形狀動態表示的產品概念設計論文范文

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1相關工作

當前，已經存在很多關于形狀建模技術的工作，本文主要針對建模技術在設計過程中的應用，因此交互式建模技術為本文主要關注對象．為了更好地輔助設計，用戶（設計師）參與已經廣泛地被應用于CAD系統中．通過與用戶合作，基于用戶智能知識，建模技術能夠承擔大范圍模型建立項目，例如交互式街道建模框架［9］．新的用戶輸入設備也被用來提高用戶與系統之間的交流．FreeDrawer［10］是一款草圖系統，能夠采用基于樣條曲線的自由曲面的繪制．用戶通過磁性筆在虛擬的環境內繪制曲線，所繪制的圖像能夠被系統及時接收和顯示．SurfaceDrawing［11］是一款根據手的運動路徑來產生有機三維形狀的軟件．操作手的行為能夠通過磁性裝置被系統感知并用來產生幾何形狀．ScanModeling系統采用名為“Wakucon”的輸入設備通過掃描真實物體進行三維形狀生成．通過高科技設備，用戶?設計師們能夠在虛擬真實的環境內進行交互式的繪制和建模工作．和這些研究相比，本文更關注設計信息的雙向交互．也就是當設計師運用本文提出的方法完成設計時，其設計知識能夠被系統感知并保存下來，通過自動化衍生機制進行設計探索．與其他類似研究不同的是，設計知識不是由工程人員或研究人員后期分析產生，而是直接獲取自設計師的設計過程中．本文提出的方法可以自動完成設計知識獲取和轉化過程．形狀文法能夠通過語法系統將設計表示為2D?3D的可視化形狀（shape）及迭代算法過程（rule）［13］．基于規則的框架結構能夠給用戶提供設計知識和可視化之間的接口．CGA形狀［14］采用過程建模方法應用于建筑領域，允許用戶通過指定建模模塊進行細節設計．壯族形狀文法［15］采用基于網格的形式表示自由、平滑的形狀．通過2D圖案生成表達用戶的主觀感受［16］．衍生設計方法結合形狀文法已經應用于電話衍生設計中．在上述研究的基礎上，本文對傳統形狀文法進行了改進，提出3種類別的規則并用來在設計過程中對設計信息進行表示和傳遞．

2動態形狀表示

在設計方案產生之前，設計過程充滿了變數．設計師通過其行為表達他們的設計思想，并用來建立設計概念模型．為了更加接近這一自然設計過程，本文介紹了一種新的形狀表示法———DSR．DSR形狀通過基本設計行為對目標形狀進行描述和表示．形狀文法通過其定義的規則集對設計目標進行描繪．規則可以表示為：A→B，即，形狀A被替換為形狀B或B的任意形狀子集．一次規則的應用表示一次形狀由A到B的替換．但是，在這一規則中，形狀如何由A變為B的過程是無法體現的．換句話說，形狀由A變為B的過程被其結果所表示．如果能夠表示變化過程而不僅僅是變化結果，其動態的過程信息就可以被用在不同的初始形狀A′中，來產生更多的新形狀｛B1，B2，…，Bn｝．這也就是本文提出DSR形狀的基本思想．本文定義了9個類別的基本形狀規則———ElementalRule［3］（簡稱ER）．通過對于三維形狀操作的研究［18］，9類ER群體能夠基本覆蓋所有的形狀操作需求，例如Add（添加）、Delete（刪除）、Cutvertices（部分刪除）和Cutedges（部分刪除）．通過上述4類基本形狀操作，本文選用矩形和球作為基本圖元，可以產生9種不同種類的ER規則［3］．大多數形狀都可以通過這些ER規則的結合使用進行表示．除了正交的形狀，對于具有曲線表面的形狀，可以通過球體作為基本圖元進行生成．