異形盒交互設計系統的研究

陳錦昌， 李若蕾

（華南理工大學設計學院，廣東 廣州 510006）

非傳統六面體的紙盒或形態特異的紙盒都可以歸為異形盒范疇[1]。異形盒的主要應用領域是：食品包裝、化妝品包裝、禮品包裝，并已逐漸成為高端包裝市場中創造價值的主導成員。由于異形盒打破了六面體紙盒型態的約束，結構形態靈活新穎，使以傳統的紙盒設計方法和傳統的盒型CAD軟件不能滿足異形盒設計的需要，特別是對于空間想象力不夠豐富的設計人員，設計異形盒會遇到重重困難。如何尋求一種規律性強的設計方法，并將現代CAD技術應用于異形盒設計，開發出可視性強、易于操作的設計系統以增強異形盒的輔助設計具有重要的意義。

國內包裝紙盒CAD產品有方正集團的產品E-PACK，天津科技大學的TUST-PACK等，其主要為常見的盒型配備了參數化盒樣庫，且多為標準盒型，少量的異形盒則按形態特征命名分類，查找不便。設計新的異形盒盒型時，需經過“設計平面結構圖－輸出－手工試折成型－再修改”這樣一個復雜的循環，對異形盒設計的效率不高。此外，這些系統對異形盒設計適應性差，設計紙盒平面結構和渲染紙盒三維效果仍然是分別進行，二者之間由手工打樣相互聯系。

針對目前異形盒設計中存在的問題和難點，本研究沒有采用現有的設計方法對盒型庫進行擴展或對某種盒型參數化做完善，而是基于立體構成原理，從可視化模擬設計過程的角度來有效優化異形盒設計，開發出實現圖形交互設計和紙面的構成交互操作，能產生渲染紙盒三維效果的異形盒交互設計系統。

1 紙盒的立體構成原理

紙盒設計中，多數盒形的形態設計都可以歸結為立體構成中的形態或變化體。立體構成與異形盒設計的關系如圖1所示，本研究確立設計目的是異形盒設計及可視化研究，然后可以由立體構成元素和機理出發，以異形盒立體形態成型為最終目的，貫穿研究對象——紙面的特殊性原則展開二維平面和三維空間的研究。對于一些個性化的異形盒型，運用立體構成手法使其具有設計的美感[2]。

紙作為平面材料，有良好的折疊、彎曲、切割等可塑性[3]。由紙材料到異形盒的立體構成過程包含：紙的立體化，將紙做折疊處理，這是紙的初步立體化；半立體構成，在平面材料上進行立體化加工，使平面材料在視覺和觸覺上有立體感；面立體構成，通過面的層排（面材的層層堆積重疊或通過排列間距的變化）和柱式（把平面的面材圍繞中心軸進行折疊或彎曲并把起始邊沿粘接在一起）構成。

圖1 立體構成與異形盒設計的關系

紙面由二維到三維的立體構成包含：紙面的空間分割，通過彎折的變形方法改變平面與立體的關系，或通過排列的形式形成由一個固定面延展而成的形體，或由固定面運動形成的變化體；折疊與折痕，紙面的折疊方法有連折、壓折、集中―角折、對折等，其以折痕劃分面與面的界限；切刻鏤空，在紙面上形成各種圖案和圖形；壓橫與彎曲，壓橫使紙面出現凹凸效果，旋轉彎曲使得到圓錐面、圓柱面等回轉面。

異形盒設計中的構成因子有：立體形態在三維空間中的體量感；立體構成對象的運動形式；立體所特有的光影效果和材料。

基于立體構成原理的異形盒設計有基于折疊的異形盒設計，圖2為截面異形的異形盒，通過折疊角的變化實現截面異形，如通過成型角α、β 的變化，使產生棱柱的異形體。圖3為體板異型盒，通過體板的斜、曲線設計和反撳設計技巧，實現紙盒的異型設計；有基于裁切的異形盒設計，圖4為異形盒提手、開窗等部分采用了裁切的異形設計，封蓋部位以立體結構代替平面盒蓋結構；還有折疊與裁切結合的異形盒設計，能產生很多異形變化的特殊異形盒種類。

