基于設計草圖的參數化建模設計方法

袁媛 干靜

關鍵詞：參數化建模 視覺動力 簡化原則 設計草圖 三維模型 工程模型

引言

設計草圖和三維模型在確定新產品設計方案的階段起著非常重要的作用。設計草圖是創意師在概念設計階段的主要表達手段，是創意師將思維中抽象概念快速靈活具象表達的結果[1]。三維模型是通過三維建模軟件構建并呈現在計算機中的物體模型[2]，最終通過3D打印、開模等方式轉化為實物產品。設計草圖主要解決了產品的創意問題;三維模型則更注重解決產品的實現問題。

新產品三維模型的生成需要多方人員的配合。典型的設計過程是創意師提供設計草圖、設計師建立三維模型、結構工程師完成工程模型。但在實際操作時常存在以下問題：第一，人員背景知識的不一致和草圖的模糊性會造成草圖理解差異[3]，從而導致設計師建立的三維模型外觀造型不能達到創意師的設計意圖;第二，設計師與結構工程師所用軟件不兼容，迫使結構工程師修補并重建三維模型[4]，增加時間成本。

基于自頂而下的參數化建模方法，賀謙等[5]和劉承杰等[6]分別設計了導彈彈體結構和環形防噴器，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，保證了工作協同性。

吳江奎等[4]基于Creo Parametric建立了電吹風外觀模型，并因此提高了模型精度，易于修改，便于與結構工程師銜接。但未涉及如何將草圖信息轉化為模型信息。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合理的造型推敲，明守政等[8]基于實踐經驗闡述了汽車造型從草圖到初期數模的造型方法，但未與結構設計銜接。為此，需研究一種既能保證設計師主導產品造型，又能與結構工程師協同工作的建模設計方法，以提高新產品的設計效率。

一、參數化建模設計方法的構建思路

三維建模時，設計師需從設計草圖獲取產品造型信息，從而建立三維模型。

（一）設計草圖的類型

設計草圖不僅是表現思維的手段，也是增強思維的手段[9]。設計草圖能幫助創意師方便快捷地記錄設計想法[10]，同時進一步啟發創意師新的設計創意[9]。因此設計草圖依舊是一種無可取代的設計表達方法。如圖1所示，根據繪圖工具的不同，常見的設計草圖可分為紙上手繪（圖1-a）及計算機輔助繪圖，其中計算機輔助繪圖又可細分為筆刷繪圖（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，更有利于創意師進行創作，但相對不便修改，易出現草圖噪音，造成理解誤差。文中的設計草圖主要指紙上手繪和筆刷繪圖。

（二）參數化建模軟件的選擇

由于設計目標的不同，設計師與結構工程師常采用不同的三維建模軟件構建模型，設計師完成的三維模型需轉換為IGES或STEP等中間格式才能為結構工程師使用。三維模型在導入結構工程師使用的參數化建模軟件時，會出現曲面破裂、零件丟失等問題，結構工程師需花費大量時間修補、重建模型[4]。后期修改則還需重復此過程。

隨著建模軟件的升級，Creo Parametric等參數化建模軟件集合了自由建模和參數化建模的特點[4]，設計師直接采用參數化建模軟件建立的三維模型無需轉換中間格式便可為結構工程師使用。同時，雙方采用自頂而下的參數化建模方法，即以包含產品所有結構布局、約束參數、參照基準、裝配關系等信息的骨架模型為基礎參數控制零部件模型及裝配等信息[6]的建模方法，便于管理、應用設計信息，便于多方人員協同工作[5]，有利于保證設計師對產品外觀造型的主導性。文中以Creo Parametric為軟件平臺。

（三）參數化建模設計方法的構建思路

三維建模即設計師將設計草圖的視覺信息轉化為幾何信息的過程。三維建模常依賴于設計師的經驗與技巧。設計師、結構工程師與設計草圖、三維模型以及工程模型的關系如圖2所示。設計師從設計草圖中獲取視覺信息，運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計師評價;結構工程師以三維模型為基礎進行結構設計，接受仿真分析等反饋信息，修改迭代，最終得到滿足生產需求的工程模型。