定義1．DSR形狀．DSR形狀是一種有限的形狀元素集，通過以特定順序應用ER規則進行生成．一個DSR形狀可以被形式化表示為形狀元素集與有序的ER規則應用序列，｛S＊｜ER（i1），ER（i2），…，ER（in）｝．S＊［19］表示初始形狀或其任意的子集，一般被用來表示ER規則的左半部分．傳統的規則應用方法為形狀替代［15］，這在基于ER規則應用過程中，會對具有光滑曲面特征的形狀的外觀造成破壞［3］．因此，本文提出一種新的規則應用模式———行為捕獲模式（actioncapturemode，ACM）．定義2．行為捕捉模式（ACM）．行為捕捉模式能夠在保證原有形狀外觀不被破壞的前提下，保留規則變化意圖．基于物體最小包圍盒，生成物體的形狀為目標形狀與規則右邊形狀的布爾交運算（SObject＿Left∩SRule＿Right）．通過ACM應用模式，DSR形狀能夠表示一個規則應用后的形狀變化過程（從規則的左半部分變為右半部分）．這確保規則的應用可以不受目標形狀的幾何復雜性約束．換句話說，當產生一個DSR形狀規則后，它可以被應用到不同的初始形狀，從而產生不同效果．這與設計過程的模糊性相吻合．這里通過一個案例展示應用ACM模式后的形狀變化．本文邀請一位設計師設計了一個概念化的椅子模型，如圖1所示．簡潔和造型的流暢性是唯一對于該造型的前期要求．通過DSR規則，椅子的概念模型可以通過DSR形狀進行表示．通過圖1所示的DSR規則可以清楚地看到，椅子模型是由一個立方體變化產生．基于ACM應用模式，可以將圖1所示的DSR規則應用到不同初始形狀上，例如杯子形、圓柱體、蘋果形狀和平頭截體，如圖2所示．因為DSR形狀能夠以動態的形式表示，即形狀的產生過程可以記錄在DSR形狀中．因此，基于DSR的規則能夠應用到不同的初始形狀從而產生更多的新設計模型．如上面案例所示，設計行為（從一個實體產生一把椅子）通過DSR形狀保存了下來．在ACM模式的應用下，該設計行為能夠應用到不同的初始群體，產生不同效果的椅子模型．下面通過一個小規模的問卷調查，對新設計模型的效果進行評價．200位侯選者被選來進行關于新模型效果的問卷調查．其中有170位年齡在20～30歲之間的學生，以及30位具有3～5年專業設計經驗的設計師．問卷調查包括4個問題：1）請比較圖1與圖2中的椅子模型是否相似？2）圖2中的椅子能否由圖1中的椅子經過推理得到？3）請根據圖1中的椅子形狀，根據自己的理解進行模型再現．請通過草圖的形式對設計過程進行可視化．4）請分別從審美、新穎和舒適度3方面對上述5個椅子模型進行評價．在訪問調查過程中，僅將圖1和圖2中規則的右半部分展現給問卷參與者．調查結果顯示：對于問題1），136人認為相似而52人認為不相似，其余沒有意見．對于問題2），超過60％的參與者認為可以通過推理的方式獲得，并表示這些椅子具有某些潛在的關聯．對于問題3），雖然面對相同的椅子模型，不同的參與者給出了多種多樣的生成方法．換句話說，雖然最終模型相同，但是生成的過程卻是多種多樣的．“自頂向下”的設計模式被廣泛采用．對于問題4），“蘋果型”的椅子被多數人認為最好看和有新意，圖2中的椅子模型被認為最舒適．調查后，當參與者知道4個新椅子模型是由同一模型推理產生時，都在不同程度上表示了驚訝．他們表示：從同一個模型推理出全部4個新模型對他們來說是非常困難的．這也從側面表現出DSR形狀的提出能夠反映出設計過程中的突發性特征．目前，通過ER規則庫和ACM應用模式，能夠產生多種多樣的三維設計模型，如圖3所示．

