1、三维设计与创意选择性必修5三维设计与创意普通高中教科书上海科技教育出版社选择性必修 5信息技术信息技术普通高中教科书信息技术信息技术上海科技教育出版社PUTONG GAOZHONG JIAOKESHUXINXIJISHU普通高中教科书信息技术选择性必修5三维设计与创意上海科技教育出版社有限公司出版发行（上海市闵行区号景路159弄A座8楼邮政编码201101）湖南省新华书店经销湖南长沙鸿发印务实业有限公司印刷开本89012401/16印张6.252021年1月第1版2021年12月第3次印刷ISBN 978-7-5428-7414-6/G4352定价： 8.15元批准文号： 湘发改价费 2017
2、 343号举报电话： 12315ISBN 978-7-5428-7414-69 787542 874146此书如有印、 装质量问题， 请向印厂调换印厂地址： 长沙黄花印刷工业园三号电话： 0731-82755298此书如有印、 装质量问题， 请向印厂调换印厂地址： 长沙黄花印刷工业园三号电话： 0731-82755298ISBN 978-7-5428-7414-69 787542 874146普通高中教科书上海科技教育出版社信息技术三维设计与创意选择性必修 5编写人员名单主 编：.郑 骏.分册主编：.郑明达主要编写人员（以姓氏笔画为序）：王爱松 汤 洁 杜文彪沙 金 范小莉 鲍贤清欢迎广大师生
3、来电来函指出教材的差错和不足，提出宝贵意见。上海科技教育出版社地址： 上海市闵行区号景路 159 弄 A 座 8 楼邮政编码：联系电话：邮件地址： 201101021-亲爱的同学：不知道你是否留意，生活中我们听到“三维”“3D”“立体”等词语的频率越来越高。是的，三维设计已走进了我们的生活：从立体的玩偶到 3D 电视节目，从立体电影到虚拟现实的游戏这一切，背后都离不开三维设计。在三维设计与创意的学习过程中，我们将带领你了解基于数字技术进行三维图形和动画设计的基本思想与方法，并通过学习与生活的实例来体验三维设计工作，还能让你尝试把自己的创意融入三维作品的设计中，感受利用数字技术进行三维创意设计与
4、发布的基本过程与方法。为了让你在学习 三维设计与创意 的过程中获得更大的成功，请浏览本书的栏目介绍。 单元引言、学习目标和单元挑战从生活经验出发引入本单元将要学习的内容，提出本单元学习要达成的学习目标，预告学习完本单元后要接受的单元挑战。 项目引言和学习目标描述项目产生的背景和意义，介绍项目学习的主要内容，并提出一些具体问题，引导你带着问题探究。 项目学习指引 通过剖析真实的项目实施过程，帮助你了解学科思想方法，理解相关概念，掌握具体技能。解释一些重要概念和术语，或提示相关知识和技术，帮助你抓住重点，扫除认知障碍。核心概念和小贴士写给学生的话提出若干问题，引导你对技术背后的原理以及人、信息技术
5、与社会的关系等进行思考和讨论。引导你利用网络、数字化工具和数字资源进行学习。提出活动任务，并引导你运用所学知识，使用信息技术工具进行探究、总结和展示。系统整理和归纳本项目的知识要点，方便你学习。补充更丰富的阅读材料，开阔你的视野。布置面向真实情境的项目任务，希望你综合运用本单元所学的知识与技能去解决问题。用思维导图可视化呈现本单元的知识脉络，提供基于学科核心素养的评价表，对你的学习表现进行自我评价。在学习过程中，希望你勤实践体验、多思考讨论，借助各种数字化工具、资源进行学习与创新，不仅要理解和掌握具体的信息技术知识与技能，还要把握用信息技术解决问题的思想方法，并思考将信息技术应用于社会时所引发
6、的各种挑战，以开放、包容的心态与信息技术、信息社会一起进步。编 者单元挑战拓展阅读知识链接活 动数字化学习单元小结?思考与讨论?第一单元 身边的三维设计.1项目一 探究身边的三维设计及相关技术认识生活中的三维设计 .21. 认识三维及三维设计. .32. 了解三维设计及其相关技术 .43. 认识三维设计对社会的影响 .6知识链接 .8单元挑战 制作自己的姓名章 .13单元小结 .14第二单元 三维图形的创建与优化.15项目二 创建马克杯模型体验基本体的建模 .161.项目需求分析 .172.了解基本体建模的方法 .183.熟悉三维设计软件的基本操作 .204.设计制作马克杯模型 .23知识链接
