本书是从当今三维数码虚拟表现的流行热门领域着手，通过对SolidWorks和KeyShot的讲解，配合具体实例，旨在培养具有良好的科学素养以及美术修养、既懂技术又懂艺术、能利用计算机进行产品设计和创作的复合型应用设计人才。SolidWorks和KeyShot两个软件的结合讲解是一种市面上很少见的软件搭配教材模式，它把相对专业的产品建模软件SolidWorks和渲染软件KeyShot结合进行介绍，挑重点进行剖析，把重心放在常用工具与最优效果上。书中主要介绍了SolidWorks的常用建模方法和KeyShot渲染方法，在应用三维数码虚拟表现的设计理念和设计思路的引导下，通过简洁的知识介绍和精美实用的案例解析，引领读者掌握各种设计表达理念及技巧，轻松步入专业设计的新领域，使建模到渲染一气呵成。

　　从产品设计行业上来说，三维数码虚拟表现中的SolidWorks和KeyShot软件都被广泛应用，其中SolidWorks软件可以进行模型设计，如精密仪器、风机、水泵、车辆、印刷机、农机、医疗器械、锁具、模具、工装、水冷却循环系统、灯具等，甚至可用于家具、家装设计等方面。KeyShot是一个互动性的光线追踪与全域光渲染软件，无须复杂的设定即可产生真实的3D渲染影像，是目前比较流行的主流渲染软件，它们的结合使用为产品设计师提供了非常便利的工具平台。本书主要对SolidWorks和KeyShot的以下功能进行了介绍。

　　(1)SolidWorks基础，包括基本功能、操作界面、基本操作方法、菜单使用、参考几何体等。

　　(2)草图绘制，包括草图绘制命令、编辑草图命令、等距实体等。

　　(3)建模基础，包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征、圆角、倒角、孔、筋、抽壳和放样等特征设计。

　　(4)模型编辑，包括组合编辑、阵列和镜向等特征设计。

　　(5)曲面设计，包括曲线的生成和曲面编辑。

　　(6)装配体设计，包括装配体文件的建立、装配体的干涉检查、爆炸视图、轴测剖视图和装配体的统计，以及制作动画等。

　　(7)工程图设计，包括工程图及应用、线型和图层、图纸格式设定、工程视图、标准三视图、投影视图、剪裁视图、局部视图、剖面视图、断裂视图等。

　　(8)KeyShot模型渲染，包括基本设置、加材质、贴图、渲染、输出图像等。

　　另外，在书中针对学生理解相对困难的部分章节，添加了扫二维码看视频教程的讲解方式，生动形象地介绍知识点的同时也增加了阅读乐趣。

　　本书由杜文洁、卜一平、赵志刚、蔡世新、杜美佳、何佳怡、英浩等编写。同时，杨柠、牟振、张晓鹏、许昊、宋倬、尹淑杰、赵启波等也参加了部分内容的编写。全书由卜一平统稿完成。

　　由于作者水平有限，书中内容难免有疏漏之处，恳请各相关院校和读者在使用本教材的过程中予以关注，并及时将好的建议和思路反馈给我们，我们将不胜感激。

　　编者2017.1

　　第1章

　　产品设计三维数码虚拟表现导论

　　本章主要讲述了三维数码虚拟表现的概念和特点，同时还介绍了三维数码虚拟设计在产品设计等专业的用途和前景。三维数码虚拟表现在当今设计领域用途非常广泛，其表现效果也很吸引人，它是设计师从事众多行业的先决条件，如平面设计、产品设计、工业设计等。

　　1.1三维数码虚拟表现的概念和特点

　　随着计算机在人们生活中的广泛应用，三维数码虚拟表现技术也因其自身的特点和优势逐渐被人们认可。三维数码虚拟表现是基于三维效果图制作的计算机辅助设计。设计者能够通过计算机辅助设计进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的系统模型和逼真的三维效果图。当我们在产品设计专业领域提及“三维”形式时，首先想到的是计算机三维建模，它是利用计算机三维软件，得到产品的三维模型，再利用合适的材质或者贴图进行渲染，最终让产品的三维模型更接近现实的一种最常用方式。其表现效果如图11所示。