圖2 通過折疊成型角的六棱柱變異

2 異形盒交互系統的設計

使用OpenGL在Visual C++6.0平臺上開發出基于紙面的立體構成的異形盒交互設計系統PackCAD。

圖3 體板異形

圖4 封蓋異形

在PackCAD系統中，應用立體構成的原理，設計了異形盒設計的常用單體（基本體）：三棱柱、三棱錐、四棱臺等。由于異形盒是基于紙面為構成元素，各單體可以展開和還原。

2.1 系統的功能框架

異形盒設計系統實現的功能主要有：異形盒平面結構設計，包括紙盒平面結構設計和結構修改，可以進行多種圖元的繪制以及對圖元在二維平面的幾何變換操作、裁剪鏤空等修改；視圖設置，包括坐標軸網格顯示、平面－立體(2D-3D)視圖切換、背景圖案和顏色設置等；場景渲染，包括盒平面貼圖模式選擇、貼圖設置、燈光效果設置等；動畫演示，包括紙面圖元動作順序設定、翻轉軸設定和旋轉角度設定、自動翻折的幀動畫演示等。系統功能框架圖如圖5所示。

圖5 系統功能框架圖

2.2 系統的設計流程

系統面向的主體用戶是異形盒設計人員或薄片類包裝設計人員，目的是使用戶通過PackCAD系統來進行可視化的交互創作，并得到一個初步三維場景效果，觀察紙盒的立體成型造型和對紙盒的平面旋轉進行模擬仿真演示，并輸出結果，為異形盒盒型打樣提供重要依據。系統的設計流程如圖6所示。

系統的特點是：2D盒面片結構設計環節中，不限于長、寬、高的盒型參數修改，而是可以自由設計紙盒面片結構；改進了傳統紙盒CAD系統按照預折方式來進行三維打樣的慣例，可以通過設定紙盒面片的折疊順序，并隨時返回修改，增加了異形盒構成設計創新的靈活性；2D與3D相互轉換的同步設計交互環節，實現了二維與三維空間模式的切換，真正起到了實時反映設計過程的作用；將一般CAD系統的設計改進為“設計紙盒平面結構圖形→以紙面圖元為基礎進行修改操作→實時觀察3D盒型效果←→交互修改紙面成型→滿意輸出”，具有可視化，提高了異形盒的設計效率。

2.3 系統的操作界面

PackCAD系統操作界面如圖7所示，系統采用了常用的軟件交互界面格式，設計了下拉式菜單、快捷工具欄、輔助狀態欄、動作設置面板等易操作的交互對象，使得系統交互界面友好、可操作性強。

對于翻折動畫演示過程的設計是本系統交互界面設計的重點。基于異形盒2D結構的特殊性，即X-Y視場中紙盒結構元素之間的相連接關系和X-Z-Y視場中紙面折疊的層級關系，設置了手動“折疊控制面板”，以便在動作屬性設置窗體中方便用戶對紙面元素ID、旋轉角度的修改，并觀察場景2D-3D間的切換。

圖6 系統設計流程

圖7 系統操作界面

圖8所示為一個帶有曲線和鏤空效果裝飾，并經貼圖和渲染的異形盒設計應用實例。

圖8 異形盒折合過程的實例

3 結 論

本研究開發了異形盒交互設計的 PackCAD系統，PackCAD系統實現了以立體構成原理為特色的異形盒折疊、裁切設計的仿真模擬；具有友好的人機交互的界面，功能模塊劃分明確，工具欄的圖標直觀，用戶在進行設計操作時可在狀態欄中獲得軟件的反饋信息。PackCAD系統與現有的紙盒CAD軟件相比，在設計中具有較強的交互功能及可視化，可使用戶更具體地了解異形盒的設計過程，提高了設計效率。

[1]姜東升, 許文才. 異形折疊紙盒的數學模型設計[J].包裝工程, 2007, 28(9): 61- 62.

[2]朗 昆. 周 婷. 立體構成[M]. 上海: 東華大學出版社, 2006: 28-55.

[3]宋寶峰, 宋冀生. 包裝容器結構設計與制造[M]. 北京: 印刷工業出版社, 2004: 17-65.