專利名稱：一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于包裝CAD(計算機輔助設(shè)計)中盒型結(jié)構(gòu)的圖形設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法。
背景技術(shù)：
在包裝印刷工業(yè)的早期沒有專業(yè)的盒型結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，人們通常使用一般的圖形設(shè)計軟件進行包裝盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計，比如市面上通用的AutoCAD、Illustrator、Freehand等圖形設(shè)計軟件系統(tǒng)。由于包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計的專業(yè)性，包裝盒型的平面結(jié)構(gòu)存在著較為復(fù)雜的幾何約束關(guān)系，這些軟件系統(tǒng)存在很大的弊端，通用的作圖工具不能夠完全滿足盒型結(jié)構(gòu)的繪制。隨著包裝計算輔助設(shè)計(CAD)的發(fā)展，專業(yè)的包裝盒型CAD軟件出現(xiàn)，使得包裝盒的設(shè)計和生產(chǎn)過程的效率明顯提高，但是包裝CAD領(lǐng)域目前仍然面臨著一個難題就是如何快速有效地檢驗盒型的正確性，以及確認平面盒型結(jié)構(gòu)能否成型。一般容易想到的做法就是將盒型結(jié)構(gòu)進行打樣輸出或者實際模切，然后進行手工折疊，經(jīng)過檢驗后，如果盒型結(jié)構(gòu)錯誤或者成型形狀不夠理想都要重新進行設(shè)計，并重復(fù)前面的過程，從而給實際的包裝印刷的生產(chǎn)帶來了很大的不便。為此基于通用圖形設(shè)計軟件系統(tǒng)或者專業(yè)包裝CAD系統(tǒng)上開發(fā)的三維演示插件應(yīng)運而生，這在一定程度上解決了二維平面盒型拓撲結(jié)構(gòu)的三維顯示問題，從而使盒型結(jié)構(gòu)設(shè)計者能夠?qū)崟r看到盒型的三維成型。
包裝盒型結(jié)構(gòu)設(shè)計中有一類線條叫做折疊線(crease)，在實際盒型生產(chǎn)過程中這條線做壓痕處理而不是進行切割，沿此線進行折疊便可以實現(xiàn)盒型的實際成型。為了模擬盒型的成型，在三維演示中需要給折疊線設(shè)置一定的折疊角度，常用的盒型結(jié)構(gòu)中，折疊線的角度都是90度。但是，商品種類的不斷豐富，人們對于包裝盒型的要求也越來越高，除了使用性考慮外，更注重盒型外觀設(shè)計的美感和獨特性，因此一些特殊盒型拓撲結(jié)構(gòu)越來越多，比如典型的斜線盒，而在這類盒型結(jié)構(gòu)中折疊線的角度不再是默認的90度，而是一個特殊角度，甚至角度值有可能為一實數(shù)，此時盒型結(jié)構(gòu)的三維演示中，通常的默認角度即90度設(shè)置不能夠正確成型，對于此種情況，當(dāng)然可以通過手工對每條折疊線的角度進行修改，但是稍微復(fù)雜一點的盒型通常需要進行幾十個角度的設(shè)置和修改，手工輸入的方法顯然工作效率比較低，并且設(shè)置的角度不夠準確；更為突出的問題是，盒型結(jié)構(gòu)跟包裝盒的長、寬和高有密切關(guān)系，這三個因素完全可以決定盒型的實際成型，當(dāng)它們發(fā)生變化時，每條折疊線的折疊角度通常是變化的，并且變化方式不是線性的，很難弄清其變化規(guī)律，在這種情況下，手工輸入和修改折疊線折疊角度的做法更是行不通。
為此需要尋找新的辦法來解決特殊盒型結(jié)構(gòu)的折疊線角度設(shè)置問題，以滿足此類盒型三維演示時折疊角度設(shè)置的數(shù)值準確性和操作自動化，從而保證包裝盒準確成型；當(dāng)包裝盒的尺寸發(fā)生變化時可以方便快捷地計算變化后的折疊線的折疊角度，從而實現(xiàn)折疊角度的參數(shù)化和平面盒型結(jié)構(gòu)實時三維立體顯示的效果，真正提高包裝CAD中盒型結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是針對包裝CAD盒型結(jié)構(gòu)設(shè)計中三維成型演示的缺陷，提出一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法，該方法能夠解決特殊盒型結(jié)構(gòu)進行三維成型演示時折疊線角度的準確性問題，從而保證三維演示時的正確成型。本發(fā)明的另一目的是該方法能夠根據(jù)包裝盒的尺寸大小自動計算折疊角度，避免了大量的手工操作；基于盒型結(jié)構(gòu)參數(shù)化技術(shù)彌補了折疊角度參數(shù)化的缺陷，保證盒型結(jié)構(gòu)在尺寸上改變時能夠自動計算變化后的折疊線的折疊角度，在準確性和快速性的前提下，避免了很多的重復(fù)性勞動，從而進一步提高了盒型結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的三維演示的工作效率，很大程度上節(jié)約了企業(yè)的生產(chǎn)成本。