7、 .25项目三 创建餐桌模型通过二维图形建模 .271.了解通过二维图形建模的常用方法 .282.设计制作餐桌模型 .333.发布作品 .36知识链接 .37项目四 制作餐桌产品宣传彩页优化三维图形 .401.了解优化三维模型的一般流程和方法 .412.优化餐桌模型 .473.设计制作餐桌产品宣传彩页 .49知识链接 .49单元挑战 设计制作立体班徽 .56单元小结 .57第三单元 三维动画的设计与创意.59项目五 撰写三维动画短片策划方案动画前期策划 .601.了解三维动画短片的策划 .612.构思三维动画短片的剧本 .62目 录3.设定动画 .65知识链接 .68项目六 制作三维动画短片动
8、画中期制作 .731.了解三维动画制作的基本知识 .742.了解摄影机工具 .753.体验制作三维动画 .77知识链接 .80项目七 发布评价三维动画作品动画后期完善与合成 .831.了解并学习使用三维设计软件中的修改器 .842.完善并发布自己的三维动画作品 .863.了解三维动画作品的评价鉴赏方法 .87知识链接 .89单元挑战 设计三维动画公益广告 .91单元小结 .92附录 部分名词术语中英文对照.93第一单元 身边的三维设计三维设计作为一种让设计更立体化、 更形象化的新兴设计方法， 已风行于各个领域。影视世界里 , 从科幻的外太空， 到气势恢宏的紫禁城； 工业生产中， 从飞机、 轮船
9、的设计， 到随手把玩的手机小挂件； 医疗技术中， 从真人的三维建模， 到私人订制的骨骼模型这一切都是人类在表达三维信息、 创设三维作品上的高超表现。在本单元中， 你将走进三维设计的世界， 感受三维设计带来的创意和魅力， 领略更多关于三维设计的发展历史和趋势， 了解计算机三维设计及相关技术在生活中的应用情况及对人们的学习、 生活、 工作带来的影响。认识三维设计及相关技术在数字化信息环境中的普遍性和广泛应用描述三维设计及相关技术的现状和发展趋势，以及对人们生产、 生活、 学习的影响学习目标制作一个自己的姓名章模型单元挑战项目一项目学习目标在本项目中， 我们将探究一下身边的三维设计及相关技术。完成本
10、项目学习， 须回答以下问题：1. 什么是三维？它与二维有什么区别？2. 身边有哪些三维设计及相关技术？3. 三维设计及相关技术给人们的生活、 工作、 学习带来了什么变化？4. 三维设计的发展趋势有哪些？当今世界， 新技术层出不穷。人们在生活中不但感受到了各种新技术带来的体验， 同时也接触到了越来越多的新技术名词。三维设计及相关技术便是一例， 各种关于三维的名词扑面而来， 如 3D 打印、 三维室内设计、 三维电影、3D 游戏探究身边的三维设计及相关技术认识生活中的三维设计3D 打印三维室内设计三维电影3D 游戏图 1-1 生活中的三维设计及相关技术项目学习指引本项目是探究身边的三维设计及相关技
11、术， 可从三个方面来探究， 一是认识三维及三维设计的概念， 二是了解三维设计及相关技术， 三是认识三维设计对社会的影响。1. 认识三维及三维设计（1） 描述三维的概念“三维” 在英文中表示为 3-dimensional， 简称 3D。所以，生活中人们口语所称的 “三维” “立体” “3D” 表示的是同一个意思。“三维”中的“维”是几何学和空间理论的一个基本概念。人们把构成空间的每个要素， 称为 “维” 。三维表示的是由三个要素构成的空间。活 动1.2 二维是指长度和宽度两个要素的空间， 亦称为平面空间。在几何学中， 平面空间一般由相互垂直的 X 轴和 Y 轴构成。根据对二维的定义， 结合几何学
12、知识， 尝试描述什么是三维。三维是指 活 动1.1 根据本项目所要探究的三个方面的内容， 列出其中所要解决的疑惑和问题，并将它们画成思维导图， 指导之后开展的项目学习。3第一单元 身边的三维设计三维设计与创意4活 动1.3 通过光盘或网络， 观看利用三维设计软件制作一个姓名章模型的视频， 感受通过人机交互方式生成人为控制下的物体三维模型的方法。1.4 通过网络寻找支持 “照片建模” 的开源软件或免费软件， 配上简易设备， 完成一件生活用品的建模， 体验利用二维投影恢复物体三维信息 （形状等） 的数学过程和计算机技术。2. 了解三维设计及其相关技术（1） 了解三维设计及其相关技术与 CAD 的关
13、系三维设计及其相关技术源自计算机辅助绘图技术（Computer Aided Drafting， 缩写为 CAD） 。随着计算机软硬件技术的发展及工业生产制造的需要， 人们逐步地认识到， 单纯使用计算机辅助绘图不能满足生产制造的需要， 人们真正需要的是利用计算机辅助设计制造整个产品， 它包括产品的构思、 功能设计、 结构分析、 装配演示、 加工制造等各个方面。于是 CAD 的缩写词改为 Computer Aided Design， CAD 不再指辅助绘图， 而是指整个产品的辅助设计。本课程所称的三维设计及其相关技术的内涵比工业生产中的计算机辅助设计更为广泛， 覆盖了所有领域中使用计算机及相关设备
