基于設(shè)計(jì)草圖的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)方法

袁媛 干靜

關(guān)鍵詞：參數(shù)化建模 視覺動(dòng)力 簡化原則 設(shè)計(jì)草圖 三維模型 工程模型

引言

設(shè)計(jì)草圖和三維模型在確定新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的階段起著非常重要的作用。設(shè)計(jì)草圖是創(chuàng)意師在概念設(shè)計(jì)階段的主要表達(dá)手段，是創(chuàng)意師將思維中抽象概念快速靈活具象表達(dá)的結(jié)果[1]。三維模型是通過三維建模軟件構(gòu)建并呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中的物體模型[2]，最終通過3D打印、開模等方式轉(zhuǎn)化為實(shí)物產(chǎn)品。設(shè)計(jì)草圖主要解決了產(chǎn)品的創(chuàng)意問題;三維模型則更注重解決產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)問題。

新產(chǎn)品三維模型的生成需要多方人員的配合。典型的設(shè)計(jì)過程是創(chuàng)意師提供設(shè)計(jì)草圖、設(shè)計(jì)師建立三維模型、結(jié)構(gòu)工程師完成工程模型。但在實(shí)際操作時(shí)常存在以下問題：第一，人員背景知識(shí)的不一致和草圖的模糊性會(huì)造成草圖理解差異[3]，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)師建立的三維模型外觀造型不能達(dá)到創(chuàng)意師的設(shè)計(jì)意圖;第二，設(shè)計(jì)師與結(jié)構(gòu)工程師所用軟件不兼容，迫使結(jié)構(gòu)工程師修補(bǔ)并重建三維模型[4]，增加時(shí)間成本。

基于自頂而下的參數(shù)化建模方法，賀謙等[5]和劉承杰等[6]分別設(shè)計(jì)了導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)和環(huán)形防噴器，提高了建模和修改的效率;ZhiyiPan等[7]建立的三維模型可直接用于仿真分析，保證了工作協(xié)同性。

吳江奎等[4]基于Creo Parametric建立了電吹風(fēng)外觀模型，并因此提高了模型精度，易于修改，便于與結(jié)構(gòu)工程師銜接。但未涉及如何將草圖信息轉(zhuǎn)化為模型信息。近年來基于草圖的三維建模研究多集中于還原草圖，而忽視了三維建模時(shí)合理的造型推敲，明守政等[8]基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)闡述了汽車造型從草圖到初期數(shù)模的造型方法，但未與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)銜接。為此，需研究一種既能保證設(shè)計(jì)師主導(dǎo)產(chǎn)品造型，又能與結(jié)構(gòu)工程師協(xié)同工作的建模設(shè)計(jì)方法，以提高新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

一、參數(shù)化建模設(shè)計(jì)方法的構(gòu)建思路

三維建模時(shí)，設(shè)計(jì)師需從設(shè)計(jì)草圖獲取產(chǎn)品造型信息，從而建立三維模型。

（一）設(shè)計(jì)草圖的類型

設(shè)計(jì)草圖不僅是表現(xiàn)思維的手段，也是增強(qiáng)思維的手段[9]。設(shè)計(jì)草圖能幫助創(chuàng)意師方便快捷地記錄設(shè)計(jì)想法[10]，同時(shí)進(jìn)一步啟發(fā)創(chuàng)意師新的設(shè)計(jì)創(chuàng)意[9]。因此設(shè)計(jì)草圖依舊是一種無可取代的設(shè)計(jì)表達(dá)方法。如圖1所示，根據(jù)繪圖工具的不同，常見的設(shè)計(jì)草圖可分為紙上手繪（圖1-a）及計(jì)算機(jī)輔助繪圖，其中計(jì)算機(jī)輔助繪圖又可細(xì)分為筆刷繪圖（圖1-b）和矢量繪圖（圖1-c）。相對矢量繪圖，紙上手繪和筆刷繪圖的繪圖方式更加自由，更有利于創(chuàng)意師進(jìn)行創(chuàng)作，但相對不便修改，易出現(xiàn)草圖噪音，造成理解誤差。文中的設(shè)計(jì)草圖主要指紙上手繪和筆刷繪圖。