為達到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法，包括以下步驟(1)設(shè)計包裝盒型的二維平面拓撲結(jié)構(gòu)，并指定折疊線集合；(2)建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系，并將得到的數(shù)學(xué)公式作為折疊線的一個屬性設(shè)置進行存儲；(3)在三維成型演示模塊中，讀出每條折疊線的折疊角度公式，并根據(jù)當(dāng)前包裝盒的尺寸數(shù)據(jù)計算出折疊線的折疊角度數(shù)值，然后進行立體顯示。
更進一步，為使本發(fā)明具有更好的效果，步驟(2)中建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系時，折疊線的折疊角度是關(guān)于包裝盒的長、寬和高的一個函數(shù)，折疊角度為任意實數(shù)。
更進一步，為使本發(fā)明具有更好的效果，步驟(2)中建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系即折疊角度公式時，同一類型盒型的不同種類的折疊線的折疊角度公式不同，不同類型盒型的折疊線的折疊角度公式不同。
更進一步，為使本發(fā)明具有更好的效果，步驟(2)中建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系即折疊角度公式時，折疊線的折疊角度可以手動設(shè)置數(shù)值，以便查看盒型折疊過程的中間狀態(tài)。
本發(fā)明的效果在于采用本發(fā)明所述的方法，可以有效地解決二維平面空間內(nèi)特殊盒型結(jié)構(gòu)的三維準確成型問題，建立了折疊角度跟包裝盒尺寸大小之間的關(guān)系，從而實現(xiàn)了折疊角度的參數(shù)化，當(dāng)包裝盒尺寸發(fā)生變化時可以很快計算變化后的折疊角度。同時，本發(fā)明可以將折疊角度的自動計算跟手工調(diào)整結(jié)合在一起，達到實時交互的效果。因此，本發(fā)明所述方法實現(xiàn)簡單，適用于包裝CAD專業(yè)設(shè)計軟件和通用的圖形設(shè)計軟件中集成開發(fā)，提高企業(yè)的工作效率，節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本。


圖1是兩個平面的夾角示意圖；圖2是一個二維平面盒型結(jié)構(gòu)拓撲示意圖；圖3是圖2的三維立體演示圖；圖4是圖2的三維自定義角度立體演示示意圖；圖5是圖2的二維平面盒型結(jié)構(gòu)中高度增加一倍后的盒型示意圖；圖6是圖5的三維立體演示圖；圖7是本發(fā)明所述方法的整體流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述如圖7所示，一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法，包括以下步驟(1)首先在包裝CAD專業(yè)軟件中設(shè)計盒型的二維平面拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，實線部分為切割線，虛線部分即為所述的折疊線。線段MN是其中的一條折疊線，其標識為Crease1。每條折疊線的折疊角度實際上就是與該折疊線相鄰的兩個平面的夾角，所以下面先簡單介紹一下兩個平面夾角的計算方法。
根據(jù)空間解析幾何理論，不在同一直線上的三個點確定一個平面，兩平面的法向量的夾角即為兩平面的夾角。在兩平面上，分別選取不共線三個點，求出兩平面的法向量；計算這兩個法向量所形成的夾角，此夾角即為折疊線的折疊角度。計算平面夾角的具體分析過程如下如圖1所示，設(shè)平面II1和平面II2的法向量依次為n1＝(A1，B1，C1)和n2＝(A2，B2，C2)其中，A1，B1，C1分別是法向量n1在X，Y，Z三個坐標軸上的分量；A2，B2，C2分別是法向量n2在X，Y，Z三個坐標軸上的分量。
由上所述，平面II1和平面II2的夾角θ應(yīng)該等于向量n1和向量n2的夾角。
根據(jù)兩向量夾角計算公式，從而得到兩平面夾角公式cos(θ)=|A1*A2+B1*B2+C1*C2|A1*A1+B1*B1+C1*C1*A2*A2+B2*B2+C2*C2---(1)]]>θ=arcos(|A1*A2+B1*B2+C1*C2|A1*A1+B1*B1+C1*C1*A2*A2+B2*B2+C2*C2)---(2)]]>在平面II1和平面II2上選取4個點，分別為P1(x1，y1，z1)，P2(x2，y2，z2)，M(x3，y3，z3)，N(x4，y4，z4)。
其中點M和點N為平面II1和II2的公共點，并且P1和P2都不在線段MN上。
