交互环境下的汽车造型特征生成

1、交互环境下的汽车造型特征生成摘要作为973 计划项目工业（造型）设计专门知识辅助设计系统的课题之一，主要讨论了汽车造型设计的特点和在交互环境下的造型特征生成系统框架。从分析工业设计过的认知模型入手，探讨了设计概念生成与交互的过程和作用；以造型特征理论研究汽车造型设计的概念生成，研究汽车造型设计中的特征、特征生成的过程、交互环境及作用；以设计理论研究和实践的方法论基础，结合汽车造型设计具体特点，为汽车造型设计提供一种基于交互环境的概念生成方法，并建立相应计算机辅助设计模块。通过对设计流程的分析研究，采用认知心理学、造型特征表达方法、任务分析实验和计算机技术等，分析、提取汽车造型的基本特征，建立汽

2、车造型特征的层级结构。比较单一环境和交互环境下造型特征生成的实例，并研究在草图和 CAD 阶段特征演化生成的不同过程，建立起交互环境下特征生成的认知模型，再引入了动态连接、扮演、基于案例等方法，并运用 DARIS 计算机的机制来逼近概念生成认知模型。技术：交互；生成；造型特征；认知；基于案例的推理；汽车造型IIAbstractAs a part of the “973” research project on Special Knowledge of Industrial Product Form Design and Computer Aided Design System，this pap

3、er discusses the framework of automobile form features, design process and form features generationin interactive system.Using the form feature theories, this paper analyzes the cognitive mofdesign，the concept generation and the interactive processes in terms of automobile form design. The purpose o

4、f this research is to find out how form features are generated in automobile design processes，and how to build an interaction system. Based on the design theories research and their applications，the paper provides a new design method for automobile form design with an interactive approach.By using c

5、ognitive psychology、form features representation method、task analysis and computer agent technology，this paper analyzes the design process and the capturing and representation of the basic features of automobile form， and establishes the tree framework of the automobile form features.Then the paper

6、compares the cases in the non-interactive system with the one inthe interactive system，and researches the process features in hand sketching and CAD. A cognition minteractive system is proposed. Finally this paperof evolutionary generation of of features generation in thealso introduces dynamic link

7、mechanism、role-play and Case-Based Designintothe m， and uses DARIScomputer agent technology to build this m.Key Words: Interaction ； Generation ； FormReasoning；Automobile formfeature ； Cognition ； Case-BasedIII湖 南 大 学性本人郑重：所呈交的是本人在导师的指导下进行取得的研究成果。除了文中特别加以标注的内容外，本不包含任何其他个人或集体已经或撰写的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和

8、集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全由本人承担。本的法律后果作者签名：日期：年月日使用书本作者完全了解学校有关保留、使用的规定，同意学校保留并向有关部门或机构送交的复印件和，被查阅和借阅。本人湖南大学可以将本的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等保存和汇编本学位。本属于1、2、不，在年。后适用本书。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I第 1 章绪论1.1 设计流的概念生成阶段根据新开发的不同需求，在相关的开发流程探讨文献中，许多国内外的学者提出不同的新开发流程模型。因不同产业界的、目标、策略、组织架构与产业特性的差异，而衍生

9、出不同的开发流程、步骤和方法。构想(Idea)、初期评估(Preliminary依据Cooper1将新开发流程划分为Assessment)、概念设计(Concept)、发展(Development)、测试(Testing)、工程试产(Trial)和量产上市(Launch)等七个阶段。还有一种比较常用划分方法，将工业设计的设计流程可以分为问题概念化、概念可视化和设计商品化三个阶段。本文研究的重点是概念设计（Concept Design）。概念设计活动是一个从设计任务的要求开始，到概念生成及其可视化的过程。不论是设计师的设计，还是团队设计、协同设计，通过研究影响设计的行为和认知因素就能揭示概念设计