（二）參數(shù)化建模軟件的選擇

由于設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同，設(shè)計(jì)師與結(jié)構(gòu)工程師常采用不同的三維建模軟件構(gòu)建模型，設(shè)計(jì)師完成的三維模型需轉(zhuǎn)換為IGES或STEP等中間格式才能為結(jié)構(gòu)工程師使用。三維模型在導(dǎo)入結(jié)構(gòu)工程師使用的參數(shù)化建模軟件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)曲面破裂、零件丟失等問題，結(jié)構(gòu)工程師需花費(fèi)大量時(shí)間修補(bǔ)、重建模型[4]。后期修改則還需重復(fù)此過程。

隨著建模軟件的升級(jí)，Creo Parametric等參數(shù)化建模軟件集合了自由建模和參數(shù)化建模的特點(diǎn)[4]，設(shè)計(jì)師直接采用參數(shù)化建模軟件建立的三維模型無需轉(zhuǎn)換中間格式便可為結(jié)構(gòu)工程師使用。同時(shí)，雙方采用自頂而下的參數(shù)化建模方法，即以包含產(chǎn)品所有結(jié)構(gòu)布局、約束參數(shù)、參照基準(zhǔn)、裝配關(guān)系等信息的骨架模型為基礎(chǔ)參數(shù)控制零部件模型及裝配等信息[6]的建模方法，便于管理、應(yīng)用設(shè)計(jì)信息，便于多方人員協(xié)同工作[5]，有利于保證設(shè)計(jì)師對產(chǎn)品外觀造型的主導(dǎo)性。文中以Creo Parametric為軟件平臺(tái)。

（三）參數(shù)化建模設(shè)計(jì)方法的構(gòu)建思路

三維建模即設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)草圖的視覺信息轉(zhuǎn)化為幾何信息的過程。三維建模常依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)與技巧。設(shè)計(jì)師、結(jié)構(gòu)工程師與設(shè)計(jì)草圖、三維模型以及工程模型的關(guān)系如圖2所示。設(shè)計(jì)師從設(shè)計(jì)草圖中獲取視覺信息，運(yùn)用三維建模軟件建立三維模型，三維模型再提供視覺反饋予設(shè)計(jì)師評(píng)價(jià);結(jié)構(gòu)工程師以三維模型為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接受仿真分析等反饋信息，修改迭代，最終得到滿足生產(chǎn)需求的工程模型。

視覺感知在三維建模中的作用不可忽視。阿恩海姆先生的視知覺理論主要研究形狀等視覺元素的特性，適用于對產(chǎn)品造型的分析、理解、評(píng)價(jià)。本文重點(diǎn)將這種視覺感知細(xì)化為模型幾何特點(diǎn)和建模方法。幾何建模思想貫穿了設(shè)計(jì)草圖與三維模型。首先，三維建模軟件是由幾何數(shù)學(xué)思維構(gòu)建的，借助幾何建模思想理解設(shè)計(jì)草圖有利于設(shè)計(jì)師將視覺信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)熟識(shí)的建模信息。另外，在繪制設(shè)計(jì)草圖時(shí)，創(chuàng)意師也會(huì)運(yùn)用幾何建模思想梳理、繪制草圖造型。結(jié)合視知覺理論與幾何建模思想總結(jié)的視覺兩原則有助于設(shè)計(jì)師理解設(shè)計(jì)草圖并對構(gòu)建的三維模型做出評(píng)價(jià)。除對設(shè)計(jì)草圖還原外，設(shè)計(jì)師還可在三維建模過程中進(jìn)一步推敲造型。

二、視覺兩原則

視覺兩原則包括：視覺動(dòng)力用于保證品牌形象和設(shè)計(jì)風(fēng)格，構(gòu)成視覺認(rèn)知的第一要素[11];簡化原則用于減弱非重點(diǎn)元素、梳理造型，便于將美學(xué)語言轉(zhuǎn)化為幾何建模語言。

