形状动态表示的产品概念设计论文范文

1相关工作

当前，已经存在很多关于形状建模技术的工作，本文主要针对建模技术在设计过程中的应用，因此交互式建模技术为本文主要关注对象．为了更好地辅助设计，用户（设计师）参与已经广泛地被应用于CAD系统中．通过与用户合作，基于用户智能知识，建模技术能够承担大范围模型建立项目，例如交互式街道建模框架［9］．新的用户输入设备也被用来提高用户与系统之间的交流．FreeDrawer［10］是一款草图系统，能够采用基于样条曲线的自由曲面的绘制．用户通过磁性笔在虚拟的环境内绘制曲线，所绘制的图像能够被系统及时接收和显示．SurfaceDrawing［11］是一款根据手的运动路径来产生有机三维形状的软件．操作手的行为能够通过磁性装置被系统感知并用来产生几何形状．ScanModeling系统采用名为“Wakucon”的输入设备通过扫描真实物体进行三维形状生成．通过高科技设备，用户?设计师们能够在虚拟真实的环境内进行交互式的绘制和建模工作．和这些研究相比，本文更关注设计信息的双向交互．也就是当设计师运用本文提出的方法完成设计时，其设计知识能够被系统感知并保存下来，通过自动化衍生机制进行设计探索．与其他类似研究不同的是，设计知识不是由工程人员或研究人员后期分析产生，而是直接获取自设计师的设计过程中．本文提出的方法可以自动完成设计知识获取和转化过程．形状文法能够通过语法系统将设计表示为2D?3D的可视化形状（shape）及迭代算法过程（rule）［13］．基于规则的框架结构能够给用户提供设计知识和可视化之间的接口．CGA形状［14］采用过程建模方法应用于建筑领域，允许用户通过指定建模模块进行细节设计．壮族形状文法［15］采用基于网格的形式表示自由、平滑的形状．通过2D图案生成表达用户的主观感受［16］．衍生设计方法结合形状文法已经应用于电话衍生设计中．在上述研究的基础上，本文对传统形状文法进行了改进，提出3种类别的规则并用来在设计过程中对设计信息进行表示和传递．

2动态形状表示

在设计方案产生之前，设计过程充满了变数．设计师通过其行为表达他们的设计思想，并用来建立设计概念模型．为了更加接近这一自然设计过程，本文介绍了一种新的形状表示法———DSR．DSR形状通过基本设计行为对目标形状进行描述和表示．形状文法通过其定义的规则集对设计目标进行描绘．规则可以表示为：A→B，即，形状A被替换为形状B或B的任意形状子集．一次规则的应用表示一次形状由A到B的替换．但是，在这一规则中，形状如何由A变为B的过程是无法体现的．换句话说，形状由A变为B的过程被其结果所表示．如果能够表示变化过程而不仅仅是变化结果，其动态的过程信息就可以被用在不同的初始形状A′中，来产生更多的新形状｛B1，B2，…，Bn｝．这也就是本文提出DSR形状的基本思想．本文定义了9个类别的基本形状规则———ElementalRule［3］（简称ER）．通过对于三维形状操作的研究［18］，9类ER群体能够基本覆盖所有的形状操作需求，例如Add（添加）、Delete（删除）、Cutvertices（部分删除）和Cutedges（部分删除）．通过上述4类基本形状操作，本文选用矩形和球作为基本图元，可以产生9种不同种类的ER规则［3］．大多数形状都可以通过这些ER规则的结合使用进行表示．除了正交的形状，对于具有曲线表面的形状，可以通过球体作为基本图元进行生成．定义1．DSR形状．