CN104778300A

CN104778300A - 包装纸盒的三维设计方法

Info

Publication number: CN104778300A
Application number: CN201510070019.8A
Authority: CN
Inventors: 李萍; 薛洪民
Original assignee: Shaanxi Xueqian Normal University
Current assignee: Shaanxi Xueqian Normal University
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2015-07-15

Abstract

本发明公开了一种包装纸盒的三维设计方法，包括以下步骤：步骤1、采用极坐标法建立纸盒的CAD数学模型库；步骤2、绘制盒型的平面结构图；步骤3、建立纸盒基于面的三维模型；步骤4、确定纸盒的几何坐标；步骤5、确定装潢图案纹理坐标；步骤6、建立几何坐标和纹理坐标的映射关系，使得装潢图案对应附着于纸盒的各个侧面，从而实现纸盒的三维展示效果。采用三维CAD技术，将纸盒CAD设计与三维OpenGL技术有机结合，为包装盒设计人员提供一种辅助设计工具，旨在节省设计人力，缩短设计周期。

Description

包装纸盒的三维设计方法

技术领域

本发明属于包装工程技术领域，涉及包装纸盒的三维设计方法。

背景技术

如今全世界环保意识越来越强烈，绿色经济迅猛发展，人们会越来越苛刻地避免不必要的资源浪费。利用计算机技术可以有效提高设计效率，最大化节省资源。同时，纸盒包装作为一种典型的绿色包，是应用范围最广、结构变化最多的一种商品销售包装容器，在食品、药品、电子产品以及化妆品等行业得到了广泛应用。随着时代的发展，印刷工艺不断进步，装饰方法日趋复杂，制作个性化包装纸盒可以更好地满足人们的需求,已成包装设计的发展趋势。

七十年代德国，美国等一些先进的工业国家就开始研制纸盒CAD。目前纸包装领域已推出数百种包装纸盒纸箱CAD/CAM软件，如ELCEDE，KRLSE，BARCO，LASERCONB，CAPE，ERPA，MARBACH，SERVO，OVATION，BACHER，CSE，KONGSBERG等比较流行，应用较广。软件多采用人机对话操作方式，可用键盘、鼠标在屏幕上任意设计纸盒盒片结构图、排料方案、印刷图案等，可调用盒片图形库，选择盒型结构，可打印纸盒平面展开图、输出模切排料图、印刷轮廓图及背衬加工图，可将设计图形和数据传递给模切板和背衬加工设备，保证与印版一致，提高纸盒精度。但这些软件对于非专业人土来说设计过于复杂、专业化，价钱也过于昂贵。

和发达国家比，我国计算机技术在包装行业中的开发应用起步较晚，差距较大，但也在不断向前发展，并取得了一定的成果。如北大方正Founder Pack系统，天津轻工业学院开发的TULI-SKH折叠纸盒结构/模板设计软件等。目前市场上还没有应用较广的国产的纸盒CAD系统软件，大多数企业都是使用如Freehand,AutoCAD等图形设计软件设计纸盒。因此为了适应包装行业发展的需要，要致力于研究开发包装方面的CAD软件，特别是集成3D展示平台的应用软件，以提高我国包装设计的技术水平、促进包装工业的发展。

目前市场上还没有成熟的包装纸盒整体设计系统。比较常用的包装纸盒CAD软件一般只具备局部设计功能，都能完成包装盒结构图的绘制，只是方便程度各有差异，没有3D效果图生成功能或者3D效果图颇为粗糙，而且操作繁琐，软件价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种包装纸盒的三维设计方法，解决了现有设计软件只具备局部设计功能，操作繁琐和软件价格昂贵的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种包装纸盒的三维设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、采用极坐标法建立纸盒的CAD数学模型库；

步骤2、绘制盒型的平面结构图；

步骤3、建立纸盒基于面的三维模型；

步骤4、确定纸盒的几何坐标；

步骤5、确定装潢图案纹理坐标；

步骤6、建立几何坐标和纹理坐标的映射关系，使得装潢图案对应附着于纸盒的各个侧面，从而实现纸盒的三维展示效果。

进一步的，步骤1的具体方法为：

步骤1.1、随机指定一个顶点作为起点，用相对极坐标法描述纸盒的各个顶点坐标，再根据纸盒的其它结构参数构建该纸盒的三维模型；

步骤1.2、利用步骤1.1的方法，构建出若干种不同的纸盒CAD数学模型，然后组成盒型库，再将各个不同的盒型依据展开图的构成要素，分别组成若干个盒素库。

进一步的，步骤1.1中的结构参数包括沿盒体平面展开图的边缘任意指定的10个点(P1，P2，P3，…，P10)，盒体的内尺寸长度Li、盒体的内尺寸宽度Bi、盒体的内尺寸高度H和盒体的纸板厚度T。

