材料－工藝計算機仿真的交互式表達研究

鐘 廈,陳俊浩,曹曉麗（中國礦業大學藝術與設計學院，江蘇徐州， 221116)

材料－工藝計算機仿真的交互式表達研究

鐘 廈,陳俊浩,曹曉麗
（中國礦業大學藝術與設計學院，江蘇徐州， 221116)

材料-工藝與計算機仿真間形成交互式的工作方式是仿真工作的關鍵。文章梳理了工業產品材料-工藝計算機仿真中存在的問題，提出了材料-工藝計算機仿真的交互式工作架構，并以汽車鈑噴工藝、車漆材質渲染為例，展示了其計算機仿真的交互式工作方法，之后對仿真效果進行評價，得出了材料-工藝進行計算機仿真的交互式原則。

材料工藝；交互；仿真表達

1 工業產品的材料-工藝計算機仿真存在的問題

在工業產品造型設計的過程中，其方案的表達需要將所采用的工藝效果用計算機輔助設計的相關軟件把匹配的材料、工藝及最終的工藝效果用計算機仿真的方式表達出來。材料工藝仿真表達的目的是再現真實的材料-工藝，往往需要在材料、工藝觀察與理解的基礎上，在方案表達中展示對材料、工藝規劃的效果，因此對材料工藝的計算機仿真需要與材料選擇、工藝選擇和工藝效果建立起交互的思維方式，采用交互的表達工作流程。那么，材料工藝的計算機仿真過程存在的問題主要是：

1）產品設計師、CMF設計師在意識上把材料-工藝與計算機仿真分屬不同的工作領域。通常情況下會把材料工藝與生產制造環節相對應，而把計算機仿真看作是計算機輔助設計的工作內容，彼此間有效的聯系較弱，使得他們用想象替代了現實，過度沉浸在軟件使用的過程及追求軟件制作效果的“美”感中。故計算機仿真失去了再現真實材料-工藝的作用。

2）在計算機仿真渲染時，過度依賴默認材質庫，忽視積累多圖層參數化調整的經驗。事實上，默認材質不能反映真實的材料-工藝效果，需要產品設計師積累起軟件渲染模塊中各項指標的參數調整與真實材料-工藝效果的對應關系，以養成材料-工序-工序效果多圖層疊加的材質渲染經驗。

綜上所述，設計師需要養成與真實的材料工藝過程相匹配的思維方式和仿真工作流程。

2 材料-工藝計算機仿真的交互式工作架構

既然計算機表達工作與材料-工藝過程間的仿真過程存在問題，就需要建立交互式的工作思路，如圖1展示了工業產品材料－工藝規劃設計的主要工作內容（A區）為材料工藝考察、分析及規劃，其中表面裝飾材料、工藝效果是CMF設計師、產品設計師工作的主要內容（B區），而計算機仿真表達的主要內容如C區所示，通常情況下B區與C區的工作關聯性會被設計師人為的忽略。

文章將以Cinema 4D為計算機輔助表達工具，以汽車表面裝飾的鈑噴工藝過程——使用的裝飾材料、工序過程、工序效果為觀察對象，來展示車漆材質-工藝計算機仿真的交互式工作過程，以建立多圖層應用的計算機仿真過程，實現渲染表達與真實材料-工藝效果高度融合的交互式工作方法，合理建構材料工藝計算機仿真的思維習慣（D區）。

3 案例研究——汽車表面裝飾鈑噴工藝的計算機仿真交互式表達

3.1 汽車表面裝飾鈑噴工藝的仿真工作流程

圖2為汽車表面裝飾鈑噴工藝的計算機仿真交互式工作架構。要求設計師到汽車鈑噴車間，在工藝人員介紹鈑噴工藝流程的基礎上，將汽車鈑噴的材料、工序、工藝過程、工藝效果作為觀察、記錄的對象，重點觀察記錄鈑噴工藝使用的表面裝飾材料、各工序的工藝效果及工藝疊加后的色彩、肌理、透明度、光滑度、反射性等視覺效果，形成計算機仿真表達的工作任務，通過圖層材質的色彩、凹凸、折射、反射等參數的合理設置，模擬每一道工序的視覺效果，最后通過圖層疊加渲染，建立多圖層工作的意識，合理調整材質參數，完成對汽車鈑噴工藝效果的真實再現。具體工作如下：