　　图11三维效果图

　　在设计师的成果展示中，最直接和最直观的方式就是将实体展现在客户的面前。但这种方式需要高昂的成本并有一定的资源浪费风险，而利用三维数码虚拟表现生成的平面图片加上文字介绍做成的成果展示，是现在的主流展示方式。这种基于图像的展示方式实现简单，方便快捷，表现设计者思想更加直观，也很容易应用在网络以及电子媒体中。

　　产品三维数码虚拟表现——SolidWorks&KeyShot产品建模渲染实例教程

　　第1章产品设计三维数码虚拟表现导论

　　如今当人们谈论设计的时候，总会不知不觉地把重点放到计算机制作的效果图中去。效果图已成为设计行业中的“通行证”或者说是行业内的“货币”，可以很方便地进行各种各样的流通，从而形成了一种观念——“要让我看你的设计，那就等于是看效果图，没有效果图，就说明没有设计”，而三维数码虚拟表现制作出来的效果图不光在设计中起到举足轻重的作用，更有以下特点。

　　1.真实、生动的视觉效果

　　三维数码虚拟表现制作出来的效果图是最能直观、生动地表达设计意图，将设计意图以最直接的方式传达给观者的方法，从而使观者能够进一步认识和肯定我们的设计理念与设计思想。

　　三维数码虚拟表现制作出来的效果图能够逼真地模拟现实产品或创造常规拍摄所无法实现的产品和场景。从微观世界到宏观世界，从真实空间到想象空间，三维数码虚拟表现制作出来的效果图都可以出色地表现。

　　2.效益与效果倍增、节约成本并提高效率

　　三维数码虚拟表现制作出来的效果图可以直观快速地展现产品、设计成果和场景等项目真实的形态或功能，投入较少时间和费用就可以看到成果，使我们可以优化流程、完善设计、提前展现等，进而节约成本提高效率。

　　3.清晰的说服力

　　利用三维数码虚拟表现技术建造一个虚拟的环境对现实世界中的复杂系统进行简化和直观剖析，往往是解决问题最快捷的方式。三维数码虚拟表现技术能够帮助我们在体验中传达难于解释的信息，再加上互动功能，赋予图像生命力，使图像和影像能够和人产生“对话”和交流。

　　4.个性化的表现手法

　　在这个同质化的时代，对一个新产品而言，“差异化”意味着成功的一半，而传统的拍摄手法和受众的视听审美疲劳一直不停对抗着，三维数码虚拟表现技术的出现带来了一个新的创作空间，以耳目一新的手法帮助企业塑造产品的差异化形象。

　　1.2三维数码虚拟表现的分类

　　随着计算机技术及应用的迅速发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，使计算机图形学(ComputerGraphics，CG)、计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)与计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)等新技术得以十分迅猛的发展。CAD、CAM、CAE已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车等各个领域中得到了广泛的应用，成为最具有生产潜力的工具。

　　三维数码虚拟表现涵盖范围非常广泛。追溯起源，要从计算机辅助设计说起。接下来我们就来看看和产品设计息息相关的计算机辅助设计的历史和现状。

　　1.2.1CAD计算机辅助设计

　　CAD(ComputerAidedDesign)指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。我们通常在设计中要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案。而CAD可以将各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的都存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索。因此设计人员可以将繁重的制图工作交给计算机完成，由计算机自动产生设计结果，并可以快速作出图形。CAD设计人员可以及时对设计作出判断和修改并利用计算机进行图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作，如图12所示。

　　图12CAD计算机辅助设计

　　1.CAD的发展历程

　　CAD(ComputerAidedDesign)诞生于20世纪60年代，当时的美国麻省理工学院首先提出了交互式图形学的研究计划，但由于当时硬件设施昂贵，只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。到了20世纪70年代，小型计算机成本下降，美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。

　　20世纪80年代，由于PC的广泛应用，CAD得以迅速发展，出现了专门从事CAD系统开发的公司。当时VersaCAD是专业的CAD制作公司，所开发的CAD软件功能强大，但由于其价格昂贵，故不能普遍应用。而当时的Autodesk公司是一个小公司，其开发的CAD系统虽然功能有限，但因其可免费复制，故在社会得以广泛应用。同时，由于该系统的开放性，该CAD软件升级迅速。CAD的实现技术从那个时候起经过了许多演变。这个领域刚开始的时候CAD主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。随着计算机技术的发展，如今CAD已经不仅仅用于绘图和显示，它开始变得更加智能，应用更加广泛。