3DSR形狀文法設計語言

定義3．DSR形狀文法．DSR形狀文法是一個四元集｛S，L，R，I｝，其中：1）S是DSR形狀的有限集合；2）L是標簽的有限集合，用于控制形狀文法在時間和空間上的推進；3）R是DSR規則的有限集合；4）I是一個自由實體，作為形狀文法應用的起點，稱為初始形狀．在DSR形狀文法中，設計過程能夠通過形狀集和規則集進行表示，進而形成設計語言［20］．由于DSR形狀可以表示動態設計信息（設計行為），因此該設計語言可以表現設計師有意識的行為和思想．在工程設計中，設計過程開始自包含設計問題分析、設計解空間解析、設計表達和結果可視化在內的多個循環．因此在DSR設計文法中，本文建立了有結構的規則系統來表示設計思路。在DSR形狀文法中包括3種類型的規則：DSR規則、輔助規則（auxiliaryrule）和布局規則（layoutrule）．DSR規則是用來在設計過程中產生形狀變化．物理方面的形狀變化可以被DSR形狀表示并保存．輔助規則主要是用來處理通用的三維模型操作：‘拉伸’、‘縮放’、‘旋轉’、‘扭曲’等．在設計過程中，設計師會在最終方案確定之前不停地做出決定，關于當前設計模型的評價和接下來的修改會對整體設計產生什么影響？通常來說，對于整體設計產生的影響將會起到主要作用．因此，這種決定將會一直循環，直至滿意的設計方案產生．類似于真實的設計過程，布局規則主要用于指定當前形狀和整體模型的關聯和影響．2類特殊的功能規則被采用：“SliceRule”和“CombineRule”．通過這2個功能規則，模型可以被分解、合并為任意的子形狀用來承載DSR規則和輔助規則的運用．因為設計過程不是直線型推進，而是螺旋型推進的，本文提出針對布局規則的3種關系。圖5a所示的‘梯子’關系表示設計過程中的因果關系：Step2發生是由于Step1引起的，后面步驟的產生是由于其前面步驟而產生的．在設計中，前后的因果關系并不僅僅具有線性繼承和相鄰繼承，也就是說，前面n代的步驟都會對第n＋1代的產生具有影響．并且，其影響并不是隨著相隔代數的增加而減少（設計突發性）．圖5b所示的交叉關系體現了設計過程中的選擇性．在上一步的布局行為產生后，有可能會產生多種潛在的設計推進方法（Step2～Stepn）．圖5c所示的平行關系體現的是設計過程中的分離行為，即設計步驟A1，A2與B1，B2之間的推進是弱連通的，之間沒有必然的聯系．當然，在設計過程中，每一種類型并不具有清晰的分割，而常常是多種關系交錯發生在同一設計過程中的．本文將圖1所示的椅子概念的設計作為案例來表現DSR形狀文法的應用之一．通過上述調查問卷，作者邀請了很多職業設計師對相同的椅子模型（圖1）應用本文所提出的方法進行重現設計．因此通過DSR形狀文法能夠得到很多不同設計語言．其中，3種設計語言被選取作為本文案例，展示3種規則對于設計知識的保存和應用．在圖6中，設計語言A共有6步．其中，Step1和Step4為布局規則．Step2將立方體分割為3部分用來產生扶手—椅子主體—扶手．Step4將椅子主體設計分為上下2部分．Step3，Step5，Step6屬于DSR規則，用來對相應選取的形狀進行物理外觀的變化．在該設計語言中，Step2和Step4之間屬于‘階梯’關系，因為如果沒有Step2，Step4就不會發生．圖6中設計語言B分為7步．其中，Step2和Step4為布局規則，其余為DSR規則．Step2和Step4之間屬于‘交叉’關系．在Step2后，以后的操作具有2個選擇．而Step3和Step5屬于‘平行’關系，也就是說，它們之間沒有必然的先后順序，屬于弱連通．圖6中設計語言C包括4步．其中Step2為布局規則，其余為DSR規則．‘平行’關系在該設計語言中得到了體現。上述3個設計語言的獲取都由系統自動完成的．設計師被邀請來使用本文建立的3D交互式建模引擎，通過可視化界面和窗口控件交互操作，他們可以像在常規3D建模軟件中一樣進行工作．與此同時，系統能夠根據其設計操作對整個設計過程通過DSR形狀文法進行獲取和保存，繼而產生設計語言．本系統采用ACIS技術，在Windows平臺下運用C＋＋語言實現的。將3個不同的設計語言應用到衍生式設計框架中，在系統內可以快速地產生3種不同的設計方案群體，如圖8所示．圖8a所示模型是根據設計語言A衍生而來的，體現了椅子主體的一體化設計和懸空椅子扶手的思想．圖8b所示模型是根據設計語言B衍生而來的，體現了椅子上下部分不同的設計風格．圖8c所示的模型是根據設計語言C產生的，體現了扶手和椅子主體的一體化風格．每一個新椅子都能夠通過DSR形狀進行表示和存儲．也就是說，它們都可以做到圖2中類似的衍生式變換．當作者將新的設計模型給3位設計語言的設計者觀看時，他們都非常感興趣．他們表示，其原始設計思路是在本文的3D建模系統中花費了1～2h不等的時間完成的．然而，所有的衍生設計模型都是在1min內通過基于系統自動產生的．這大大節約了設計周期．從美觀和創新價值方面，新產生的模型都比較令人滿意．雖然，這些新模型還不能直接作為設計方案進入產品設計流程，但它們都表現出原始設計方案的設計思想，并且在設計效果上有了較大的不同，給予設計者感官上直接的沖擊和新穎的刺激，能夠有助于其設計知識的擴展和設計構思的產生．

4結論

本文提出動態形狀表示法———DSR形狀，其能夠表示形狀變化的動態信息．在DSR形狀的基礎上，DSR形狀文法的提出和3種類型規則的引入能夠滿足在設計過程中獲取設計知識的目的．通過案例研究，作者邀請設計師對于相同的設計模型進行設計再現．通過衍生式設計機制，將獲取的設計語言應用到算法系統中，能夠產生出多個不同的設計群體．經過后期的反饋調查，每個群體都能夠體現原始設計語言的設計思路．本文中，無論設計語言的生成、設計語言的保存，還是新設計種群的衍生設計全部都是系統自動完成的．這樣能夠確保設計知識在由定性信息轉化為定量信息時，信息缺失盡可能地降低．通過前期實驗結果顯示，基于動態表示的DSR形狀文法能夠在設計過程中獲取設計師的設計意圖．從設計師方的反饋來看，這種方法適合于產品概念設計階段的構思過程．本文工作還有很多需要進一步完善的地方．當前僅基本形狀圖元（立方體、球體）被考慮．針對復雜的形狀建模，例如自由曲面形狀建模，還不能完全支持．因此，如何進一步擴展ER規則庫以適應復雜模需求成為了將來研究的重點之一．當前，在設計語言方面，簡單的設計過程已經進行了實驗．但真實的設計過程往往更為復雜，本文的方法針對復雜的設計過程是否還能保持相同的實驗效果，還有待于進一步驗證．最后，經過設計師的反饋，新產生出的模型在設計風格方面略有改變．如何通過衍生機制產生大量新穎設計方案的同時，能夠盡可能地保持設計風格等設計固有屬性，也成為將來的研究方向．

作者：崔嘉唐明晰劉弘單位：山東師范大學信息科學與工程學院山東省分布式計算機軟件新技術重點實驗室香港理工大學設計學院