則向量 和 分別表示為(x4-x3，y4-y3，z4-z3)、(x1-x3，y1-y3，z1-z3)和(x2-x3，y2-y3，z2-z3)。
平面II1上的法向量n1為n1=(A1,B1,C1)=MN→×MP1→]]>=(x4-x3,y4-y3,z4-z3)×(x1-x3,y1-y3,z1-z3)]]>=ijkx4-x3y4-y3z4-z3x1-x3y1-y3z1-z3]]>=iA1+jB1+kC1---(3)]]>其中A1＝(y4-y3)*(z1-z3)-(y1-y3)*(z4-z3)；B1＝-(x4-x3)*(z1-z3)+(x1-x3)*(z4-z3)；C1＝(x4-x3)*(y1-y3)-(x1-x3)*(y4-y3)；同理，平面II2上的法向量為
n2＝(A2，B2，C2)＝iA2+jB2+kC2；其中A2＝(y4-y3)*(z2-z3)-(y2-y3)*(z4-z3)；B2＝-(x4-x3)*(z2-z3)+(x2-x3)*(z4-z3)；C2＝(x4-x3)*(y2-y3)-(x2-x3)*(y4-y3)；將n1＝(A1，B1，C1)和n2＝(A2，B2，C2)代入公式(1)和公式(2)便可獲得平面II1和II2的夾角θ。
(2)建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系，并將得到的數(shù)學(xué)公式作為折疊線的一個屬性設(shè)置進行存儲。如圖2所示的二維平面盒型拓撲結(jié)構(gòu)中，盒型的長、寬和高分別設(shè)為L、W和H，由于該盒型的對稱性，盒型的長度和寬度相等，即L＝W。接下來介紹Crease1的折疊角度計算過程將圖2所示的二維平面盒型拓撲結(jié)構(gòu)進行三維空間建模。M和N為平面a和平面b的公共點，由前面的敘述可知，分別在平面a和平面b上選取不在線段MN上點P1和P2后，通過計算兩個平面的法向量即可求出平面的交角，進而得到折疊線Crease1的折疊角度。以M點為坐標系原點建立空間坐標系， 方向為坐標系x軸的正方向， 方向為坐標系y軸正方向，垂直向上為坐標系z軸的正方向。
因此點M、N、P1和P2的坐標分別為P1(-2-12*L,L2,H*H-3-224L*L);P2(L,0,0);]]>M(0,0,0);N(L2,-2-12*L,H*H-3-224L*L);]]>從而由公式(3)計算出平面a面的法向量n1＝(A1，B1，C1)，其各分量為A1=(-2-12*L)*H*H-3-224L*L-L2*H*H-3-224L*L]]>=(-22*L)*H*H-3-224L,L;]]>
B1=-(L2)*H*H-3-224L*L+(-2-12*L)*H*H-3-224L*L]]>=(-22*L)*H*H-3-224L*L;]]>C1=(L2)*L2-(-2-12*L)*(-2-12*L)]]>=2-12*L*L;]]>同樣得到平面b的法向量n2＝(A2，B2，C2)，其各分量為A2=(-2-12*L)*0-0*H*H-3-224L*L]]>=0]]>B2=-(L2)*0+L*H*H-3-224L*L]]>=L*H*H-3-224L*L]]>C2=(L2)*0-L*(-2-12*L)]]>=2-12*L*L]]>將法向量n1和n2的各分量分別代入公式(2)得；θ=arcos(|A1*A2+B1*B2+C1*C2|A1*A1+B1*B1+C1*C1*A2*A2+B2*B2+C2*C2)]]>
=arcos(|(2-2)*L*L8*H*H-22|)]]>通過下面的公式將弧度轉(zhuǎn)換為角度Angle=arcos(|(2-2)*L*L8*H*H-22|)*180/π---(4)]]>由公式(4)可以看出折疊線Crease1的折疊角度跟盒型的長、寬和高有關(guān)系，將此公式存儲在Crease1的屬性中。
(3)在三維成型演示模塊中，讀出每條折疊線的折疊角度公式，并根據(jù)當(dāng)前盒子的尺寸數(shù)據(jù)計算出折疊線的折疊角度數(shù)值，然后進行立體顯示。
將圖2所示的二維盒型結(jié)構(gòu)讀入三維演示模塊中，讀取每條折疊線的折疊角度公式，并根據(jù)當(dāng)前盒子的長、寬和高的設(shè)置計算具體的角度數(shù)值。該盒型的長、寬和高分別為36、36和80，單位為毫米(mm)。通過公式(4)可以算出折疊線Crease1的折疊角θ1＝46.189。依次計算出每條折疊線的折疊角度后進行三維演示，立體效果如圖3所示。
上述過程都是計算包裝盒子正常成型基礎(chǔ)上每條折疊線的折疊角度，而在三維立體演示模塊中，允許手工修改盒子中每條折疊線的折疊角度數(shù)值，如此可以查看盒型折疊過程中的中間狀態(tài)，從而達到實時交互的效果。如圖4即為圖2所示盒型折疊成型過程中的某一中間狀態(tài)，其中折疊線crease3、crease4和crease5的折疊角度分別為25、-36和-48。