　　2.国产CAD

　　中国CAD技术源于国外CAD平台技术基础上的二次开发。随着中国企业对CAD应用需求的提升，国内众多CAD技术开发商纷纷通过基于国外平台的二次开发产品，让国内企业真正普及了CAD，并逐渐涌现出一批优秀的CAD开发商。

　　在二次开发的基础上，部分顶尖的国内CAD开发商也逐渐探索出适合中国发展和需求模式的CAD。他们的目的是开发最好的CAD，甚至是为全球提供最优的CAD技术。

　　1.2.2CAM计算机辅助制造

　　CAM(ComputerAidedManufacturing)的核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产的系统程序。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床，如图13所示。数控早期的特征是由

　　图13数控铣床

　　编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床以及能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成钻、铰、攻丝等多道工序的智能机床。这些机床的操作都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，这种加工的灵活性被人们称之为“柔性”。CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能。CAM所涉及的范围包括计算机数控和计算机辅助制造两种。

　　计算机数控除了在机床应用以外，还广泛地用于其他各种设备的控制，如冲压机、激光束加工、自动绘图仪、焊接机、装配机、检查机、自动编织机、电脑绣花和服装裁剪等。

　　从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序自动化的加工过程，其中的加工中心是实现零件部分或全部机械的自动化加工过程。计算机直接控制和柔性制造系统是完成一组零件或不同组零件的自动化加工过程，而计算机辅助制造是计算机进入制造过程中的总概念。

　　1.2.3CAE计算机辅助求解复杂工程

　　CAE(ComputerAidedEngineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、动力响应、热传导、弹塑性等力学性能的一种近似数值分析方法，它可以完成分析计算以及对结构性能进行优化设计等智能操作。CAE从20世纪60年代初在工程上开始应用到今天，已经经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学等各类问题的一种重要手段。

　　CAE计算机辅助工程技术的提出就是要把工程的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。因此，CAE系统是一个包括了相关人员、技术、经营管理及信息流和物流的有机集成且优化运行的复杂系统。

　　1.3产品三维数码虚拟表现的相关软件

　　三维数码虚拟表现在产品设计领域应用广泛，其相关软件众多、功能各异，下面就介绍几个三维数码虚拟表现领域的主流软件。

　　1.3.1Rhino

　　图14Rhino图标

　　Rhino是美国RobertMcNeel公司开发的专业3D造型软件，其图标如图14所示，它可以广泛地应用于三维动画制作、工业制造、

　　科学研究以及机械设计等领域。它能轻易整合3Dmax与Softimage的模型，对要求精细、复杂的3DNURBS模型，有点石成金的效果，能输出OBJ、DXF、IGES、STL、3DM等格式的3D文件，尤其对提高整个3D工作团队的模型生产力有明显效果，故其成为使用3Dmax、AutoCAD、Maya、Softimage、Houdini、LightWave等软件的3D设计人员必备工具。

　　1.Rhino简介

　　Rhino，中文名称犀牛，是一款功能超强的三维建模工具，大小才几十兆字节，硬件要求也很低。不过不要小瞧它，它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模感觉非常流畅，所以它经常被大家用来建模后导出高精度模型，给其他三维软件使用。

　　Rhino是由美国公司于1998年推出的一款基于NURBS为主三维建模软件。Rhino想要在当下三维软件激烈的竞争中取得一席之地，必定要在某一方面有特殊的价值，在建模方面Rhino就向三维软件的巨头们发出了强有力的挑战。从设计稿、手绘到实际产品，或是只是一个简单的构思，Rhino所提供的曲面工具可以精确、快速、便捷地制作出所有用来作为渲染表现、动画、工程图、分析评估以及生产用的模型。

　　2.Rhino特点

　　Rhino可以创建、编辑、分析和转换NURBS曲线、曲面和实体，并且在复杂度、角度和尺寸方面没有任何限制。

　　Rhino可以非常快速地将数据表示成图形，其工作界面包括：工作中的透视视窗，指定视区，制图设计界面，设计图符界面、工具栏界面、联机帮助等大量简单便捷的操作界面，如图15所示。

　　图15Rhino界面

　　1.3.2Alias

　　1.Alias简介

　　Alias作为世界领先3D图形技术提供商，为汽车、工业设计和可视化市场及电影、游戏、网络和教育市场开发了众多软件。Alias同时也为从初级到高级的各类用户提供其最需要的服务项目。

