軟件特點
SolidWorks有功能強大、易學易用和技術創新三大特點，這使得SolidWorks成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks不僅提供了強大的功能，而且對每個設計者來說，操作簡單方便、易學易用，其操作界面如圖19所示。
圖19SolidWorks工作界面
對于熟悉微軟的Windows系統的用戶，基本上就可以直接用SolidWorks來做設計。使用SolidWorks軟件，用戶能在比較短的時間內完成更多的工作，能夠更快地將高質量的產品投放市場。
在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設計過程比較簡便的軟件之一。正如美國著名咨詢公司Daratech所評論：“在基于Windows平臺的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領導者。”
在強大的設計功能和易學易用的操作協同下，SolidWorks的整個產品設計是百分之百可編輯的，零件設計、裝配設計和工程圖之間也是完全相關聯的有機整體。
由于SolidWorks出色的技術和市場表現，不僅成為CAD行業的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達索公司以三億一千萬美元的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風險投資商和股東，以1300萬美元的風險投資，獲得了高額的回報，創造了CAD行業的世界紀錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術隊伍繼續獨立運作，成為CAD行業一家高素質的專業化公司，SolidWorks三維機械設計軟件也成為達索企業中最具競爭力的CAD產品。
1.3.4Pro/E
1.Pro/E簡介
Pro/E(Pro/Engineer)是美國參數技術公司(PTC)旗下的集CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/E軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在三維造型軟件領域有著重要的地位。Pro/E作為當今世
圖110Pro/E啟動界面
界機械CAD/CAM/CAE領域的新標準而得到業界的認可和推廣，是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。其啟動界面如圖110所示。
2.主要特性
Pro/E第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。
Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。其工作界面如圖111所示。
圖111Pro/E工作界面
Pro/E特性還包括以下幾點。
(1)參數化設計
相對于產品而言，我們可以把它看成是幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數完全約束，這就是參數化的基本概念。
(2)基于特征建模
Pro/E是基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，也可以隨意勾畫草圖，隨意改變模型。這一特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。
(3)資源庫
Pro/E系統自帶的標準件庫，其包含螺栓、螺母、螺釘、螺柱、鍵、銷、密封圈、彈簧等常用零部件，模型數據可被直接調用。
1.3.5UG
UG即Unigraphics，一般指交互式CAD/CAM系統。UG是SiemensPLMSoftware公司出品的一個產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段。UnigraphicsNX針對用戶的虛擬產品設計和工藝設計的需求，提供了經過實踐驗證的解決方案。
1.UG簡介
UG是一個交互式CAD/CAM系統，它功能強大，可以輕松實現各種復雜實體及造型的建構。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發展和個人用戶的迅速增長，在PC上的應用增長迅猛，已成為模具行業的一個主流應用軟件，其工作界面如圖112所示。
圖112UG工作界面
UG的開發始于1969年，它是基于C語言開發實現的。UG是一個在二維空間和三維空間的無結構網格上，使用自適應多重網格方法開發的，具有靈活的數值求解和偏微分方程的軟件工具，其設計思想足夠靈活地支持多種離散方案，因此軟件可被許多不同的應用軟件再利用。
2.UG特點
如今制造業所面臨的挑戰是如何通過產品開發的技術創新，在持續的成本縮減以及收入和利潤的逐漸增加的要求之間取得平衡。
UG是新一代數字化產品開發系統，它可以通過過程變更來驅動產品革新。其獨特之處是其知識管理基礎，它使得工程專業人員能夠推動革新以創造出更大的利潤。UG可以管理生產和系統性能知識，根據已知準則來確認每一設計決策。
1.3.6Keyshot
2015年Luxion公司宣布推出KeyShot6，其意為“TheKeytoAmazingShots”，是一個互動性的光線追蹤與全域光渲染程序，無須復雜的設定即可產生真實的3D渲染影像。Luxion公司的KeyShot是基于LuxRender開發的。LuxRender是一種基于物理的渲染引擎，其擁有先進的技術水平算法，LuxRender根據物理方程模擬光線流，因此產生逼真的圖像和如同照片的品質，其啟動界面如圖113所示。
圖113KeyShot6啟動界面
其工作界面如圖114所示。在后面的章節中我們將對其功能和界面進行系統介紹。
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