DSR形状是一种有限的形状元素集，通过以特定顺序应用ER规则进行生成．一个DSR形状可以被形式化表示为形状元素集与有序的ER规则应用序列，｛S＊｜ER（i1），ER（i2），…，ER（in）｝．S＊［19］表示初始形状或其任意的子集，一般被用来表示ER规则的左半部分．传统的规则应用方法为形状替代［15］，这在基于ER规则应用过程中，会对具有光滑曲面特征的形状的外观造成破坏［3］．因此，本文提出一种新的规则应用模式———行为捕获模式（actioncapturemode，ACM）．定义2．行为捕捉模式（ACM）．行为捕捉模式能够在保证原有形状外观不被破坏的前提下，保留规则变化意图．基于物体最小包围盒，生成物体的形状为目标形状与规则右边形状的布尔交运算（SObject＿Left∩SRule＿Right）．通过ACM应用模式，DSR形状能够表示一个规则应用后的形状变化过程（从规则的左半部分变为右半部分）．这确保规则的应用可以不受目标形状的几何复杂性约束．换句话说，当产生一个DSR形状规则后，它可以被应用到不同的初始形状，从而产生不同效果．这与设计过程的模糊性相吻合．这里通过一个案例展示应用ACM模式后的形状变化．本文邀请一位设计师设计了一个概念化的椅子模型，如图1所示．简洁和造型的流畅性是唯一对于该造型的前期要求．通过DSR规则，椅子的概念模型可以通过DSR形状进行表示．通过图1所示的DSR规则可以清楚地看到，椅子模型是由一个立方体变化产生．基于ACM应用模式，可以将图1所示的DSR规则应用到不同初始形状上，例如杯子形、圆柱体、苹果形状和平头截体，如图2所示．因为DSR形状能够以动态的形式表示，即形状的产生过程可以记录在DSR形状中．因此，基于DSR的规则能够应用到不同的初始形状从而产生更多的新设计模型．如上面案例所示，设计行为（从一个实体产生一把椅子）通过DSR形状保存了下来．在ACM模式的应用下，该设计行为能够应用到不同的初始群体，产生不同效果的椅子模型．下面通过一个小规模的问卷调查，对新设计模型的效果进行评价．200位侯选者被选来进行关于新模型效果的问卷调查．其中有170位年龄在20～30岁之间的学生，以及30位具有3～5年专业设计经验的设计师．问卷调查包括4个问题：1）请比较图1与图2中的椅子模型是否相似？2）图2中的椅子能否由图1中的椅子经过推理得到？3）请根据图1中的椅子形状，根据自己的理解进行模型再现．请通过草图的形式对设计过程进行可视化．4）请分别从审美、新颖和舒适度3方面对上述5个椅子模型进行评价．在访问调查过程中，仅将图1和图2中规则的右半部分展现给问卷参与者．调查结果显示：对于问题1），136人认为相似而52人认为不相似，其余没有意见．对于问题2），超过60％的参与者认为可以通过推理的方式获得，并表示这些椅子具有某些潜在的关联．对于问题3），虽然面对相同的椅子模型，不同的参与者给出了多种多样的生成方法．换句话说，虽然最终模型相同，但是生成的过程却是多种多样的．“自顶向下”的设计模式被广泛采用．对于问题4），“苹果型”的椅子被多数人认为最好看和有新意，图2中的椅子模型被认为最舒适．调查后，当参与者知道4个新椅子模型是由同一模型推理产生时，都在不同程度上表示了惊讶．他们表示：从同一个模型推理出全部4个新模型对他们来说是非常困难的．这也从侧面表现出DSR形状的提出能够反映出设计过程中的突发性特征．目前，通过ER规则库和ACM应用模式，能够产生多种多样的三维设计模型，如图3所示．