10、活动的根本规律。本质上，设计是一个目标导向的设计问题求解活动，研究从问题域到意义。的具体求解过程、任务和步骤，对于设计研究和设计实践都具有重要1.2 概念生成与交互环境的理论研究1.2.1 概念生成中的认知行为概念生成是指设计师或设计团队能迅速产生多个设计概念，是一个思维的过程，也是一种认知活动。传统概念设计模型将设计作为分阶段、线性或循环的过程进行形式化表达（符号化表达）。设计过程按照分类学分解为若干子阶段和子任务。尽管各种设计模型命名原则不同， 设计子流程某些主要种类大体一致。设计过程主要被分为：问题/情境、综合/生成、表达和评价2。无论是人类的思维还是人工智能的思维，都是由原本简单的元素

11、相连而组成，当这些元素组成一个整体时，他们又变为无限复杂的。设计活动中，概念生成的思维活动一种创造性思维的活动。创造性思维的实质，表现为“选择”、“”、“重新建构”这三者的关系与统一。创造性思维的关键点在进行“重新建构”，有效及时地抓住事物新的本质，构筑新的思维框架。创造性思维包括：灵感思维、发散思维、收敛思维、分合思维、逆向思维和联想思维3。从方法论上讲，强化创造动因的团队激智方法，如头脑风暴法、1交互环境下的汽车造型特征生成、CBS法、KJ法等，都会结合运用各种创造性思维方法。研究具体的设计思维过程需要建立认知活动模型4。上世纪80年代，就提出研究设计思维（design thinking）

12、。Schon，D (1983)建立的设计模型能够从认知方面来获取“设计师脑中的进程”，即把设计当作一种“反射性活动”，从设计问题到设计结果是一个接受（感知）-反射（解释）-反应（转化）的反射活动5。Schon 认为，设计是“与视觉媒介的交互”，目的是“为进一步设计提供信息”，即设计思维的本质是通过与视觉媒介（包括纸媒介、数字媒介等）的交互过程，获得新的设计信息，实现设计创新。在这个研究中，设计情境（design Scenario）被定义为两种属性，也就是两种问题形式：创造性设计与常规设计；和两种限制情境：无限制问题与限制问题。1.2.2 设计流的交互环境设计研究表明设计师通常不是显性地他们按照

13、某种设计交互顺序做设计的。对于实践，研究案例表明设计师应该有意识的运用交互，来实现设计创新6。交互作为一种有效的设计方法，体现了设计思维的本质，是设计研究的重要课题。设计师在或团队设计概念生成过的交互，是一种认知活动的交互，包括人-机交互HCI（Human-Computer Interaction），人-人交互HHI (Human-Humaninteraction)。交互实质上是“两个（或多个）参与者之间交替听、想、说的循环过程”或者说是“两者之间（无论是生命体还是）连续的作用和反应的过程”。对于设计，交互取决于设计表达和生成，表达是交互的对象，生成是交互的结果。事实上，设计表达和生成能力强的

14、设计师其交互能力和水平也高。图 1.1设计过程的交互交互的信息是交互的实质，包括数据、图像、语音、行为7。如图1.1，交互，交互媒介也可分为传统的纸媒介（paper-based）和数字媒介(digital media)。过由于纸媒介与数字媒介表达信息的完整性不同，基于纸媒介的交互，其交互信息是相对隐性的，基于数字媒介的交互信息被显性化了8。后者较于前者，更加系2统化、更加完整表述和更易被人接受和操作。从设计认知活动分析，交互可分为：与自由形态的交互，例如和的手绘草图之间的交互；与数字形态的交互，如与几何描述数字模型的交互；与特定机制生成的数字表达的交互，如造型文法或拓扑的生成机制；和与由设计生