进一步的，步骤1.2中展开图的构成要素包括盒体、盒盖和盒底三个部分，再将盒体、盒盖和盒底分别定义为盒体函数、盒盖函数和盒底函数，收录进数据库就建立了盒素库。

进一步的，步骤2的具体方法为：当需要设计的盒型结构与盒型库中某一盒型结构相同时，则只需从盒型库中调用该结构相同的盒型，再根据设计需要，对纸盒的内尺寸长度Li、内尺寸宽度Bi、内尺寸高度H和纸板厚度T赋值，即可设计出指定盒型和指定尺寸的纸盒平面结构图。

进一步的，步骤2的具体方法为：当需要设计的盒型结构不在盒型库中，则可以调用盒素库，根据设计需要，分别选择结构相同的盒盖、盒身和盒底，再对盒体的内尺寸长度Li、内尺寸宽度Bi、内尺寸高度H和纸板厚度T赋值，然后将各个盒素拼合成完整的纸盒，即可设计出指定盒型和指定尺寸的纸盒平面结构图。

进一步的，步骤3的具体方法为：在OpenGL中，利用纸盒各个面的各个顶点生成面片，由这些面片按照设计的相对位置组成相应的纸盒的三维模型。

进一步的，步骤4的具体方法为：对于步骤2成型的纸盒侧面展开图，指定每个面的四个顶点坐标作为每个面纹理映射物体的几何坐标。

进一步的，步骤5的具体方法为：应用OpenGL确定纸盒各个面的装潢图案，对于每张装潢图案，指定其四个顶角的纹理坐标分别为(0.0，0.0)，(1.0，0.0)，(1.0，1.0)，(0.0，1.0)。

进一步的，步骤6的具体方法为：分别将步骤4中得到的每个面的几何坐标与步骤5中得到的装潢图案的纹理坐标一一对应，使得装潢图案对应附着于纸盒的各个侧面，从而实现纸盒的三维展示效果。

本发明的有益效果是，采用三维CAD技术，将纸盒CAD设计与三维OpenGL技术有机结合，为包装盒设计人员提供一种辅助设计工具，旨在节省设计人力，缩短设计周期。

附图说明

图1为本发明的包装纸盒的三维设计方法中的建立纸盒的CAD数学模型的示意图；

图2为本发明的包装纸盒的三维设计方法中的纸盒的三维模型结构示意图；

图3为图2中的纸盒展开后的结构示意图；

图4为本发明的包装纸盒的三维设计方法中的纸盒装潢示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种包装纸盒的三维设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、采用极坐标法建立纸盒的CAD数学模型库：

步骤1.1、用相对极坐标法描述纸盒的顶点坐标，再根据纸盒的结构参数构建该纸盒的三维模型；

顶点坐标的描述方法为：随机指定一个顶点作为起点，根据下一点相对上一点的相对极坐标(r，θ)，并通过调用AutoCAD的函数来确定一条直线或圆弧。

纸盒的结构参数包括沿盒体平面展开图的边缘任意指定的10个点(P1，P2，P3，…，P10)、盒体的内尺寸长度Li、盒体的内尺寸宽度Bi、盒体的内尺寸高度H和盒体的纸板厚度T。

其中，展开图的构成要素包括盒体、盒盖和盒底三个部分，将各个盒素分别定义为盒体函数、盒盖函数和盒底函数，收录进数据库就建立了盒素库。

盒盖的盒素库可以根据需要设计为手提式盒盖、摇盖式盒盖、锁口式盒盖和插入式盒盖等；盒底的盒素库可以根据需要设计为插锁式盒底、锁底式盒底、自动锁底式盒底、重型插底式盒底等。不同的盒素之间可以互相结合，从而完成多种不同纸盒的设计。

步骤2、绘制盒型的平面结构图：

步骤2.1、当需要设计的盒型结构与盒型库中某一盒型结构相同时，则只需从盒型库中调用该结构相同的盒型，再根据设计需要，对纸盒的内尺寸长度Li、内尺寸宽度Bi、内尺寸高度H和纸板厚度T赋值，即可设计出指定盒型和指定尺寸的纸盒平面结构图；

步骤2.2、当需要设计的盒型结构不在盒型库中，则可以调用盒素库，根据设计需要，分别选择结构相同的盒盖、盒身和盒底，再对盒体的内尺寸长度Li、内尺寸宽度Bi、内尺寸高度H和纸板厚度T赋值，然后将各个盒素拼合成完整的纸盒，即可设计出指定盒型和指定尺寸的纸盒平面结构图。