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，適用于對產品造型的分析、理解、評價。本文重點將這種視覺感知細化為模型幾何特點和建模方法。幾何建模思想貫穿了設計草圖與三維模型。首先，三維建模軟件是由幾何數學思維構建的，借助幾何建模思想理解設計草圖有利于設計師將視覺信息轉化為計算機熟識的建模信息。另外，在繪制設計草圖時，創意師也會運用幾何建模思想梳理、繪制草圖造型。結合視知覺理論與幾何建模思想總結的視覺兩原則有助于設計師理解設計草圖并對構建的三維模型做出評價。除對設計草圖還原外，設計師還可在三維建模過程中進一步推敲造型。

二、視覺兩原則

視覺兩原則包括：視覺動力用于保證品牌形象和設計風格，構成視覺認知的第一要素[11];簡化原則用于減弱非重點元素、梳理造型，便于將美學語言轉化為幾何建模語言。

（一）視覺動力

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

1.視覺動力的產生：視覺動力同形狀、大小、色彩等都是視覺對象的真實性質，同時，它也是形狀、色彩和位置的內在性質[12]。下面將以圖3草圖造型為例，介紹視覺動力與造型相關（形狀、大小、位置）的產生方式，如表1所示，根據涉及的物體數量，分為單一物體內部的變形以及多個物體間的空間關系。單一物體內部形狀的所有視覺動力幾乎都來自變形，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系也會產生視覺動力，主要可見于重疊關系與偏離簡化的情況。同物理力一樣，視覺動力具有三種性質：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，越呈現出想要回到最簡化、平衡的狀態，具有的視覺動力越強。

2.產品設計中視覺動力的作用：產品遺留在消費者腦海中最終的印象，不是具體的形態，而是其最典型的視覺特征，即視覺動力的總成。消費者通過解讀產品視覺特征，領會產品隱含的品牌意義，從而形成產品品牌認知[14]。同時，產品形象建立成功的關鍵在于產品視覺特征與消費者認知是否匹配[15]。產品的典型造型和其品牌最終將達成互通，例如，提及寶馬汽車，能夠聯想到“大鼻孔”通風口的造型;看到汽車七孔前臉設計，也就知曉其品牌為吉普。

產品造型圍繞著一個主要的視覺動力主題構建，通過調整內部相互沖突的視覺動力后達到平衡。產品設計中，確定視覺動力主題，即確認風格特征，即保證其品牌語言的重要途徑。視覺動力主題根據產品傳達的品牌語言決定，或強烈激昂，或安靜平和。

（二）簡化原則

簡化原則是視知覺理論的基本規律，也是格式塔心理學的基本原理。簡化原則主要指人們對形態的認知具有簡化的特性[11]，解讀模棱兩可的造型時，會傾向于忽略不重要的細節。同時，三維建模軟件的命令是基于設計師點線面體的思維邏輯構建。利用這些特性，結合幾何建模思想梳理設計草圖中的造型元素，有利于將造型的美學語言轉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行簡化處理，完善產品造型的細節特征。簡化的目的是突出區別，突出設計風格。以圖4草圖為例，可得到表2中的簡化原則。值得明確的是，完全簡化的產品造型會使人產生乏味。故應注意合理、靈活地運用簡化原則以保證造型與功能結構不沖突;保留設計草圖中的個性化造型;并應與視覺動力達成平衡。

三、參數化建模過程

視覺兩原則將在參數化建模過程中得以應用，設計師通過認知設計草圖，構建、評價及修改三維模型，以完成既滿足視覺審美又可與工程銜接的產品模型。

（一）設計草圖認知設計草圖具有模糊性、不精確性、不完整性等缺陷[1]。為順利進行參數化建模，對設計草圖的認知主要包括獲取設計草圖的已有信息，并補足設計草圖的隱含信息。