14、对三维对象进行设计、 生产、 管理的技术。（2） 了解什么是三维设计计算机技术的迅猛发展， 使得人们生活、 工作的方方面面都离不开计算机。在设计制造领域， 计算机同样发挥着重要的作用。人们利用三维设计及其相关技术， 产生各种各样的新创意， 生产各式各样的新产品。三维设计及其相关技术是研究在计算机内进行空间三维形体的表示、 存储和处理的技术。其中如何在计算机内生成一个三维物体的表示是关键的一环。在计算机内生成物体三维表示主要有两类方法。一类是使用几何建模软件通过人机交互生成人为控制下的物体三维几何模型， 它们一般使用具有数学表达式的曲线曲面表示几何形状。另一类是指利用二维投影恢复物体三维信息 （
15、形状等） 的数学过程和计算机技术。核心概念三维设计（three di-mensional design） 是利用计算机以及图形处理技术来构造物体的三维几何形状， 模拟物体的动、静态处理过程的技术。第一单元 身边的三维设计5参见 p8 知识链接 “线框模型、表面模型和实体模型的基本原理”（2） 了解几何造型技术客观世界中的物体都是三维的， 要在计算机中真实地描述和显示客观世界中的三维物体是计算机图形学研究的重要内容。计算机几何造型 （geometric modeling） 技术就是研究用计算机系统来表示、 控制、 分析和输出三维形体 （描述物体的几何信息和拓扑信息） 的技术。它的主要作用包括：
16、形体的输入， 即把形体从用户格式转换成计算机内部格式。 形体数据的存储和管理。 形体的控制，如对形体进行平移、缩放、旋转等几何变换。 形体的修改， 如应用运算操作实现对形体局部或整体修改。 形体的分析， 如形体的容差分析、 物质特性分析等。 形体的显示输出， 如消隐、 光照、 颜色的控制等。 询问形体的属性及其有关参数。（3） 了解三维形体是如何表示的三维形体的表示有两种常用的模型： 一是数据模型 （data model） ， 二是过程模型 （process model） 。数据模型完全以数据进行描述。描述的通常是欧氏几何所能描述的规则物体。例如： 以顶点表示的立方体、 以球心和半径表示的球。
17、它一般用于规则形体的建模， 以数据文件的形式存在。从发展时间来看， 数据模型先后经历了线框模型 （wire frame model） 、 表面模型 （surface model） 、 实体模型（solid model） 等发展过程。过程模型以一个过程和相应的控制参数进行描述。描述的通常是不规则的自然景物。例如： 用一些控制参数和一个生成规则描述的植物。它一般用于不规则形体的建模， 以一个数据文件和一段代码的形式存在。活 动1.5 通过网络， 了解 CAD 的发展历程， 回答以下问题。（1） 什么时候起， 人们开始用计算机辅助绘图？（2） 设计者用图形方式和计算机进行交互发生于什么时候？标志是什
18、么？（3） 你知道哪些 CAD 软件？哪些具备三维设计的功能？分别应用于什么领域？图 1-2 形体的表示三维设计与创意6活 动1.6 通过网络， 了解数据模型的发展历程， 回答以下问题。（1） 线框模型、 表面模型和实体模型各有什么优缺点？（2） 现在又产生了哪些模型表示方法？活 动1.7 自己选择一个领域， 了解三维设计及相关技术在该领域中的应用情况。各小组汇总小组成员调查的情况， 将整理后的材料在班级中交流。3. 认识三维设计对社会的影响（1） 调查三维设计在人们工作生活中的应用在当前信息技术高速发展的背景下， 三维设计及相关技术在数字化环境中得到快速发展及广泛应用， 尤其在人们熟知的影视
19、娱乐领域， 各种角色、 场景栩栩如生地呈现在人们眼前， 各种特技效果达到了以假乱真的境地， 丰富了人们的想象空间， 为人们的生活增添了鲜活的色彩。实际上， 除了大家熟知的影视娱乐领域， 三维设计及相关技术在很多行业的数字化环境中都有大量的使用。 例如在工业生产领域， 以首架自主知识产权的支线飞机ARJ21 的设计为例， 成都飞机工业 （集团） 有限责任公司首次大规模地将数字化三维设计应用到 ARJ21 的机头上。他们利用三维设计软件， 建立整机的三维数字化模型， 使每个零件在飞机坐标系下都有一个三维坐标， 技术人员在安装零部件时可以清晰地看到每个零部件所在的位置。再如医疗卫生领域， 以 CT