对于典型盒采用盒型库设计，通过调用常用盒型库，用户可以选择符合自己要求的盒型结构形式，然后只要输入纸盒的长、宽、高、纸板厚度和粘贴边厚度后，可迅速得到一张二维的盒片结构展开图，可以一步到位，减少出错。对于异型结构的纸盒采用基于盒素库的拼合设计和手动自由设计，增加了设计的灵活性。

步骤3、建立纸盒基于面的三维模型：

在OpenGL中，将纸盒的各个面看做一个个面片，并利用其各个顶点生成面片，由这些面片按照设计的相对位置组成相应的纸盒的三维模型。

生成面片的方法：以默认顶点绕逆时针方向旋转时所示的面为正面，建立基于面的三维模型，设计一个映射函数：(S，T)＝F(X，Y，Z)(1)

式中，(S，T)是纹理域中的坐标，即装潢图案的坐标，(X，Y，Z)是被映射物体的坐标，即纸盒的三维坐标。

步骤4：确定纸盒的几何坐标：

对于步骤2成型的纸盒侧面展开图，指定每个面的四个顶点坐标作为每个面纹理映射物体的几何坐标。

步骤5：确定装潢图案纹理坐标：

应用OpenGL确定纸盒各个面的装潢图案，对于每张装潢图案，指定其四个顶角的纹理坐标分别为(0.0，0.0)，(1.0，0.0)，(1.0，1.0)，(0.0，1.0)，其中纹理坐标沿两个方向的变化范围均为0.0至1.0。

步骤6：建立坐标的映射关系

分别将步骤4中得到的每个面的几何坐标与需要附着的装潢图案的纹理坐标一一对应，使得装潢图案对应附着于纸盒的各个侧面，从而实现纸盒的三维展示效果。

实施例

1、建立纸盒CAD数学模型库

采用极坐标法建立纸盒的CAD数学模型，用相对极坐标法描述图形中各顶点坐标。

首先，任意指定第一点P1后，逆时针标示出纸盒结构参数的另外9个点(P1，...，P10)，如图1所示；然后设置纸盒的六项参数：盒体的内尺寸长度L₁和L₂，盒体的内尺寸宽度B₁和B₂，盒体的内尺寸高度H以及盒体的纸板厚度T。

用极坐标描述纸盒结构参数的10个点的坐标见下表：

依照该方法，可以设计多种常用盒型的CAD数学模型，组成盒型库。再将每种盒型的各个构成要素分别构建为各个盒素库。其中盒素包括盒体、盒盖和盒底部分。

2、绘制盒型平面结构图

设纸盒的内尺寸长度为Li、内尺寸宽度为Bi、内尺寸高度为H和纸板厚度为T，并根据步骤1定义的纸盒结构图中的10个点，用数学函数表示出纸盒的长、宽、高、材料厚度等变量，然后调用AutoCAD的二维绘图命令进行绘图。对于直线连接调用AddLine命令，对于圆弧连接调用AddArc命令。最后，按逆顺序依次连接各点，绘制出一个纸盒的结构图形。

3、建立基于面的三维模型

将纸盒的各个面看做一个个面片，利用其各个顶点生成面片。生成面片时默认顶点绕逆时针方向旋转时所示的面为正面。建立基于面的三维模型，设计一个映射函数，(S,T)＝F(X,Y,Z)(1)

式中，(S，T)是纹理域中的坐标(即装潢图案的坐标)，(X,Y,Z)是被映射物体的坐标(即纸盒的三维坐标)，以S表示纸盒的面，以b表示压痕线宽。如图2所示，以纸盒中心为坐标原点，以X方向表示纸盒的长度方向，Y方向表示纸盒的高度方向，Z方向表示纸盒的宽度方向，以T表示纸盒的纸厚。

应用OpenGL技术，在生成纸盒面片时可用如下函数：

gIBegin(GL_POLYGON)；

gINormal3d(......)；

glVertex3d(-X，-Y，Z)；

glVertex3d(X+b，-Y，Z)；

gIVertex3d(X+b，Y，Z)；

glVertex3d(-X，Y，Z)；

glEnd()；

4、确定纸盒几何坐标

对步骤2成型的纸盒结构图，如图3所示，将其盒体展开面的四个面依次定义为S1、S2、S3、S4，将每个面四个顶点坐标作为纹理映射物体的几何坐标。

以S1为例，将S1面四个顶点a，b，c，d的坐标作为纹理映射物体的几何坐标，则S1面四个顶点的几何坐标可定义为如下：

a:glVertex3d(-X,-Y-2*T,Z)；

b:glVertex3d(X+2*T,-Y-2*T,Z)；

c:glVertex3d(X+2*T,Y+2*T,Z)；

d:glVertex3d(-X,Y+2*T,Z)；

其中2X表示纸盒的长度,2Y表示纸盒的高度,2Z表示纸盒的宽度。

5、确定装潢图案纹理坐标

5.1、应用OpenGL将纸盒装潢图案预定义为一幅位图，并为其命名：GLubyte*pTextureBits＝(GLubyte*)m_pDib一>GetBits()；