1.設計草圖的已有信息獲取：設計草圖已有信息的獲取過程包括：首先篩選出設計草圖的有用信息，去除無用信息;進而從整體把握設計草圖的造型視覺特征與設計風格;最后確認設計草圖的細節造型，簡化非重點元素。

（1）草圖去噪：紙上手繪和筆刷繪圖的設計草圖中，常遺留了一些因創意師修改或設計思維轉變造成的重復筆觸、冗余模糊的線條[16]等草圖噪音。去噪時應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的問題，則可利用相似、延續等簡化原則對其簡化，結合視覺動力使其融入整體設計風格。草圖去噪的主要目的是明確設計草圖的有效內容，必要時還可結合設計草圖中的記號、文字等判斷，排除干擾信息。

（2）視覺特征確認：視覺特征確認即確定設計草圖中造型的視覺動力主題，可結合產品品牌語言、設計綱要或創意師的設計說明進行主要造型提取，強調造型中最能體現變化與多樣性的造型。為方便在三維建模軟件中繪制線條，設計師常將去噪后的設計草圖置入三維建模軟件，運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變化和鋸齒效應帶來的模糊性，設計師可利用視覺動力去確定和修正曲線形態，求得最佳造型。

（3）細節造型擬合：為凸顯視覺特征，應簡化擬合造型中其他非主要元素。運用簡化原則梳理造型，去除多余復雜的造型關系，擬合造型細節，常采用如平行、對稱、相切、排列、延續等簡化原則。

2.設計草圖的隱含信息補足：三維建模是將二維轉變到三維的過程，還需要將二維中大量不確定的元素具象化[8]，補全未知的隱含信息。設計草圖的隱含信息補足可從典型面還原、未知造型補足和造型輔助補足三個方面進行。

（1）典型面還原：三維建模時主要參考產品的六視圖以及關鍵位置橫截面。優先推導出設計草圖造型的典型面有助于設計師確定產品的造型。任何典型面的選取都應建立在簡化原則的基礎上，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）未知造型補足：設計草圖傳達的信息僅局限于固定的角度[8]，被遮擋的造型還需設計師補足。設計師可參考創意師的建議或根據設計草圖的設計風格、品牌語言，結合視覺兩原則進行補足。

（3）造型輔助補足：設計師常運用簡單、基本的形狀經過變形或組合成的新造型圖式來創造豐富的視覺動力。視覺有將復雜圖形向簡單結構發展的傾向[12]，利用這一特性，設計師可對設計草圖中的造型進行輔助補足，方便簡化建模約束。如圖6中，倒圓角正方形A外側的六個不規則形狀可以補足為等同寬度和長度的六個長方形。

（二）三維模型的構建及評價三維建模的過程是不斷迭代的過程。設計師需在三維建模的過程中不斷地對三維模型做出評價并修改，直至三維模型滿足設計師的視覺審美和結構工藝要求。最終得到如圖7所示模型效果。三維模型的評價，并非僅針對設計草圖的還原度，還包括對產品造型的推敲。三維模型的評價還需輔助視覺兩原則，可參考以下方面：第一，靜態造型還原，對產品多角度檢驗，特別以三視圖（圖7-a）、草圖角度視圖（圖7-b，c）為基準，比對設計草圖并確認造型的還原度;第二，動態角度評價，于三維建模軟件中旋轉三維模型，變換多種角度進行視覺審核（圖7-d），確認造型的視覺審美;第三，透視驗證，工程類參數化建模軟件中的默認透視為等角透視，而非中心透視，需檢驗三維模型在與現實世界中同等視角視距下的中心透視效果。參數化建模的三維模型將被結構工程師直接使用，并經過結構設計等過程得到工程模型，最終被生產并為用戶使用。

結論

設計師以視覺兩原則為設計草圖認知和三維模型評價的基礎，與結構工程師運用同款參數化建模軟件進行三維建模，一方面，有利于縮減時間成本，設計師構建的三維模型可直接為結構工程師沿用，并方便雙方同步修改;另一方面，有利于保證產品造型的視覺效果一致性，設計師構建三維模型時可將美學要求盡可能付諸產品造型，并進一步推敲產品細節。