20、三维重建技术为例， 它是指在普通常规 CT 扫描后， 利用采集的数据， 进行薄层后重建，将薄层后重建取得的影像资料， 采用三维重建软件， 取得一个立体图像， 即仿真人体骨质。这项技术把过去常规 X 光平面二维图像， 变成立体三维表现， 看起来更加逼真。在诊断骨折时， 可旋转移动图像， 多角度、 多方位观察病变部位， 还可利用切割过滤技术， 去除衣物、 床面等杂物及重叠处皮肤，使病变处清晰显示。图 1-3 采用三维设计软件设计的支线飞机 ARJ21 机头图 1-4 CT 三维重建第一单元 身边的三维设计7（2） 分析三维设计及相关技术对人们生活、 工作、 学习带来的影响三维设计及相关技术的发展为
21、人们当代生活注入了新鲜的活力， 使得我们的工作、 生活越发多姿多彩。以电影为例，三维影像作品与传统的二维视觉艺术作品相比， 体现了立体化、 形象化、 生动化、 直观化等特点。它通过三维的角色造型和三维的空间场景， 再配上仿真的表面材质、 灯光投影、动作表情及故事叙述， 为人们营造出一个栩栩如生的三维虚拟世界。自 1995 年第一部三维动画片上映以来， 画面效果可谓是越来越 “真实” ， 越来越丰富。三维设计及相关技术也从仅应用于卡通动画， 发展到完美替代真人电影中的各种角色和场景。未来， 随着三维设计及相关技术的发展， 以及增强现实 （Augmented Reality， AR） 技术和虚拟现
22、实 （Virtual Reality， VR） 技术等新技术的引入， 人们在内容可视化、 环境虚拟化、体验真实化方向上将开拓出更广阔更有想象力的空间。参见 p10 知识链接 “增强现实与虚拟现实”活 动1.8 以小组为单位， 通过网络问卷、 走访调查等多种方式， 了解一些行业中工作人员使用过哪些三维设计及相关技术， 并请他们谈谈运用这些技术对人们的影响及给行业带来的变革。1.9 通过前期的调查， 描述某个领域三维设计及相关技术的现状和发展趋势， 具体说明三维设计及相关技术给人们生活、 工作、 学习带来的影响。1.10 根据先前的学习和大家的交流， 归纳并展望三维设计及相关技术的未来发展趋势。行
23、业具体应用影响及变革教育医疗工程设计表 1-1 三维设计及相关技术对人们的影响及给行业带来的变革三维设计与创意8三维三维空间是指由长度、 宽度和高度三个要素所组成的空间， 亦称为立体空间。在几何学中， 立体空间由 X 轴、 Y 轴和 Z 轴组成。所以在空间概念上， 三维与二维的区别实际上就是立体与平面的区别。三维设计三维设计是利用计算机以及图形处理技术来构造物体的三维几何形状， 模拟物体的动、 静态处理过程的技术。它能将物体的形状及其属性 （颜色、 材质、 精度） 存储在计算机内， 形成该物体的三维几何模型， 这个模型是对原物体的确切的数学描述或是对原物体某种状态的真实模拟。这个模型能为各种不
24、同的后续应用提供信息， 如由模型生成数控加工刀具轨迹， 进行碰撞、 干涉检验等。它与二维设计相比， 是设计思想的变革。它不只是简单地将二维图纸的信息反映到三维数模中， 而是充分利用三维模型所具备的表现力， 去探索更便于用户理解且更具效率的设计信息表达方式。它是新一代数字化、 虚拟化、 智能化设计平台的重要基础。线框模型、 表面模型和实体模型的基本原理（1） 线框模型20 世纪 60 年代末， 人们开始研究用线框和多边形来构造、 表示三维实体， 这样的模型被称为线框模型。线框模型的特点是三维物体由它的全部顶点及边的集合来描述。这些顶点和边的数据可以产生任意视图， 视图间能保持正确的投影关系， 为
25、生产工程图带来了方便。如图 1-5 所示的长方体， 通过顶点表和棱线表来表示。棱线顶点号e112e223e334e441e556e667e778e885e915e1026e1137e1248表 1-3 棱线表顶点坐标值XYZV1001V2101V3111V4011V5000V6100V7110V8010表 1-2 顶点表图 1-5 线框模型知识链接第一单元 身边的三维设计9（2） 表面模型进入 20 世纪 70 年代， 随着贝赛尔算法的提出， 人们在用计算机处理曲面及曲线问题时变得可以操作， 产生了表面模型。它是以物体的各个表面为单位来表示其形体特征的。与线框模型相比， 表面模型多了一个面表，
26、 记录了边与面之间的拓扑关系。能实现面与面相交、 着色、 表面积计算、 消隐等功能， 擅长于构造复杂的曲面物体， 如模具、 汽车、 飞机等表面。（3） 实体模型实体模型与表面模型不同之处在于确定了表面的哪一侧存在实体这个问题。用有向棱边的右手法则确定所在面外法线的方向， 一般规定正向指向体外。如此只需将表面模型中的面表稍作改动即可确切地分清体内体外， 形成实体模型。表面棱线号F11234F2-5-6-7-8F3-1-10-5-9F4211610F5312711F6-4-9-8-12表面棱线号F11234F25678F311059F4211610F5312711F649812表 1-4 面表表