（一）視覺動(dòng)力

在視知覺理論中，阿恩海姆先生將視覺式樣對人心理產(chǎn)生的能動(dòng)反應(yīng)解釋為“力”的作用，每一個(gè)視覺式樣都是一個(gè)力的式樣，視知覺即對力的知覺[12]。消費(fèi)者在識(shí)別產(chǎn)品時(shí)，視覺識(shí)別是最直觀印象的形態(tài)要素[13]，視覺第一印象決定了產(chǎn)品的被接受度[11]。視覺動(dòng)力可有效幫助設(shè)計(jì)師從設(shè)計(jì)草圖中提取產(chǎn)品造型的主要視覺特征，制造視覺重點(diǎn)，保證品牌語言的傳達(dá)。

1.視覺動(dòng)力的產(chǎn)生：視覺動(dòng)力同形狀、大小、色彩等都是視覺對象的真實(shí)性質(zhì)，同時(shí)，它也是形狀、色彩和位置的內(nèi)在性質(zhì)[12]。下面將以圖3草圖造型為例，介紹視覺動(dòng)力與造型相關(guān)（形狀、大小、位置）的產(chǎn)生方式，如表1所示，根據(jù)涉及的物體數(shù)量，分為單一物體內(nèi)部的變形以及多個(gè)物體間的空間關(guān)系。單一物體內(nèi)部形狀的所有視覺動(dòng)力幾乎都來自變形，變形可分為傾斜、形狀缺陷、曲率變化。多物體間的相對空間關(guān)系也會(huì)產(chǎn)生視覺動(dòng)力，主要可見于重疊關(guān)系與偏離簡化的情況。同物理力一樣，視覺動(dòng)力具有三種性質(zhì)：力的作用位置、力的大小、力的方向，如表1圖例中箭頭所示。越是接近于簡化的造型，越呈現(xiàn)出想要回到最簡化、平衡的狀態(tài)，具有的視覺動(dòng)力越強(qiáng)。

2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)中視覺動(dòng)力的作用：產(chǎn)品遺留在消費(fèi)者腦海中最終的印象，不是具體的形態(tài)，而是其最典型的視覺特征，即視覺動(dòng)力的總成。消費(fèi)者通過解讀產(chǎn)品視覺特征，領(lǐng)會(huì)產(chǎn)品隱含的品牌意義，從而形成產(chǎn)品品牌認(rèn)知[14]。同時(shí)，產(chǎn)品形象建立成功的關(guān)鍵在于產(chǎn)品視覺特征與消費(fèi)者認(rèn)知是否匹配[15]。產(chǎn)品的典型造型和其品牌最終將達(dá)成互通，例如，提及寶馬汽車，能夠聯(lián)想到“大鼻孔”通風(fēng)口的造型;看到汽車七孔前臉設(shè)計(jì)，也就知曉其品牌為吉普。

產(chǎn)品造型圍繞著一個(gè)主要的視覺動(dòng)力主題構(gòu)建，通過調(diào)整內(nèi)部相互沖突的視覺動(dòng)力后達(dá)到平衡。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，確定視覺動(dòng)力主題，即確認(rèn)風(fēng)格特征，即保證其品牌語言的重要途徑。視覺動(dòng)力主題根據(jù)產(chǎn)品傳達(dá)的品牌語言決定，或強(qiáng)烈激昂，或安靜平和。

（二）簡化原則

簡化原則是視知覺理論的基本規(guī)律，也是格式塔心理學(xué)的基本原理。簡化原則主要指人們對形態(tài)的認(rèn)知具有簡化的特性[11]，解讀模棱兩可的造型時(shí)，會(huì)傾向于忽略不重要的細(xì)節(jié)。同時(shí)，三維建模軟件的命令是基于設(shè)計(jì)師點(diǎn)線面體的思維邏輯構(gòu)建。利用這些特性，結(jié)合幾何建模思想梳理設(shè)計(jì)草圖中的造型元素，有利于將造型的美學(xué)語言轉(zhuǎn)化為三維建模軟件的操作命令，從而梳理建模思路。