　　图16Alias启动界面

　　Alias软件是目前世界上最先进的工业造型设计软件之一。其启动界面如图16所示。它是全球汽车和产品造型设计的行业标准设计工具。Alias软件提供了从早期的草图绘制、造型，到制作可供加工采用的最终模型各个阶段的设计工具。

　　2.背景介绍

　　现今的工业产品造型日趋复杂，讲求流线型和美感，产品设计师对CAD软件的要求也越来越高。一般传统的CAD软件，所给设计师曲线和曲面处理的工具有限，不能满足造型设计师的需要。Alias软件从本质上区别于传统的CAD软件，位于产品设计的前端。其价值在于对外形设计的高自由度及其效率。Alias软件巧妙地将设计与工程、艺术与科学连接起来，整个设计流程天衣无缝。它将设计、创意与生产一元化，成为全球工业设计师梦寐以求的设计工具。

　　Alias软件的优点首先是操作简单，易学易用。用户只管把注意力集中在如何使他的产品的造型完美无缺，而不必纠缠于复杂的操作与编程中。因Alias的图像描绘工具可提供多达1600多万种色彩，无限的曲面类型和光源效果，故能生成活生生的形体，给人以真实自然的三维感，其工作界面如图17所示。

　　图17Alias工作界面

　　1.3.3SolidWorks

　　1.简介

　　SolidWorks为达索系统旗下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。软件设计的目标是为每一个工程师提供一套具有生产力的实体模型设计系统。公司从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今，已经拥有位于全球的多家办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该软件产品。1997年，SolidWorks被法国达索公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。其软件启动界面如图18所示。

　　图18SolidWorks启动界面

　　2.软件特点

　　SolidWorks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks不仅提供了强大的功能，而且对每个设计者来说，操作简单方便、易学易用，其操作界面如图19所示。

　　图19SolidWorks工作界面

　　对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以直接用SolidWorks来做设计。使用SolidWorks软件，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。

　　在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便的软件之一。正如美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”

　　在强大的设计功能和易学易用的操作协同下，SolidWorks的整个产品设计是百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间也是完全相关联的有机整体。

　　由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以1300万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。

　　1.3.4Pro/E

　　1.Pro/E简介

　　Pro/E(Pro/Engineer)是美国参数技术公司(PTC)旗下的集CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/E软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在三维造型软件领域有着重要的地位。Pro/E作为当今世

　　图110Pro/E启动界面

　　界机械CAD/CAM/CAE领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。其启动界面如图110所示。

　　2.主要特性

　　Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。

　　Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。其工作界面如图111所示。

　　图111Pro/E工作界面

　　Pro/E特性还包括以下几点。

　　(1)参数化设计

　　相对于产品而言，我们可以把它看成是几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。

　　(2)基于特征建模

　　Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，也可以随意勾画草图，随意改变模型。这一特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

　　(3)资源库

　　Pro/E系统自带的标准件库，其包含螺栓、螺母、螺钉、螺柱、键、销、密封圈、弹簧等常用零部件，模型数据可被直接调用。

　　1.3.5UG

　　UG即Unigraphics，一般指交互式CAD/CAM系统。UG是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UnigraphicsNX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。

　　1.UG简介

　　UG是一个交互式CAD/CAM系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用增长迅猛，已成为模具行业的一个主流应用软件，其工作界面如图112所示。

　　图112UG工作界面

　　UG的开发始于1969年，它是基于C语言开发实现的。UG是一个在二维空间和三维空间的无结构网格上，使用自适应多重网格方法开发的，具有灵活的数值求解和偏微分方程的软件工具，其设计思想足够灵活地支持多种离散方案，因此软件可被许多不同的应用软件再利用。

　　2.UG特点

　　如今制造业所面临的挑战是如何通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。

　　UG是新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。其独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。UG可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。

　　1.3.6Keyshot

　　2015年Luxion公司宣布推出KeyShot6，其意为“TheKeytoAmazingShots”，是一个互动性的光线追踪与全域光渲染程序，无须复杂的设定即可产生真实的3D渲染影像。Luxion公司的KeyShot是基于LuxRender开发的。LuxRender是一种基于物理的渲染引擎，其拥有先进的技术水平算法，LuxRender根据物理方程模拟光线流，因此产生逼真的图像和如同照片的品质，其启动界面如图113所示。

　　图113KeyShot6启动界面

　　其工作界面如图114所示。在后面的章节中我们将对其功能和界面进行系统介绍。

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