15、成工具所表达生成的数字环境的交互9。人-机交互过程实际上是一个输入和输出的过程，人通过人机界面向计算机输入指令，计算机经过处理后把输出结果呈现给用户。人和计算机之间的输入和输出的形式是多种多样的，因此交互的形式也是多样化的。其中数据交互作为人通过输入数据的方式与计算机进行交流的式，是人机交互的重要内容和形式。人-人的交互是一种交流的活动，可表现为、问答、演说或者会议等，参与者面向不同的听众制作不同的表达10。也通过计算机来辅助人-人交互，甚至通过网络来实现的交互，人-人交互不排斥人-机交互。在数字环境下，可以设计并实现一个原型系统将多个参与和应用程序集中起来，实现不同地点的用户能同步或异步地交

16、互。也可以通过传统媒介，运用团队激智方法在同一地点同步的交互。1.2.3 交互机制理论研究在概念生成阶段，设计是一个通过两个或多个参与者交互而演化想法的努力的过程。在参与者能动的交换各种的知识过的重要活动。想法联结源自古希腊，乃至源于，想法联结是一个产生种种创意11。想法联结可以视为一种激发参与者之间交互的催化剂。通过连接设计者的内在长时记忆和各个参与者的外在知识，而产生种种设计创意。想法联结是通过连接长时记忆，用一个想法来引出另一个想法的方法。想法联结在外部环境中，是连接人的内部想法的重要的步骤。Locke(1690)认为此法是通过直觉和反应产生的行为，它把各种想法和人们的知识连接（link

17、）起来12。为了解决设计问题，我们用想法联结来连接（link）参与者的设计想法和他们个人的长时记忆、专门知识13。这种连接行为被认为既是知识的交互也是系统知识的交互。在古希腊把种种想法连接方法归纳为三个原则：相似律、相对律和邻近律。这三个原则为概念设计提供了有效的想法连接策略。所谓想法是任务指定的问题的一个解决方案，它包括设计问题，抽象概念和具体例子三部分。通过不同的媒介，如草图，文字，效的表达由不同的观点产生的想法14。或图象，可以有其实，想法就是Schon提到的“为进一步设计提供信息”的一种表现形式，想法是在交互中的信息。想法的连接过程具有交互模型（图1.1）中的所有属性。用设计案例作为产

18、生想法的参考和过去经验的提炼，是想法连接的重要研究3交互环境下的汽车造型特征生成课题。设计者习惯于把一个设计看作几个构建元素并用这些元素的属性来寻找特定设计案例中相关想法。在这个过相关信息。，可以运用想法联结来搜索设计案例中的人类的独特性在于他们能用符号来表达想法的意思和用符号来构建相关想法之间的关系15。在设计中，设计者习惯提供一个领域的概念词汇表来作为表达设计内容中的属性和关系的符号，并建立他们相关的关系。通过符号，这些想法和它们的转变为设计者的思维表象和认知操作对象。可以运用想法联结的三个原则：相似律、相对律和律，来连接设计想法。连接设计想法。在想法连接过，相似律是设计者通过“相似的”律

19、可以通过“相同的解”，来连接拥有不同设计问题的想法。对比律是通过“相对” 的设计问题，来连接拥有不同设计解的想法。设计者通常是用概念词表来描述设计和连接概念的，如“锋利的”与“圆润的”是对比关系，“创新的”与“前卫的”是相16。因此，想法联结的三原则将设计想法之间不同的关系具现化，被我似们作为理论原理来建立交互机制。1.3 汽车造型特征1.3.1 造型特征相关理论形态是物体的基本特征之一，它是除了物体的位置和方向等性质之外的外表形象17。物体的识别过程简单说，都是经过对比输入刺激所形成的表征（即形态） 以及内在储存的表征来完成的，并对形态特征进行分类、分群（特征集）。因此特征是形态识别的基础，

