基于SPEOS CAA的手機外觀視覺仿真

黃攀

摘 要：本文討論了手機外觀視覺仿真的原理與過程，建立了手機視覺仿真方法的框架模型。以CATIA為平臺，依據人眼視覺仿真方法完成了手機外觀模型的建立，并通過光學仿真算法，利用SPEOS CAA的VE模塊對手機使用者的視線進行了追蹤，成功模擬了手機的幾組外觀效果，避免了昂貴的手機樣機制作。

關鍵詞：人眼視覺；光線追跡；SPEOS CAA；BRDF

社會往往關注外表優秀的人，手機也是一樣。智能機除了性價比之外，用戶更容易被手機的顏值所吸引。目前外觀設計成為手機行業新的競爭點，工業設計一般會反復研究手機的配色、材質、工藝、尺寸等，通過制作各種物理樣機來實際對比手機的外觀效果，對手機外觀苛刻的公司一般會反復制作手板，最終選取一個顏值最優的方案進行產品設計。手板的制作一般耗費大量的時間和成本。如何通過人眼視覺仿真模擬手機的顏值效果，降低打樣的次數，這一塊手機行業相關研究極少。

人眼視覺仿真遠非普通的渲染，SPEOS CATIA是國際著名的光學仿真軟件，其人眼視覺仿真功能獨步全球。人眼視覺仿真一般是根據人體的生理反應和心理感受， 來仿真人眼對光亮度、光顏色、光飽和度等條件的反應。光源發出的光在3D場景中傳播， 一部分光直接射向觀察者，一部分光經過反射后射向觀察者。根據觀察者的人眼捕捉到的光線和觀察者所在的視場角生成輝度分布，然后通過視覺仿真模型進行轉換， 從而仿真人眼對視覺圖像的反應，查看仿真數據并將分析結果與各種標準和人類視覺生理學參數進行比較，這樣觀察者就可以看到真實的色彩與圖像。

本文的大體工作流程如下：

1）幾何建模：利用手機CAD模型，按照仿真

軟件的要求對模型進行簡化和修改；

2）光源建模：使用仿真軟件添加外部環境光源和手機顯示屏光源，詳細定義各光源的光學參數；

3）手機外觀材質建模：通過材質庫、光學仿真經驗、實測數據等定義各外觀材質的光學屬性；

4）人眼視覺建模：按照手機觀察者的各種參考眼位，構建視覺傳感器；

5）視覺仿真及分析：設置人眼視覺仿真參數，進行仿真分析，并與實際的樣品外觀比對。

1 手機材質和工藝簡介

電池蓋由透明PC注塑成型，然后經過正反兩面噴涂，內漾的幾何紋路非常出彩，使得手機看上去頗具立體感，強烈的珍珠白網格設計彰顯時尚。快門拍照按鍵是透明PC材質，下邊緣噴涂綠色，底面噴涂白色，看起來具有翡翠的靈動。攝像頭處也是透明的PC材質，底面噴涂黑色，表面做CD紋路處理。正面蓋板為透明PC，非顯示區域絲印黑色，蓋板搭配一塊夏普顯示屏，具有鏡面質感。正面鍵盤區采用白色鋼琴烤漆，字符區域絲印灰色。中間按鍵為透明PC材質，底面絲印白色，缺口處絲印綠色，四周裝飾件是黑色塑膠注塑成型。

一般常用OPTIS 公司的SQUALE設備測量表面光學屬性與BRDF、測量材料的顏色光譜形成光學材料文件，導入SPEOS CAA中進行模擬仿真。或者使用OPTICAL BENCH測量三維光強分布、測量表面光學屬性與BRDF、BTDF等、測量材料的吸收光學屬性、測量光源或材料的顏色光譜數據。手機顯示屏一般采用PHOTOMETRICAL CAMERA測試三維的強度分布和亮度水平以及顏色光譜數據。

BRDF模型比一般的光線追跡分析更接近實際物體的表面光學效果。針對某個光學表面，BRDF模型用來描述入射角度方向上的光照強度怎樣影響某個出射角度上的輻射比率。

總而言之，BRDF模型闡述了入射光傳播到光學表面反射后在不同的出射角度上是如何分布的，包含了常見的漫反射、一般的鏡面反射、各向異性的反射、各向同性的反射等。對比常規的簡單光線追跡，BRDF囊括了各種反射形式，比如打磨的玻璃、金屬拉絲表面、絲印工藝等。

BRDF模型又稱雙向反射分布函數，模型規定了光線在物體表面是如何傳播的，光線透射、吸收、反射的比率大小是多少。BRDF模型主要考慮的是光線透射、吸收和反射的比值是多少，它們是如何動態變化的。

反射一般是漫反射，定義好了光源類型、物體表面材質、觀察角度等，一般就可預見這些光線發生的各種變化。實際光學環境是立體三維的，光線角度有橫向和縱向上各種不同的散射角度，光線在物體表面的切向平面和法向平面上的分布規律構成了BRDF模型的核心。雙向反射分布函數可以更全面地闡述光線在物體表面上發生的各種變化，這樣在模擬仿真平臺上，人眼可看到更佳的物體視覺效果，和現實人眼看到的物體外觀十分接近。

2 光源的參數設置

手機在不同場景下看到的效果不一樣，這里的環境光源定義。光譜采用軟件自帶的光譜類型，這里重點說明下環境的類型一般選擇HDRI File。HDR文件是一種高動態范圍圖像，相比普通的圖像，可提供更多的動態范圍和圖像細節，能夠更好地反映出真實環境中的視覺效果。

3 傳感器和仿真類型的建立

不同的角度觀察手機，由于光線的原因，有些角度看到的效果會差異比較大。為了仿真用戶在不同的角度下看到的手機外觀效果，必須設置不同方位分布的輝度傳感器。在模擬分析結束后，可查看不同視場角看到的手機外觀效果圖。

4 結論

本文應用人眼視覺仿真方法可比較真實的反映出產品的實際外觀效果，尤其是對于噴涂件和磨砂件，采用Monto-Calo方法可有效計算出其不同視角下的視覺效果。本文主要研究了手機外觀視覺仿真的流程和方法，建立了手機視覺仿真的模型。以CATIA為平臺，根據視線追蹤算法，利用SPEOS CAA的VE模塊對觀察者的視線進行了追蹤仿真， 實現了在電腦上進行手機外觀的光學模擬仿真， 并與實際手機的圖片進行了對比。本論文所研究的手機外觀視覺仿真方法對于手機行業工業設計及項目評估具有明顯的工程使用價值。

參考文獻：

[1] 張煒，馬智，俞金海.基于SPEOS/CATIA的飛機駕駛艙眩光量化評估方法[J].系統工程理論與實踐，2012，11：82-85.

[2] 何永春.淺議智能手機外觀設計價值與專利布局[J].中國發明與專利，2016，07：56-58.

[3] 海樺，王海旋.手機設計人性化研究[J].濰坊學院學報，2015，02：75-78.