27、1-5 面表图 1-6 表面模型图 1-7 实体模型三维设计与创意10增强现实与虚拟现实增强现实是让不存在的物象和现实世界的图像融合在一起， 并把交互后的影像投射或投影到其他装置和介质上。它不仅能展现真实世界的信息，还能将虚拟的信息同时表达出来。如图 1-8 所示， 通过增强现实技术， 平板电脑上不仅能展现摄像头所摄取的现实场景， 还能同步呈现与杂志所介绍的鞋子相关的虚拟的鞋子影像及相关信息。这种虚与实相互补充、 无缝叠加的技术， 为人们提供了不同于日常感知、超越现实观感的体验。虚拟现实是仿真技术的一个重要方向， 是一种综合应用计算机图形学、 人机接口技术、传感器技术以及人工智能等技术， 制造
28、逼真的人工模拟环境， 并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知的高级的人机交互技术。利用虚拟现实技术制作的虚拟现实系统主要包括模拟环境、 感知、 自然技能和传感设备等方面。其中， 模拟环境指由计算机生成逼真的、 实时动态的三维立体场景。感知指系统所具备的感知能力， 除计算机图形技术所生成的视觉感知外， 还有听觉、 触觉、 力觉、 运动等感知， 甚至还包括嗅觉和味觉等， 也称为多感知。自然技能指由计算机来处理与人的头部转动、 眼睛转动、 手势或其他人体行为动作相适应的数据， 对用户的输入作出实时响应， 并分别反馈到用户的感觉器官。传感设备指三维交互设备。过去的人机界面要求人去适应计算机， 但使用虚
29、拟现实技术后， 人可以不必意识到自己在同计算机打交道， 而可以像在日常环境中处理事情一样同计算机交流。如图 1-9 所示， 人坐在家中的沙发上， 戴上虚拟现实眼镜后，就可能沉浸在虚拟的海洋环境中。三维设计及相关技术的发展趋势三维设计及相关技术在现今这个信息时代， 应用前景非常广阔， 多媒体产业中的各种娱乐游戏、 摄影动画、 网络技术等大型项目几乎都离不开它。随着三维设计及相关技术在影视、游戏和建筑设计中的应用， 无论是动漫游戏、 工业机械设计、 虚拟现实， 还是医疗诊治、 国防演习等潜在的应用领域， 都会对三维设计及相关技术产生极大的需求； 反过来， 在这些领域的应用也会推动它快速向前发展。展
30、望未来， 三维设计及相关技术的发展呈现以下特点：（1） 设计操作简便化未来三维设计及相关技术的发展将与计算机软硬件的发展紧密结合。随着硬件技术的飞速发展， 将开发出更为灵活的设计软件， 软件操作也将更为简便。人们通过指尖 （或触图 1-8 增强现实实例图 1-9 虚拟现实示意第一单元 身边的三维设计11摸笔） 在触摸屏上进行点击、 滑动等动作， 甚至仅仅是手势操作或者语音操作， 就可以方便地实现点、 线、 面的设计， 从而让工程师实现对产品的设计。随着虚拟现实技术的突破， 产品设计的门槛和设计难度还将极大地降低， 设计操作就如同玩橡皮泥一样简单。（2） 设计过程智能化未来的三维设计软件将融合知
31、识工程， 它不但能将设计规则、 设计标准等规则性知识集成在软件中， 而且能有效记录过往设计人员的设计过程， 完成设计过程知识的积累。后期设计人员在使用三维设计软件时， 既能高效地保证设计方案满足设计规则、 设计标准的要求， 又能使用早先积累的过程知识， 自动完成设计的构建。（3） 设计工作协同化未来的三维设计将采用协同化的工作方式。以三维数字技术为基础， 以三维设计软件为载体， 不同专业人员共同组成一个设计团队， 根据设计目标， 大家共享数据、 信息和知识， 实现异地的协同设计。如让多位设计人员在网络的支持下在不同地点， 自由地查看同伴的设计， 修改同一个文件等。图 1-11 设计产品所见即所
32、得（4） 设计产品所见即所得随着 3D 打印技术的飞速发展， 未来的产品设计与产品制造将更为融合， 用户不但可以即时见到设计效果， 还能通过 3D 打印等技术立即得到所设计的产品。3D 打印技术对材料加工方式的革命性突破， 使得人们除了可以利用 3D 打印技术进行打样分析之外， 还可以利用该技术对一些特别的产品直接生产成品销售。这些产品可以是定制化程度非常高的医疗器械， 也可以是大家餐桌上的甜点， 还可以是飞机上的非重要零件。图 1-10 设计工作协同化三维设计与创意12拓展阅读计算机辅助设计计算机辅助设计是指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计领域， 计算机可以帮