20、就形态或造型来说也因各自具有其特征才得以被人所区分。特征是形成的风格、品牌、类型识别的基本，风格是由某些具有共同的特征属性的特征的一个集合，因而理论性地被命名为某种造型风格。的品牌和类型的形成，同样是一个特征集合，只是品牌、类型主要用来区分和定义不同的特征来源（企业）和功能特性（如越野车和跑车）。特征总是与过去知觉的各种形态的记忆相。视觉感受的强度，关系到特征形状的视觉冲击力和复杂性，使得某些特征较其他特征易于呈现，越有吸引力的特征就越容易被识别，同样风格、品牌、类型也具有这个属性。可以发现造型的特征不仅能区分出造型之间的差异，也可以区分造型的风格、品牌和类型。汽车造型的特征可以通过认知心理学

21、的识别理论来研究：特征分析法（Feature-analysis theory），是指造型由一些基本的属性与特征所组成，在识别造型时，是先分析他们的特征，再考虑其特征的量值。造型的风格、品牌和类型的识别过，通常人们将一些日常所接触、体验和学习造型的这些特征类加以储存、记忆，作为识别的基础。4结构模式(Configuration m）， Garner于1978提出结构模式，结构模式源于完形心理学，它用基本组成元素（特征）及其相互的结构关系对造型进行描述和识别，特征的变化会衍生出许多新生特征（Emergent properties）和关系。由上而下的形态识别理论（Top-down processin

22、g），是一种概念导向的处理，指大脑在进行识别时，主动的先依据脑中所储存的基础特征知识来诠释造型，这个理论接近完形心理学从整体到部分的知觉过程，常被称为脉络（Context）效应18。综上所述，人对造型特征的认知，是经过感知、识别、记忆等过程并而成的。人们通过这种认知，来感知汽车的造型、特征并识别、区分，进而整理归类和记忆，这是一个不断的循环并且积累的过程。而在此过，从接收信息、辨别差异、以至风格的识别等，特征都扮演着重要的。1.3.2 汽车造型特征表达汽车造型的曲线、曲面具有自由曲面的复杂、多样的特点，精确描述汽车造型形态和造型特征，是研究的基础。点坐标的曲线描述：是一种相当重要的方法。描述汽

23、车造型曲线时会由点来对曲线作定义描述，通过点的调整而得到不同的曲线，其主要运用在CAD的形态顶点 (CV) 就是在三描述中。一个顶点和其所决定其所在的曲线形状的一个点，的曲线段统称为样条 (splines)。顶点的位置决定曲线形状不同的计算方法，这些方法把样条区分为Catmull-Roll 曲线、 Bezier 曲线、曲线19。B-Splines 曲线或 NUBRS计测学的描述方式：计测学对汽车造型的描述方式，是经过定义汽车样本的计测点后，分别以合适的描述作为统计、分析20，如图1.2。对汽车样本加以转换而成形态描述数据，以便本研究中，主要以CAD的形态描述方式来为描述汽车造型中的特征，以计测

24、学的方式来描述特征之间的比例关系和角度关系。研究中通过“造型语汇”、“草图”和“图式”的比较来表达知觉经验和记忆。设计者将设计概念通过解构、衍生等方式，将设计变为一个分阶段的流程，对最终的汽车概念、过程进行说明。研究中采用了相关的造型设计方法：5交互环境下的汽车造型特征生成图 1.2 计测学上的形态描述方法形态分析法（Morphological Analysis），是将设计要素/特征视为整体组合的一部分，将多个特征经过排列组合生成新造型。简单的说，就是对现有的汽车造型进行解构，对解构后的设计要素进行重新排列组合的造型设计方法。但当特征较多时，会花费大量时间和精力。而且通过它生成的新造型，受限于

25、原有设计样本的范围内。造型均化法（Shape average），把汽车造型元素（点、线、面）当作一种可以量化的元素。通过一组造型量化参数来表示造型，再经过平面或立体的构建，将的依据21。如图1.3， c造型为b、d造型造型参数予以量化平均，作为新造型均化的结果，即中间插补（Interpolation）的结果。若以加入权重，c造型为b、d造型1:1的结果， a、e造型分别为b、d造型加入权重3/1和1/3而得的结果，即外推（Extrapolation）的结果。图 1.3造型均化法加入权重而衍生的新形态中间插补法（Interpolation），是造型均化法的扩充运用，是一种运算方法。采用造型的排列