圖1 材料-工藝計算機仿真的交互式工作架構（作者整理）

圖2 汽車表面裝飾的鈑噴工藝計算機仿真交互式工作架構圖（作者整理）

表1 汽車鈑噴工藝觀察任務列表（作者整理）

表2 汽車鈑噴工藝記錄任務列表（作者整理）

圖3 計算機仿真交互式表達思維（作者整理）

Step1觀察任務：

表1為材料工藝的觀察任務的設計。通過相關講解對所觀察的表面處理工序進行初步的認識，獲得進入車間的許可，對工件的表面處理工序進行跟蹤觀察與理解。

Step2記錄任務：

表2 為汽車鈑噴材料-工藝效果記錄任務的設計。對技師的操作進行拍照和記錄經驗豐富的技術員對每道工序效果的處理，理解表面裝飾細節與工序的對應關系，及時對所獲信息、資料進行整理。

Step3仿真任務：

表3為在汽車鈑噴工藝效果的計算機仿真任務。

3.2 運用計算機軟件（Cinema 4D）對汽車鈑噴工藝效果的仿真過程

3.2.1 計算機仿真的交互式表達思維

圖3是建立在汽車鈑噴工藝觀察記錄基礎上的計算機仿真表達思維的形成：1）了解所選用的渲染模塊（如Cinema 4D的渲染模塊），2）應根據工藝效果（如汽車的鈑噴工藝效果）整理出計算機仿真的任務和步驟（如Cinema 4D仿真的任務和步驟），3）根據上述任務與步驟，用多圖層與多工序效果相對應，4）把工藝疊加的效果最真實的反映出來。

3.2.2 Cinema 4D計算機仿真表達的過程

1）了解Cinema 4D的渲染模塊

表4 Cinema 4D渲染模塊認識（作者整理）

表5 導入汽車模型（作者整理）

2）根據鈑噴工藝效果整理出仿真任務和步驟，見表3。

3）根據任務與步驟，對應表面處理的工序效果，用軟件建立對應工序的材質層。

步驟1：導入汽車模型

表6 對抹膩子工序的觀察（作者整理）

表7 對抹膩子工序的仿真（作者整理）

為了突出仿真汽車表面裝飾的計算機仿真實驗，如表5所示；有必要將預先期先準備好的汽車模型導入Cinema 4D之中并打好燈光與攝影機，建立起一個模型渲染所需要的場景。步驟2：對抹膩子工序的觀察與仿真

表8 對底漆工序的觀察（作者整理）

表9 對底漆工序的仿真（作者整理）

Cinema 4D要對汽車鈑噴工藝中抺膩子工序的效果進行仿真表達，就有需要把鈑噴工藝抹膩子工序的效果記錄呈現出來。

如表6所示，抹膩子工序的目的是為了填補被裝飾工件表面的凹坑，使工件表面整體恢復平整，膩子在工件表面干燥以后呈淺米色，走近觸摸，在平滑的表面上有少量針孔式的凹坑存在，而遠看時視覺卻辯認不出。作為車漆的首道工序，對膩子層的仿真有可能在對老舊汽車的表達過程中需要，特別是動漫、游戲中會對此有所需求。因此，應用Cinema 4D進行對抹膩子工序的仿真表達如表7所示：

步驟3：對底漆工序的觀察與仿真

如表8所示，底漆工序的目的是為了徹底填補膩子層的針眼，使工件表面達到相當平滑的狀態，為底色漆與清漆的噴涂做準備。底漆在干燥以后其表面為淺灰色，其表面已經相當光滑。作為車漆的第二道工序，對底漆層的仿真同樣有可能在對老舊汽車的表達過程中需要，特別是動漫、游戲中會對此有所需求。

表10 對底色漆工序的觀察（作者整理）

表12 對底色漆工序的觀察（作者整理）

因此，應用Cinema 4D進行對底漆層的仿真表達步驟如表9所示：

步驟4：對底色漆材質的仿真

如表10所示，車漆根據成分與效果的不同大致可以分為兩種：素色漆與銀粉漆，其中主要是底色漆的成分與特性有所區別。兩種底色漆中，素色漆不含閃光顏料，以紅色為例，噴完后表現為表面紅色，無明顯高光，視覺正面較視覺側面顏色深淺對比較弱；金屬漆內含閃光顏料，在底色漆層的制作中比素色漆較為復雜，以銀粉漆為例，噴完后表現為表面銀色，高光較亮，視覺下面較視覺側面顏色深淺對比較強，表面顆粒感較強。因此，應用Cinema 4D進行對底漆層的仿真表達步驟如表11所示：