33、助设计人员担负计算、 信息存储和制图等项工作。设计过程中， 人们通常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； 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， 以实现快速检索； 设计人员的设计工作通常从草图开始， 将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成； 利用计算机还可以进行与图形的编辑、 放大、 缩小、 平移和旋转等有关的图形数据加工工作。计算机辅助设计的基本技术主要包括交互技术、 图形变换技术、 实体造型技术等。交互技术是指用户在使用计算机系统进行设计时， 人与机器可及时地交换信息， 人们可以边构思、 边打样、 边修改， 随
34、时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果。图形变换技术是指把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来； 对图形作平移、 旋转、 缩放、 透视变换； 通过矩阵运算来实现图形变换。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内， 由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。目前， 计算机辅助设计在建筑设计、 电子和电气、 科学研究、 机械设计、 软件开发、 机器人、 服装业、 出版业、 工厂自动化、 计算机艺术设计等许多领域得到广泛应用。计算机辅助设计另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。它是指从二维信息中提取三维信息， 通过对这些信息进行分类、 综合等一系列处
35、理， 在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体， 恢复形体的点、 线、 面及其拓扑关系， 从而实现形体的重建。图 1-12 计算机辅助设计第一单元 身边的三维设计13单元挑战 制作自己的姓名章一、 项目任务选择一个自己熟悉的三维设计软件作为三维设计工具， 根据教学资源包提供的制作视频样例， 设计制作自己的姓名章， 尺寸、 样式自定。二、 项目指引1. 选择一个适合自己操作的三维设计软件。2. 通过视频学习制作姓名章的方法， 尤其关注如何设定样式、 如何设置尺寸、 如何输入姓名。3. 思考如何做出有特色的姓名章。4. 用自己选择的三维设计软件制作自己的姓名章。5. 归纳整理完整的制作步骤。
36、三、 交流评价与展示1. 在计算机上展示各自制作的姓名章。2. 交流各自姓名章的特色， 特别是与样例的不同之处 （可阐述在样式、 尺寸、 文字等方面的变化） 。3. 交流各自归纳的制作步骤。4. 评价各自使用的三维制作软件， 交流制作技巧。5. 交流各自的制作体会， 可从如何提高作品质量、 软件操作的方便程度、 学习制作的难易程度等方面进行阐述。图 1-13 设计中的姓名章三维设计与创意14单元小结一、 主要内容梳理二、 单元评价评价内容达成情况能用自己的语言阐述三维的概念（A、I）能列举应用了三维设计及相关技术的行业与工作（A、I、R）能根据三维设计及相关技术在各领域中的应用情况，合理地阐述
37、其未来的发展趋势（A、I、R）能列举人们常用的三维设计软件，并说明各自的特点及应用领域（A、I、R）能描述设计制作三维作品的基本方法（A、T、R）能模仿制作一个姓名章，并概括使用三维设计软件设计作品的基本步骤（A、T、R）能利用现有的一些支持“照片建模”的软件和简易设备，完成一件生活中用品的建模，并概括建模的过程和注意事项（A、T、I、R）能向同学介绍在计算机中表示三维形体的典型数据模型（A、I、R）说明： A信息意识， T计算思维， I数字化学习与创新， R信息社会责任由于计算机技术的飞速发展， 人们的生活中出现了越来越多的三维图形作品， 如休闲娱乐时能欣赏到充满立体感的三维动画电影， 外出