由于盒型結(jié)構(gòu)中的每條折疊線的角度屬性中都存儲著角度計算公式，而該公式是關(guān)于包裝盒長、寬和高的方程，所以當(dāng)這三個變量發(fā)生變化時，折疊線的折疊角度可以很方便地計算出來，而不影響盒型的整體成型效果。圖5為圖2所示盒型尺寸發(fā)生變化后的效果，其相應(yīng)的長、寬和高分別為36、36和170，單位為毫米(mm)。此時通過公式(4)計算出變化后Crease1的折疊角度值為θ1＝45.265，盒型的三維立體成型效果如圖6所示。
由此可以看出通過本發(fā)明可以解決包裝盒的尺寸發(fā)生變化時重復(fù)計算折疊角度的問題，在保證折疊角度精確的前提下，提高了盒型設(shè)計的效率，從而真正地實現(xiàn)了盒型結(jié)構(gòu)中折疊線折疊角度的參數(shù)化。
上述步驟只是一個優(yōu)選的實施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員不難得出其他的實施方法而不違背本發(fā)明的總體思想。
其中平面之間的夾角可以通過初等數(shù)學(xué)的空間幾何知識求得從兩個面的交線向兩個平面引出兩條垂線段，它們之間的夾角即為兩平面的夾角。
其中盒型結(jié)構(gòu)中某些折疊線的折疊角度是一個定值，可能不依賴于盒型的長、寬和高的限制，例如盒蓋上的防塵襟片一般的默認角度都是90度，此時角度公式中存儲的為一定值。
其中可以選取二維平面中盒型拓撲結(jié)構(gòu)的其他點為坐標系的原點，建立不同的空間數(shù)學(xué)模型。
其中盒型結(jié)構(gòu)中的折疊角度公式作為折疊線的一個屬性存儲在盒型的物理介質(zhì)數(shù)據(jù)文件中，可供隨時讀取進行三維演示。
其中帶有折疊線角度公式的盒型結(jié)構(gòu)放在專門的盒型庫中，并且該庫可以隨意進行擴充。
其中二維平面盒型結(jié)構(gòu)可以通過常用的圖形軟件系統(tǒng)設(shè)計得到。
權(quán)利要求
1.一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法，包括以下步驟(1)設(shè)計包裝盒型的二維平面拓撲結(jié)構(gòu)，并指定折疊線集合；(2)建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系，并將得到的數(shù)學(xué)公式作為折疊線的一個屬性設(shè)置進行存儲；(3)在三維成型演示模塊中，讀出每條折疊線的折疊角度公式，并根據(jù)當(dāng)前包裝盒的尺寸數(shù)據(jù)計算出折疊線的折疊角度數(shù)值，然后進行立體顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法，其特征是步驟(2)中建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系時，折疊線的折疊角度是關(guān)于包裝盒的長、寬和高的一個函數(shù)，折疊角度為任意實數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法，其特征是步驟(2)中建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系即折疊角度公式時，同一類型盒型的不同種類的折疊線的折疊角度公式不同，不同類型盒型的折疊線的折疊角度公式不同。
4.如權(quán)利要求1所述的一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法，其特征是步驟(2)中建立二維平面盒型結(jié)構(gòu)的立體數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造折疊線的折疊角度與包裝盒的長、寬和高的關(guān)系即折疊角度公式時，折疊線的折疊角度可以手動設(shè)置數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特殊盒型結(jié)構(gòu)的計算機三維演示方法，屬于包裝CAD中盒型結(jié)構(gòu)的圖形設(shè)計領(lǐng)域。現(xiàn)有技術(shù)中，圖形設(shè)計軟件進行包裝盒型的三維演示時，常用盒型的折疊線的折疊角度都是90度，此時都能正確演示，但是特殊盒型拓撲結(jié)構(gòu)如典型的斜線盒，其折疊角度是特殊角度，此時盒型結(jié)構(gòu)的3D演示中，通常默認的90度設(shè)置不能夠正確成型。本發(fā)明所述的方法建立了折疊角度跟包裝盒尺寸大小之間的關(guān)系，從而實現(xiàn)了折疊角度的參數(shù)化。采用本發(fā)明所述的方法，解決了特殊盒型結(jié)構(gòu)進行三維成型演示時折疊線折疊角度的準確性問題，保證了三維演示時的正確成型，同時，本發(fā)明可以將折疊角度的自動計算跟手工調(diào)整結(jié)合在一起，達到實時交互的效果。
文檔編號G06F17/50GK1702662SQ20051008412
公開日2005年11月30日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者亓文法, 盧書一 申請人:北京北大方正電子有限公司, 北京大學(xué)