26、组合运算及几何坐标的矩阵运算、中间插补法的算术平均的三种运算，可提供一套供电脑辅助汽车造型设计的模式，以用来衍生造型22。如图1.4， 造型双线性的中间插补。造型均化法和中间插值法都归属于造型量化法。6图 1.4 中间插补法图例造型文法（Shape Grammar），不仅指狭义的特征变化，还包括特征的组合、特征之间的相互关系、特征的次序排列、抽象特征的添加、层次分合、造型节律等。造型文法认为“形是有限的线性排列”，通过标记形（Labeled Shape）作为转换后特征的特征位置、方向、的基准点。转换主要是用的观念，改变造型元素的或反射、旋转、重叠等来产生新的造型。1.3.3 汽车造型设计流程整

27、车概念设计是指从创意、构思、草图到模型和概念样车的全过程活动，也可以说是从到项目确定之间新整车设计的全过程。整车概念设计的牵涉面广、内容复杂。其设计流程环节很多，且关系复杂，有的需要并行，相互反馈信息，互相支持；有的必须是有先后顺序的因果关系。经过比较研究，提出以下整车概念设计的工作流程，如图1.5。身造型概念设计过程实际上是设计师利用专门知识和经验对图中诸多设计约束在一定意义上的“均衡”。整车造型是汽车设计的先行环节之一，也是重要的环节，如图1.5。现代汽车造型设计的一般流程有如下几个阶段：（1）概念草图。是设计创意阶段，此时的的构思和灵感用手绘的形式快速表现出来。（2）渲染效主要任务是设计

28、者将果图。是对选定的方案在形态、色彩和材质上进行正确和精密的描述。逼真的渲染效果图可吸引评审者，使决策者肯定方案。（3）小比例模型制作。体现和修正效果图中没有显示或尚未明确的部位，进一步明确车型概念。做小比例模型前，先制作造型线图或胶带图。（4）1：1模型制作。包括外模和内室模型，用贴膜或喷漆方式装饰，灯具、附件、装饰件进行处理。（5）模型风洞实验。一方面得出整车空气动力学数据，提出改进方案，另一方面要对局部模型进行评价。（6）表面数据模型。在内、外模型完成后，要对其表面数据进立内、外模表面数据模型。（7）造型冻结。绘和处理，从而建7交互环境下的汽车造型特征生成图 1.5 汽车概念设计流程其中

29、，草图阶段是概念生成的重要阶段，当设计者发展他们想法的时候，通常用一定数量的图象形式来表达23。通过这些即使在CAD阶段都会用到的草图，可以比其他的媒介更好的表达设计的过程。把不光是想法，还帮助设计者产生想法的草图称为概念草图24-25。在汽车造型设计中，概念草图是对汽车整体造型的感觉和方向的概括。许多研究者认为设计者可以从概念草图中获得比他们画草图时所表达的的信息，产生画草图之前没有预期和计划的新想法。设计者在当时的设计情境中，可以从他们的草图中发现新的视觉线索来产生新想法。证据显示设计者如果需要的含义会能动地连接所需的草图形象。这种现象被认为是设计者与概念草图的交互而实现新的想法，这也称为

30、草图重释。相对新手，设计者更频繁的通过草图重释来发展新想法，一个重要、更即时地利用知识来生成新方案26。并且设计者不像律就是设计者能师那样在寻找准确的案例，而是运用类比推理寻找有用的案例。通常这些案例来8自与设计情境不同的领域，运用案例和类比推理是熟练设计者常用的策略。在概念草图阶段，当案例通过草图而被重新解释和产生新想法时，设计者是通过相关的形式和符号的运用来实现他们与草图的交互的。在汽车造型设计概念草图阶段，引入好的交互机制来连接想法，通过设计者与草图更好交互和运用案例，可以提升设计者的概念生成能力。与传统的手工方法相比， 采用CAD 技术在计算机上直接进行车身建模， 不仅缩短了大量模型制

