關(guān)于產(chǎn)品外型概念設計方法的研究

原霞飛 劉希玉 劉鳳鳴

山東師范大學管理與經(jīng)濟學院 山東 250014

0 引言

計算機技術(shù)和計算機圖形學的不斷發(fā)展，為人們提供了強有力的工具。然而，往往同一實體造型的方法很多，要快速高質(zhì)量地完成一個實體的造型設計，需要充分了解各種造型方法的特點及應用技巧，簡化造型過程，提高造型效率。

1 概念設計

概念設計是產(chǎn)品設計中最關(guān)鍵、最復雜、最有決定性和創(chuàng)造性的階段，一方面概念設計階段很大程度上決定著產(chǎn)品的性能、創(chuàng)造性等，此外，據(jù)有關(guān)資料顯示，雖然概念設計階段實際投入的費用只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的 5%，卻決定了產(chǎn)品總成本的70%，而且詳細設計階段很難糾正概念設計階段的設計缺陷，它嚴重影響到產(chǎn)品設計與開發(fā)。

2 常用的構(gòu)件生成方法

在產(chǎn)品創(chuàng)新設計方面的研究主要分為兩大方面。一類是關(guān)于支持造型創(chuàng)新設計的進化計算方法的研究，另一類是關(guān)于支持產(chǎn)品創(chuàng)新設計 CAD造型關(guān)鍵技術(shù)的研究。關(guān)于產(chǎn)品的造型創(chuàng)新設計研究主要有兩方面的內(nèi)容，一是組件的生成，二是組件的組裝。下面主要討論幾種常用的造型概念設計的方法。

2.1 基于樹結(jié)構(gòu)的組件生成方法

基于樹結(jié)構(gòu)的構(gòu)件生成方法主要是通過數(shù)學函數(shù)形成二維草圖，選擇草圖再經(jīng)過計算機的處理后得到對應的三維圖像。數(shù)學函數(shù)以二叉樹的形式來表示，樹的節(jié)點是終端節(jié)點或者中間節(jié)點，分別對應操作數(shù)和操作符。對函數(shù)在節(jié)點處實施交叉、變異等操作，通過適應度函數(shù)的計算選擇新個體，進而達到進化的效果。該方法比較容易描述并修改具有分層結(jié)構(gòu)的設計對象，不足之處是生成的實體有很大的局限性，適用于比較簡單的外觀造型。產(chǎn)品外型設計時，該方法無法通過使用參數(shù)的變化直觀的得到圖形。常用的數(shù)學函數(shù)有三角函數(shù)、雙曲函數(shù)，指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)等。

具體步驟如下：

（1）初始化種群，通過數(shù)學函數(shù)得到二維曲線，即種子。

（2）通過設計人員交互確定個體的適應度，然后選擇對應的二維函數(shù)曲線查看其圖像，修改適應度值，進而產(chǎn)生新的種群。

（3）對新的種群執(zhí)行交叉和變異等操作。

（4）轉(zhuǎn)到(2)，或設計人員終止。

設計實例如圖1所示。

圖1 燈罩和支架的二維草圖、三維實體以及組合后的圖形

2.2 基于關(guān)鍵點的遺傳算法

主要思想是將產(chǎn)品分割為獨立部件，運用遺傳算法對單個部件或局部形態(tài)進行進化計算。利用改變控制點的方式控制曲線的形狀。可采用染色體編碼方式，染色體的每個基因是一個控制點，各控制點由相應的坐標確定。然后可進行交叉、變異等操作，最后人工選擇需要的個體。

（1）選擇進化計算的組件。

（2）設定遺傳算法的參數(shù)，生成初始種群。

（3）通過與設計人員的交互確定初始種群中個體適應度值。

（4）根據(jù)當前種群的適應度值形成新的種群，并進行交叉、變異。

重復(3)、(4)直到運算到達終止條件或人為停止。設計實例如圖2。

圖2 藝術(shù)品、茶幾

2.3 基于同倫映射的組件設計

按照某些規(guī)則持續(xù)地變化成另外的一個形狀的規(guī)則稱為同倫映射。同倫映射主要是通過構(gòu)造一個映射，利用映射中參數(shù)的變化將已知優(yōu)化解的問題與待求解的聯(lián)系起來。同倫映射中需要確定對象的兩端也即生長的起始點的形狀，也要確定映射規(guī)則，通常使用函數(shù)間的線性映射。即各種圖形是由兩個原始形狀經(jīng)過函數(shù)的線性變換生成。另外一種常用的方法是二次映射，即在二次映射時，加入一個中間層形狀。同倫映射能夠加快設計速度，拓展設計思路，增強構(gòu)件概念設計的創(chuàng)新性。常用的同倫映射函數(shù)有：1，1+5z，1+5z2，1+sin(2πz)等。圖3是通過確定兩端形狀，經(jīng)過同倫映射后的圖形。

圖3 同倫映射實例

2.4 基于交互式遺傳算法的有理B樣條設計

主要思想是實體的生成是通過使用有理B樣條曲線或曲面函數(shù)來生成的，把有理B樣條的關(guān)鍵點、權(quán)因子和節(jié)點向量編碼起來，對編碼個體實施交叉、變異等操作，產(chǎn)生新的后代，從而生成新的曲線或曲面，最后對曲線或曲面進行掃略、旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作生成具有創(chuàng)新性的實體。但是該方法主要是面向特定的領(lǐng)域，主要使用于由曲線或曲面構(gòu)成的簡單實體外觀造型。

圖4 花瓶

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟技術(shù)的飛速發(fā)展，以及CAD與CAM結(jié)合的日益緊密，產(chǎn)品的開發(fā)周期將不斷減小，產(chǎn)品的外觀將更加多樣化，功能將更加智能化，因此產(chǎn)品的創(chuàng)新性和以宜人性變得越來越重要。計算機支持的創(chuàng)新設計是一門多學科交叉課題，綜合人工智能技術(shù)的研究，充分發(fā)揮計算機的計算及三維模擬的能力，生成的圖形及圖像會更創(chuàng)意，其應用前景非常廣闊。

[1]高明,盛立,劉希玉.基于遺傳算法的創(chuàng)新建筑構(gòu)件概念設計[J].計算機應用.2006.

[2]劉弘,劉希玉,馬麗娜.支持進化的計算機輔助設計環(huán)境[J].計算機輔助設計與圖形學學報.2003.