3DSR形状文法设计语言

定义3．DSR形状文法．DSR形状文法是一个四元集｛S，L，R，I｝，其中：1）S是DSR形状的有限集合；2）L是标签的有限集合，用于控制形状文法在时间和空间上的推进；3）R是DSR规则的有限集合；4）I是一个自由实体，作为形状文法应用的起点，称为初始形状．在DSR形状文法中，设计过程能够通过形状集和规则集进行表示，进而形成设计语言［20］．由于DSR形状可以表示动态设计信息（设计行为），因此该设计语言可以表现设计师有意识的行为和思想．在工程设计中，设计过程开始自包含设计问题分析、设计解空间解析、设计表达和结果可视化在内的多个循环．因此在DSR设计文法中，本文建立了有结构的规则系统来表示设计思路。在DSR形状文法中包括3种类型的规则：DSR规则、辅助规则（auxiliaryrule）和布局规则（layoutrule）．DSR规则是用来在设计过程中产生形状变化．物理方面的形状变化可以被DSR形状表示并保存．辅助规则主要是用来处理通用的三维模型操作：‘拉伸’、‘缩放’、‘旋转’、‘扭曲’等．在设计过程中，设计师会在最终方案确定之前不停地做出决定，关于当前设计模型的评价和接下来的修改会对整体设计产生什么影响？通常来说，对于整体设计产生的影响将会起到主要作用．因此，这种决定将会一直循环，直至满意的设计方案产生．类似于真实的设计过程，布局规则主要用于指定当前形状和整体模型的关联和影响．2类特殊的功能规则被采用：“SliceRule”和“CombineRule”．通过这2个功能规则，模型可以被分解、合并为任意的子形状用来承载DSR规则和辅助规则的运用．因为设计过程不是直线型推进，而是螺旋型推进的，本文提出针对布局规则的3种关系。图5a所示的‘梯子’关系表示设计过程中的因果关系：Step2发生是由于Step1引起的，后面步骤的产生是由于其前面步骤而产生的．在设计中，前后的因果关系并不仅仅具有线性继承和相邻继承，也就是说，前面n代的步骤都会对第n＋1代的产生具有影响．并且，其影响并不是随着相隔代数的增加而减少（设计突发性）．图5b所示的交叉关系体现了设计过程中的选择性．在上一步的布局行为产生后，有可能会产生多种潜在的设计推进方法（Step2～Stepn）．图5c所示的平行关系体现的是设计过程中的分离行为，即设计步骤A1，A2与B1，B2之间的推进是弱连通的，之间没有必然的联系．当然，在设计过程中，每一种类型并不具有清晰的分割，而常常是多种关系交错发生在同一设计过程中的．本文将图1所示的椅子概念的设计作为案例来表现DSR形状文法的应用之一．通过上述调查问卷，作者邀请了很多职业设计师对相同的椅子模型（图1）应用本文所提出的方法进行重现设计．因此通过DSR形状文法能够得到很多不同设计语言．其中，3种设计语言被选取作为本文案例，展示3种规则对于设计知识的保存和应用．在图6中，设计语言A共有6步．其中，Step1和Step4为布局规则．Step2将立方体分割为3部分用来产生扶手—椅子主体—扶手．Step4将椅子主体设计分为上下2部分．Step3，Step5，Step6属于DSR规则，用来对相应选取的形状进行物理外观的变化．在该设计语言中，Step2和Step4之间属于‘阶梯’关系，因为如果没有Step2，Step4就不会发生．图6中设计语言B分为7步．其中，Step2和Step4为布局规则，其余为DSR规则．Step2和Step4之间属于‘交叉’关系．在Step2后，以后的操作具有2个选择．而Step3和Step5属于‘平行’关系，也就是说，它们之间没有必然的先后顺序，属于弱连通．图6中设计语言C包括4步．其中Step2为布局规则，其余为DSR规则．‘平行’关系在该设计语言中得到了体现。上述3个设计语言的获取都由系统自动完成的．设计师被邀请来使用本文建立的3D交互式建模引擎，通过可视化界面和窗口控件交互操作，他们可以像在常规3D建模软件中一样进行工作．与此同时，系统能够根据其设计操作对整个设计过程通过DSR形状文法进行获取和保存，继而产生设计语言．本系统采用ACIS技术，在Windows平台下运用C＋＋语言实现的。将3个不同的设计语言应用到衍生式设计框架中，在系统内可以快速地产生3种不同的设计方案群体，如图8所示．图8a所示模型是根据设计语言A衍生而来的，体现了椅子主体的一体化设计和悬空椅子扶手的思想．图8b所示模型是根据设计语言B衍生而来的，体现了椅子上下部分不同的设计风格．图8c所示的模型是根据设计语言C产生的，体现了扶手和椅子主体的一体化风格．每一个新椅子都能够通过DSR形状进行表示和存储．也就是说，它们都可以做到图2中类似的衍生式变换．当作者将新的设计模型给3位设计语言的设计者观看时，他们都非常感兴趣．他们表示，其原始设计思路是在本文的3D建模系统中花费了1～2h不等的时间完成的．然而，所有的衍生设计模型都是在1min内通过基于系统自动产生的．这大大节约了设计周期．从美观和创新价值方面，新产生的模型都比较令人满意．虽然，这些新模型还不能直接作为设计方案进入产品设计流程，但它们都表现出原始设计方案的设计思想，并且在设计效果上有了较大的不同，给予设计者感官上直接的冲击和新颖的刺激，能够有助于其设计知识的扩展和设计构思的产生．

4结论

本文提出动态形状表示法———DSR形状，其能够表示形状变化的动态信息．在DSR形状的基础上，DSR形状文法的提出和3种类型规则的引入能够满足在设计过程中获取设计知识的目的．通过案例研究，作者邀请设计师对于相同的设计模型进行设计再现．通过衍生式设计机制，将获取的设计语言应用到算法系统中，能够产生出多个不同的设计群体．经过后期的反馈调查，每个群体都能够体现原始设计语言的设计思路．本文中，无论设计语言的生成、设计语言的保存，还是新设计种群的衍生设计全部都是系统自动完成的．这样能够确保设计知识在由定性信息转化为定量信息时，信息缺失尽可能地降低．通过前期实验结果显示，基于动态表示的DSR形状文法能够在设计过程中获取设计师的设计意图．从设计师方的反馈来看，这种方法适合于产品概念设计阶段的构思过程．本文工作还有很多需要进一步完善的地方．当前仅基本形状图元（立方体、球体）被考虑．针对复杂的形状建模，例如自由曲面形状建模，还不能完全支持．因此，如何进一步扩展ER规则库以适应复杂模需求成为了将来研究的重点之一．当前，在设计语言方面，简单的设计过程已经进行了实验．但真实的设计过程往往更为复杂，本文的方法针对复杂的设计过程是否还能保持相同的实验效果，还有待于进一步验证．最后，经过设计师的反馈，新产生出的模型在设计风格方面略有改变．如何通过衍生机制产生大量新颖设计方案的同时，能够尽可能地保持设计风格等设计固有属性，也成为将来的研究方向．

作者：崔嘉唐明晰刘弘单位：山东师范大学信息科学与工程学院山东省分布式计算机软件新技术重点实验室香港理工大学设计学院