簡化原則即對非主要視覺特征進(jìn)行簡化處理，完善產(chǎn)品造型的細(xì)節(jié)特征。簡化的目的是突出區(qū)別，突出設(shè)計(jì)風(fēng)格。以圖4草圖為例，可得到表2中的簡化原則。值得明確的是，完全簡化的產(chǎn)品造型會(huì)使人產(chǎn)生乏味。故應(yīng)注意合理、靈活地運(yùn)用簡化原則以保證造型與功能結(jié)構(gòu)不沖突;保留設(shè)計(jì)草圖中的個(gè)性化造型;并應(yīng)與視覺動(dòng)力達(dá)成平衡。

三、參數(shù)化建模過程

視覺兩原則將在參數(shù)化建模過程中得以應(yīng)用，設(shè)計(jì)師通過認(rèn)知設(shè)計(jì)草圖，構(gòu)建、評(píng)價(jià)及修改三維模型，以完成既滿足視覺審美又可與工程銜接的產(chǎn)品模型。

（一）設(shè)計(jì)草圖認(rèn)知設(shè)計(jì)草圖具有模糊性、不精確性、不完整性等缺陷[1]。為順利進(jìn)行參數(shù)化建模，對設(shè)計(jì)草圖的認(rèn)知主要包括獲取設(shè)計(jì)草圖的已有信息，并補(bǔ)足設(shè)計(jì)草圖的隱含信息。

1.設(shè)計(jì)草圖的已有信息獲?。涸O(shè)計(jì)草圖已有信息的獲取過程包括：首先篩選出設(shè)計(jì)草圖的有用信息，去除無用信息;進(jìn)而從整體把握設(shè)計(jì)草圖的造型視覺特征與設(shè)計(jì)風(fēng)格;最后確認(rèn)設(shè)計(jì)草圖的細(xì)節(jié)造型，簡化非重點(diǎn)元素。

（1）草圖去噪：紙上手繪和筆刷繪圖的設(shè)計(jì)草圖中，常遺留了一些因創(chuàng)意師修改或設(shè)計(jì)思維轉(zhuǎn)變造成的重復(fù)筆觸、冗余模糊的線條[16]等草圖噪音。去噪時(shí)應(yīng)明確線條的正確走勢，去除超出形體部分的線條;對于多筆畫造成的信息模糊與草圖形體繪制不精準(zhǔn)的問題，則可利用相似、延續(xù)等簡化原則對其簡化，結(jié)合視覺動(dòng)力使其融入整體設(shè)計(jì)風(fēng)格。草圖去噪的主要目的是明確設(shè)計(jì)草圖的有效內(nèi)容，必要時(shí)還可結(jié)合設(shè)計(jì)草圖中的記號(hào)、文字等判斷，排除干擾信息。

（2）視覺特征確認(rèn)：視覺特征確認(rèn)即確定設(shè)計(jì)草圖中造型的視覺動(dòng)力主題，可結(jié)合產(chǎn)品品牌語言、設(shè)計(jì)綱要或創(chuàng)意師的設(shè)計(jì)說明進(jìn)行主要造型提取，強(qiáng)調(diào)造型中最能體現(xiàn)變化與多樣性的造型。為方便在三維建模軟件中繪制線條，設(shè)計(jì)師常將去噪后的設(shè)計(jì)草圖置入三維建模軟件，運(yùn)用矢量線條描摹圖像中的線條，從而建立三維模型。

為減弱圖像中線條粗細(xì)變化和鋸齒效應(yīng)帶來的模糊性，設(shè)計(jì)師可利用視覺動(dòng)力去確定和修正曲線形態(tài)，求得最佳造型。

（3）細(xì)節(jié)造型擬合：為凸顯視覺特征，應(yīng)簡化擬合造型中其他非主要元素。運(yùn)用簡化原則梳理造型，去除多余復(fù)雜的造型關(guān)系，擬合造型細(xì)節(jié)，常采用如平行、對稱、相切、排列、延續(xù)等簡化原則。

2.設(shè)計(jì)草圖的隱含信息補(bǔ)足：三維建模是將二維轉(zhuǎn)變到三維的過程，還需要將二維中大量不確定的元素具象化[8]，補(bǔ)全未知的隱含信息。設(shè)計(jì)草圖的隱含信息補(bǔ)足可從典型面還原、未知造型補(bǔ)足和造型輔助補(bǔ)足三個(gè)方面進(jìn)行。