31、作和图形手工绘制的时间， 还大大提高了设计和的精度， 从而最大限度地缩短设计周期， 特别是所得汽车车身的CAD 数学模型可等提供直接数据27。为后续工程分析、工艺设计、本文中，在汽车造型设计的CAD阶段，是通过分析2D图象中的造型特征，分步的在Alias中建立CAD模型。可以总结出，在CAD阶段，是通过线特征来表现输入的2D图象信息的特征，然后由线特征输出。曲面特征，而实现汽车造型3D模型的图 1.63D 模型的造型特征生成过程如图1.6，从概念草图阶段开始，设计师与草图的交互而生成概念特征，然后在CAD建模型中被分解成线特征，再由线特征转换为曲面特征，从而实现数字3D汽车造型特征的生成。线特

32、征是指主要曲面块的构造曲线。线特征的光顺性、连续性对构造特征曲面具有决定性的作用。通常要求曲线端部的切矢与曲线的总趋势一致，以保证曲线之间的光顺连续; 曲线在连接点应保证连续; 相对的两条曲面特征线应保证参数的对应性，以保证构造的曲面不扭曲。在Alias中借助对点的操作来构建曲线， 根据实际情况来生成型值点。所得型值点再生成自由特征曲线，然后借助Alias曲线分析功能对所生成曲线特征进行分析重建。一般要求重建好的曲线和实际曲线的偏差不大于0.25mm， 曲线要求光顺即曲率变化连续。车身曲面是由不同曲率空间曲面， 要求相互连接， 光滑过渡， 造型过不可能仅由一曲面完成， 因此需要将车身曲面划分成

33、曲面特征块， 然后将这些曲面特征块拼接成整车曲面。这就需要合理的划分曲面特征块。划分遵循几个基本原则:在曲面曲率变化小或比较均匀的地方， 曲面块可以划分的少一些；9交互环境下的汽车造型特征生成在曲率变化较大或曲率变化不均匀的地方，型， 然后进行拼接；曲面分解为几个曲面分别造划分后的曲面块型值点分布要均匀， 但要保证型值点能够划分后的曲面块尽量为四边形域曲面， 减少三角形曲面块。曲面的形状；1.4 课题来源主持的，重点基础研究计划，973计划项目本研究课题来源于由现代设计大型应用软件的共性基础（项目编号：2004CB719400），其中湖南大学负责子课题工业（造型）设计专门知识辅助设计系统（课题

34、编号： 2004CB 719401）。“十五”科技攻关计划项目基于设计知识和用户知识的网络化数控机在床造型设计与人性化界面技术及运用研究（编号：2001BA203B13-03）和高技术研究发展863计划项目基于案例的工业设计技术与辅助设计系统及应用研究（编号：2004AA424530）的基础上，“工业设计专门知识辅助设计系统”研究，以创新概念生成的启发式思维机制为基本思路，以典型的大型工业-汽造车为重点研究对象，在特定造型设计领域，通过建立面向设计对象的型设计理论模型，以造型专门知识为基础，研究并构建具有激发创新设计功能的造型设计知识管理和应用系统，并使之成为造型设计技术在制造业推广应用的技术

35、平台。课题从2006年2月开始，采用认知心理学和设计研究的理论和方法，清华大学计算机学院，北京61所，对汽车造型设计的相关问题进行深入研究。到2007年初课题组已完成了100个汽车造型设计案例（造型特征集）的获取、20个汽车造型计情境的构建、相关汽车造型意象例情境的汽车造型计算机辅助设计系统。算法，并在此基础上建立了基于案1.5 研究方法和途径通过对设计流程的分析研究，采用认知心理学、造型特征表达方法、任务分析实验、计算机技术和设计研究的理论和方法，建立设计交互环境来实现汽车造型设计中特征生成系统结构的研究。后面的研究可以分为四个步骤，第一步是对汽车造型基本特征进行分析、提取，并建立汽车造型特