步驟5：對清漆材質的觀察與仿真

如表12所示，清漆是附著于底色漆表面的一層具有高亮、高反射的透明物質，它表面并非光滑而是具有輕微桔皮肌理的屬性，為汽車鈑噴工藝的最后一道工序，起到提高車漆光澤度、抗氧化的作用。相對應的材質參數設置應如表13。

步驟6：真實車漆效果與最終渲染仿真

最終反映汽車鈑噴工藝的底色漆層與清漆層想疊加的表面效果，設置好相關渲染參數后，得到了高仿真的車漆效果（如圖4、圖5）。

圖4 素色紅漆效果（作者自繪）

圖5 銀粉漆效果（作者自繪）

4 材料-工藝交互式計算機仿真效果的評價

表14 被測人員組成

汽車表面裝飾鈑噴工藝的交互式計算機仿真效果已經呈現，但是其視覺效果還需進行視覺評測，方可說明交互式計算機仿真方式的有效性，故組織了仿真效果的評價實驗。如表14所示，以汽車4S店售后服務工作人員（包括工藝主管、工藝技師、營銷主管和服務顧問）和汽車消費者為實驗對象，共50人，對A采用了交互式計算機仿真方法制作的車漆效果圖、B未采用交互式計算機仿真方法制作的車漆效果圖進行語意差分法的對比測評，具體評測內容見表15。

表15 材料工藝計算機仿真效果評價（作者整理）

測評結果如圖6：受試的22名售后服務人員中，54.5%認為對膩子工序的計算機交互式仿真效果非常真實， 41.0%認為真實；54.5%認為對底漆工序的計算機交互式仿真效果非常真實， 36.4%認為真實；72.7%認為最終的車漆效果仿真非常真實，22.7%認為真實。說明了交互式的計算機仿真實現了對車漆各工序的逼真表達。

表13 對清漆工序的仿真（作者整理）

如圖7：所有受試人員（50人）中，50%認為A仿真效果非常真實，38%認為真實；26%認為B仿真效果非常真實，42%認為真實。說明了A比B的仿真度更高。

5 小結

通過汽車表面裝飾鈑噴工藝的計算機交互式仿真表達，說明了針對材料-工藝進行計算機仿真時應遵循：

1）結合企業生產工藝的實際情況，在理解材料、工序、工藝及最終視覺效果的基礎上，明確計算機軟件仿真工作的目的，以實現對材料-工藝效果的真實再現。

2）注重對材料-工藝的生產觀察，養成觀察行為與計算機仿真間交互的表達習慣，形成與材料-工藝現實相結合的軟件工作思維，才能建構起適應企業現實的表達工作習慣。

3）計算機仿真應多圖層表達，與材料-工藝過程一一對應，相互滲透，交互進行。

[1] 將曉.淺談工業設計[J].CAD/CAM與制造業信息化.2014. Z1:48-49.

[2] 熊光楞.計算機住址技術在轎車工業中的應用與發展[J].系統仿真學報.2004.01:73-78.

[3] 吳濤.汽車涂裝的國內外發展動態[J].汽車工藝與材料.2006.09:29-34+36.

[4] 曹祥哲.做有“材”的產品設計——談材料在產品設計中的重要作用[J].天津美術學院學報.2013.01:88-89.

鐘廈 （1967－）中國礦業大學藝術與設計學院副教授，主要研究方向：新產品開發設計的教學法研究

陳俊浩 （1991－）中國礦業大學藝術與設計學院研究生，主要研究方向：新產品開發設計

曹曉麗 （1987－）中國礦業大學藝術與設計學院研究生，主要研究方向：新產品開發設計

Research on Computer Interactive Simulation Expression of Material- Process

Zhong Sha,Chen Junhao,Cao Xiaoli
（Institute of Art and Design, China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou，221116）

The interactive working mode formed between material-process and computer simulation is the goal of simulation.The paper summarizes the existing problems of industrial products in materialprocess computer simulation,proposes the working architecture of materials- process interactive computer simulation,on the basis,takes interactive work method of sheet spray process and paint texture rendering of automobiles as an example,makes evaluation on the interactive simulation effect of sheet spray process of automobiles, and obtains the interactive principles that material- process carries on computer simulation.

Material Process;Interaction;Simulation Expression

圖 6 采用交互方式對各工序仿真效果評價統計

圖 7 采用與未采用交互方式對各工序仿真效果評價統計

項目名稱：中國礦業大學社會科學基金項目“理工科高校大學生藝術教育研究”（2012w44）；中國礦業大學課程建設與教學法改革項目“產品造型基礎教學法改革”（200446）；“產品設計分析教學法改革與實踐”（200748）項目階段成果