38、搜索目的地时能用上充满真实感的三维地图， 甚至购衣时能从虚拟试衣镜中看到自己穿上新衣的样子这些三维图形作品让人体验到了最接近真实的虚拟， 也让人看到了三维设计及其相关技术的无限可能能让人们制造出想象中的事物。但要知道的是，要将我们头脑中的各种创意变成现实， 离不开三维建模。万丈高楼平地起， 当我们要在计算机里创建一个三维世界， 设计制作一个三维图形作品时， 建模是其中最基础的一步。本单元将带领大家了解创建、 优化三维图形的一般过程， 体验三维图形的建模与应用。了解三维设计中建模的意义掌握三维图形设计的基本方法， 能添加并实现自己的创意能根据设计要求创作三维图形作品， 并添加适当的效果学习目标设
39、计制作一个立体的班徽单元挑战第二单元 三维图形的创建与优化项目二项目学习目标在本项目中， 我们将初次体验三维设计师的工作， 在计算机屏幕上创建一个马克杯三维模型并向大家展示。模型不求外观华丽，但求简单真实， 也就是说模型的外形尺寸必须与生活实际相符。完成本项目学习， 须回答以下问题：1. 三维建模的一般流程是怎样的？2. 在三维设计软件中有哪些常见的建模方法？3. 如何使用布尔运算操作？马克杯是我们生活中常见的一种杯子， 一般用于牛奶、 咖啡、茶类等热饮。市面上马克杯的风格虽然多样， 但整体样貌大多还是标准圆柱形或类圆柱形， 并且在杯身的一侧带有把手， 要在计算机屏幕上创建一个三维的马克杯模型
40、， 可考虑先从圆柱体入手。创建马克杯模型体验基本体的建模图 2-1 创建马克杯模型项目学习指引本项目是在计算机屏幕上创建一个三维马克杯模型， 可从四个方面来探究， 一是项目需求分析， 二是了解建模的基本方法， 三是熟悉三维设计软件的基本操作， 四是设计制作马克杯模型。1. 项目需求分析要在计算机屏幕上创建一个与生活实际相符的圆柱体状的三维马克杯模型， 首先必须梳理清楚完成项目任务途中可能会涉及的各种问题。比如： 项目作品的目标对象是什么？它有哪些具体要求？实物形状是怎样的？大小尺寸又是如何？ 完成这个项目需要什么计算机软件？它具备什么功能？我需要学习哪些关于这个计算机软件的操作技能？ 完成这个
41、项目会涉及哪些有关三维设计及相关技术的专业术语？这些专业术语是什么意思？我需要学习哪些相关知识？在计算机屏幕上创建三维马克杯模型， 与第一单元中建立姓名章模型有没有相同或相类似之处， 可以从中借鉴什么。?思考与讨论?活 动2.1 根据本项目所要探究的四个方面的内容， 列出其中所要解决的疑惑和问题，并将它们画成思维导图， 指导之后开展的项目学习。第二单元 三维图形的创建与优化17三维设计与创意182. 了解基本体建模的方法（1） 了解三维建模的一般流程 利用计算机三维设计软件制作马克杯的过程实际上就是一个对马克杯进行建模的过程。建模就是建立模型， 是为了理解事物而对事物做出的一种抽象， 三维建模
42、指的是建立三维模型， 一般要经历以下这个流程。核心概念建模（modeling）是指构建模型。三维建模是指通过三维设计软件在计算机中的虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。首先， 明确建模对象的各种属性， 包括外形、 尺寸等， 初学者或对计算机三维建模不熟悉的人可通过手绘方式画出草图， 呈现建模对象的外观， 并在草图上标注各部分的尺寸，为用软件建模建立基础， 如图 2-2 所示。然后， 需要对建模对象进行分析， 将其拆分成一个个可组合的部件， 并思考每一部件可用哪种建模方法实现， 以及各部件的制作顺序， 对建模的流程做到心中有数。接下来就是按照草图开始建模了， 可利用三维设计软件提供的各种快速便
43、捷的建模工具， 将模型的各部件按照草图中所标注的尺寸建立起来， 并组合成一个整体。最后，对模型进行细节的修改和完善，可增添材质（material） 、 贴图 （map） 和灯光 （lighting） ， 使其更加真实。这一步在对模型外观没有要求时可忽略。（2） 理解建模的思路在三维建模的一般流程里， 第二步是 “分析属性” ， 就是对建模对象进行分析。分析建模对象常用的一种方法是拆分法。将一个整体分解成单独的部分就是拆分。学会拆分物体有利于我们对复杂物体的建模。我们在构思如何建模时， 往往把要建模的对象拆分成一个个单独的基本体。三维建模的一般流程绘制草图明确建模对象的属性， 可利用草图绘制外形
44、， 并注明尺寸大小完善模型对模型进一步修改完善， 添加材质和灯光建立模型选用适当的建模工具， 建立与草图尺寸大小相符的模型分析属性对建模对象进行拆分， 明确每一部分的建模方法图 2-2 马克杯的草图8cm7.4cm9cm6cm第二单元 三维图形的创建与优化19以图 2-3 中的马克杯为例， 要在软件中对这个马克杯进行建模， 可以先将其拆分为几个独立的部件， 分别进行创建。如图 2-4 所示，这个马克杯可以拆分为 5 个单独的部件： 部件 1 是一个带缺口的扁平圆柱体； 部件 2 是一个管状体； 部件 3 是一个扁平的圆柱体； 部件 4 和部件 5 分别是一个圆环。交流小时候搭积木的经验， 说说