（1）典型面還原：三維建模時(shí)主要參考產(chǎn)品的六視圖以及關(guān)鍵位置橫截面。優(yōu)先推導(dǎo)出設(shè)計(jì)草圖造型的典型面有助于設(shè)計(jì)師確定產(chǎn)品的造型。任何典型面的選取都應(yīng)建立在簡化原則的基礎(chǔ)上，如圖5所示，對稱造型選擇對稱平面（如圖5-A，B）;平行垂直選擇正視圖、側(cè)視圖等（如圖5-C為頂視圖）。部分特殊位置的橫截面也是如此（如圖5-D為最大橫截面）。

（2）未知造型補(bǔ)足：設(shè)計(jì)草圖傳達(dá)的信息僅局限于固定的角度[8]，被遮擋的造型還需設(shè)計(jì)師補(bǔ)足。設(shè)計(jì)師可參考創(chuàng)意師的建議或根據(jù)設(shè)計(jì)草圖的設(shè)計(jì)風(fēng)格、品牌語言，結(jié)合視覺兩原則進(jìn)行補(bǔ)足。

（3）造型輔助補(bǔ)足：設(shè)計(jì)師常運(yùn)用簡單、基本的形狀經(jīng)過變形或組合成的新造型圖式來創(chuàng)造豐富的視覺動(dòng)力。視覺有將復(fù)雜圖形向簡單結(jié)構(gòu)發(fā)展的傾向[12]，利用這一特性，設(shè)計(jì)師可對設(shè)計(jì)草圖中的造型進(jìn)行輔助補(bǔ)足，方便簡化建模約束。如圖6中，倒圓角正方形A外側(cè)的六個(gè)不規(guī)則形狀可以補(bǔ)足為等同寬度和長度的六個(gè)長方形。

（二）三維模型的構(gòu)建及評(píng)價(jià)三維建模的過程是不斷迭代的過程。設(shè)計(jì)師需在三維建模的過程中不斷地對三維模型做出評(píng)價(jià)并修改，直至三維模型滿足設(shè)計(jì)師的視覺審美和結(jié)構(gòu)工藝要求。最終得到如圖7所示模型效果。三維模型的評(píng)價(jià)，并非僅針對設(shè)計(jì)草圖的還原度，還包括對產(chǎn)品造型的推敲。三維模型的評(píng)價(jià)還需輔助視覺兩原則，可參考以下方面：第一，靜態(tài)造型還原，對產(chǎn)品多角度檢驗(yàn)，特別以三視圖（圖7-a）、草圖角度視圖（圖7-b，c）為基準(zhǔn)，比對設(shè)計(jì)草圖并確認(rèn)造型的還原度;第二，動(dòng)態(tài)角度評(píng)價(jià)，于三維建模軟件中旋轉(zhuǎn)三維模型，變換多種角度進(jìn)行視覺審核（圖7-d），確認(rèn)造型的視覺審美;第三，透視驗(yàn)證，工程類參數(shù)化建模軟件中的默認(rèn)透視為等角透視，而非中心透視，需檢驗(yàn)三維模型在與現(xiàn)實(shí)世界中同等視角視距下的中心透視效果。參數(shù)化建模的三維模型將被結(jié)構(gòu)工程師直接使用，并經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等過程得到工程模型，最終被生產(chǎn)并為用戶使用。

結(jié)論

設(shè)計(jì)師以視覺兩原則為設(shè)計(jì)草圖認(rèn)知和三維模型評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，與結(jié)構(gòu)工程師運(yùn)用同款參數(shù)化建模軟件進(jìn)行三維建模，一方面，有利于縮減時(shí)間成本，設(shè)計(jì)師構(gòu)建的三維模型可直接為結(jié)構(gòu)工程師沿用，并方便雙方同步修改;另一方面，有利于保證產(chǎn)品造型的視覺效果一致性，設(shè)計(jì)師構(gòu)建三維模型時(shí)可將美學(xué)要求盡可能付諸產(chǎn)品造型，并進(jìn)一步推敲產(chǎn)品細(xì)節(jié)。