定义装潢图案的宽度和高度：

GLint width＝m_pDib一>Width()；

GLint height＝m_pDib一>Height()；

glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT，1)；

定义装潢图案：

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D，0，3，width，height，0，GL_BGR_EXT，GL_UNSIGNED_BYTE，pTextureBits)；

说明纹理映射方式：

glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV，GL_EXTURE_ENV_COLOR，GL_DECAL)；启动纹理映射：glEnable(GL_TEXTURE_2D)；

glShadeModel(GL_SMOOTH)；

5.2、对于每张装潢图案，指定其四个顶角的纹理坐标分别为(0.0，0.0)，(1.0，0.0)，(1.0，1.0)，(0.0，1.0)，其中纹理坐标沿两个方向的变化范围均为0.0至1.0。

如图4所示的纸盒装潢图案，其四个顶点的纹理坐标可定义为:

e：glTexCoord2f(0.0，0.0)；

f：glTexCoord2f(1.0，0.0)；

g：glTexCoord2f(1.0，1.0)；

h：glTexCoord2f(0.0，1.0)；

6、建立坐标的映射关系

将纸盒三维立体图的几何坐标与装潢图案纹理坐标一一对应，则将装潢图案整个附于纸盒的一个面片，实现纸盒的三维展示效果。

例如，在S1面进行映射图形的过程中，应使点a与e，b与f，c与g，d与h相对应。相应的在整个纸盒的图形映射过程中，应注意顺序的一致，即在S2面进行映射图形的过程中，应使点b与e，al与f，d1与g，c与h相对应，这样生成的装潢图案才能保持其一致性。

以S1面为例，将图4所示的整幅图形贴于其表面的坐标对应函数可如下：

glTexCoord2f(0.0，0.0)；glVertex3d(-X,-Y-2*T,Z)；

glTexCoord2f(1.0，0.0)；glVertex3d(X+2*T,-Y-2*T,Z)；

glTexCoord2f(1.0，1.0)；glVertex3d(X+2*T,Y+2*T,Z)；

glTexCoord2f(0.0，1.0)；glVertex3d(-X,Y+2*T,Z)。

Claims

1.一种包装纸盒的三维设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、采用极坐标法建立纸盒的CAD数学模型库；

步骤2、绘制盒型的平面结构图；

步骤3、建立纸盒基于面的三维模型；

步骤4、确定纸盒的几何坐标；

步骤5、确定装潢图案纹理坐标；

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤1的具体方法为：

3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤1.1中的结构参数包括沿盒体平面展开图的边缘任意指定的10个点(P1，P2，P3，…，P10)，盒体的内尺寸长度Li、盒体的内尺寸宽度Bi、盒体的内尺寸高度H和盒体的纸板厚度T。

4.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤1.2中展开图的构成要素包括盒体、盒盖和盒底三个部分，再将盒体、盒盖和盒底分别定义为盒体函数、盒盖函数和盒底函数，收录进数据库就建立了盒素库。

5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤2的具体方法为：当需要设计的盒型结构与盒型库中某一盒型结构相同时，则只需从盒型库中调用该结构相同的盒型，再根据设计需要，对纸盒的内尺寸长度Li、内尺寸宽度Bi、内尺寸高度H和纸板厚度T赋值，即可设计出指定盒型和指定尺寸的纸盒平面结构图。

6.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤2的具体方法为：当需要设计的盒型结构不在盒型库中，则可以调用盒素库，根据设计需要，分别选择结构相同的盒盖、盒身和盒底，再对盒体的内尺寸长度Li、内尺寸宽度Bi、内尺寸高度H和纸板厚度T赋值，然后将各个盒素拼合成完整的纸盒，即可设计出指定盒型和指定尺寸的纸盒平面结构图。

7.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤3的具体方法为：在OpenGL中，利用纸盒各个面的各个顶点生成面片，由这些面片按照设计的相对位置组成相应的纸盒的三维模型。

8.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤4的具体方法为：对于步骤2成型的纸盒侧面展开图，指定每个面的四个顶点坐标作为每个面纹理映射物体的几何坐标。

9.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤5的具体方法为：应用OpenGL确定纸盒各个面的装潢图案，对于每张装潢图案，指定其四个顶角的纹理坐标分别为(0.0，0.0)，(1.0，0.0)，(1.0，1.0)，(0.0，1.0)。

10.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤6的具体方法为：分别将步骤4中得到的每个面的几何坐标与步骤5中得到的装潢图案的纹理坐标一一对应，使得装潢图案对应附着于纸盒的各个侧面，从而实现纸盒的三维展示效果。