45、搭积木的经验对于三维建模有什么帮助。?思考与讨论?小贴士在建造较复杂的模型时，可以通过对基本体进行适当的变形来得到更符合我们要求的模型，如马克杯中的部件 2。对建模对象进行属性分析后， 就可在三维设计软件中尝试建立模型， 针对拆分成的每一个部件， 分析可以用什么样的方法、 工具一一进行建模。（3） 认识三维设计软件中的建模方法在三维设计软件中， 提供了多种三维建模的方法， 大体上可分为 7 大类： 基础建模、 复合建模、 样条建模、 网格建模、 多边形建模、 面片建模、 NURBS 建模。初学者比较常用的是基础建模和复合建模。1） 基础建模基础建模就如同搭积木， 就是把生活中的物体拆分成一些基
46、本体， 然后拼搭起来。三维设计软件通常会为用户提供一些日常生活中常见的三维形体， 可用来快速建立一些基础模型。三维设计软件提供的三维形体不但包括长方体、 圆锥体、 球体、 几何球体、 圆柱体、 管状体、 圆环、 四棱锥、 茶壶、平面等标准基本体， 还提供了一些扩展基本体及一些其他的对象。利用好这些基本体， 就能方便地进行建模。图 2-3 拆分前的马克杯图 2-4 拆分后的马克杯1235412354小贴士在真正的建模过程中， 三维设计软件所提供的三维形体的尺寸并不一定能满足设计需求， 为此， 软件往往还会提供大量的编辑修改器，可用来改变基本体的外形、尺寸参数， 以达到用户对建模的要求。三维设计与
47、创意202） 复合建模复合建模即复合对象建模， 它不能在场景中直接创建对象， 而是通过将两种或两种以上的对象进行组合， 创建出更为复杂的模型。三维设计软件中提供了多种复合类型， 其中的布尔运算是最常用的复合建模方法。布尔运算是指对两个或两个以上的对象进行交集、 差集和并集的运算， 以得到新的对象形态。在三维图形的布尔运算中， 两个原始对象被称为操作对象， 一个称为操作对象 A，另一个称为操作对象 B。并运算： 操作对象 A 与操作对象 B 的所有部分的集合。差运算： 操作对象 A 减去操作对象 B 后剩下的部分， 或者操作对象 B 减去操作对象 A 后剩下的部分。交运算： 操作对象 A 与操作
48、对象 B 的公共相交部分。由于操作对象的形态不同， 三种运算后呈现的状态也不一样， 以一个球体和一个正方体的布尔运算为例， 并运算、差运算、 交运算后的结果如图 2-5 所示。3. 熟悉三维设计软件的基本操作利用计算机三维设计软件创作作品， 最基础的环节就是三维建模。它能精确地把设计者的设计思想体现出来。可用于三维建模的三维设计软件有许多， 要使用它们就必须了解一些基本的使用方法。（1） 认识操作界面要使用三维设计软件， 首先要了解该软件的界面组成。打开三维设计软件， 找一找， 软件提供了哪些扩展基本体及其他的对象， 交流这些基本体对于三维设计的作用。?思考与讨论?数字化学习通过配套资源中的微
49、视频， 更多地了解自己使用的三维设计软件操作界面。并运算后的结果 （并集）差运算后的结果 （差集）交运算后的结果 （交集）图 2-5 一个球体和一个正方体的布尔运算第二单元 三维图形的创建与优化21参见 p25 知识链接 “三视图”虽然各个三维设计软件的界面各不相同， 但菜单栏、 工具栏、视口和画布 （用来绘制图形的网格部分） 是必备的， 其他还会添加一些辅助设计的栏目板块。（2） 设置单位利用三维设计软件进行建模时， 为了保证建模的尺寸与实际尺寸相符合， 有些软件在设计作品之初需要先对软件系统的单位进行设置。打开手中的三维设计软件，找找看，有没有“单位设置” 功能？如果有， 有哪些单位可供选
50、择，说说我们该怎样选择单位。?思考与讨论?（3） 设置视口视口， 顾名思义， 视图的窗口。它指的是软件的主要操作区域， 所有对象的变换和编辑都在视口中进行。通常， 三维设计软件视口的默认界面会显示四个视图： 顶视图、 前视图、 左视图和透视图。其中的顶视图、 前视图、 左视图在机械制图领域被称为三视图， 能全面和正确地反映物体长、 宽、高的尺寸。四个视图能方便用户从不同视角方向上把握模型的尺寸大小、 形状和各个部分之间的位置。通过设置视口的对话框或菜单， 可以根据实际需要调整视口中显示的视图个数、 大小、 位置及布局方式。（4） 熟悉最基本的对象操作方法在建模过程中， 往往会创建多个基本体，