36、征的层级结构。这是本的基础研究。第二步是单一环境和交互环境下特征生成实例的分析研究，得出后面研究的对象和依据。第三交互环境与演化生成之间关系的研究，研究在草图和CAD阶段特征的演化生成。建立起交互环境下的特征生成认知模型，为后面的系统的建立提供理论支撑。第四较完善的汽车造型生成交互环境的10建立，通过运用基于案例的分类交互结构，来实现我们提出的交互环境下特征生成模型。这个过引入了动态连接、扮演、基于案例等方法，并运用DARIS计算机技术的机制和结构来逼近认知模型。11交互环境下的汽车造型特征生成第 2 章汽车造型特征分析与提取2.1 汽车造型基本类别层：特征线从认知心理学的角度，通过一件复杂的

37、事物的几个突出标记或特征，就可以识别此事物，还能唤起人对此复杂事物的回忆。特征不仅足以使人把事物识别出来，而且能够传达一种生动的印象，使人觉得这就是那个真实的事物的完整形象。Selfridg曾提出以特征识别的认知过程，分为三个阶段：第一阶段是影象魔，以外来的刺激，并将其转换为内在表征。然后由第二阶段的特征魔执行分析、寻出特征，如造型上的要素：直线、角度、曲线等。这些信息在传到第三阶段的认知魔后，每一个认知魔负责识别一个形态，当一个认识魔找到一个符合它的造型特征，就由决策魔选择最符合的认知魔，代表外来的刺激，以此确认造型特征。在造型设计中，任何形态都是由点、线、面、体这些基本元素的。点，在几何学

38、上被界定为没有长、宽、厚度而只有位置的几何图形；线，可以看作是一个点任意移动所面围成的。的图形；面是线的集合；体则是由面运动而形成的或是由汽车造型是一个高度复杂的系统，为了更好的获取和表达汽车造型专门知识， 需要汽车在造型特征的层次结构中确定基本类别层（basic level）。在以点构线、以线构面、以面构体的造型规则中，线是本身具有特征而又能影响整体的最小单位。即是说，我们可以把汽车特征的考虑简化为对线的特点的考虑。把线特征作为汽车造型的基本元素，在数量上和信息量上最为合理，符合“最小的代价包括最多的信息”的原则。分析汽车造型设计过程，不论是在草图阶段还是CAD阶段，线特征都是作为实体而存在

39、并被运用的。在对汽车造型的定量描述（如长度、宽度、圆角、曲率等）过，也是以线为基准来测量的。本文研究中将线特征确定为汽车造型层级结构中的基本类别层，将其特别命名为“特征线”，并且把“特征线”定义为：是与整车造型相关的实体，由相应的实体名称（汽车造型特征名）标记（如腰线，Belt Line），有特定结构约束和形态内涵。在造型中，对特征形态、表达意象产生重要影响的线条，影响特征与造。（实体，Entity：实际并型情境的存在的事物）。122.2 汽车造型的层级结构：特征集在汽车造型设计中，通常将车身特征分成顶曲面特征、左侧围曲面特征、右侧围曲面特征、前围曲面特征、后围曲面特征。这样的将特征划分和归类

40、，在汽车造型设计的草图阶段和CAD阶段都有实际而有效的运用。可以把作为表达汽车造型特征的基本类别层的特征线划分和归类到不同的特征集合中。本中，特征线分别组成为前围特征线集、侧围特征线集（左右侧围为对称）、后围特征线集和顶特征线集，各个特征线集包含一定数量的特征线； 而这些特征线集分别组成前围特征集、侧围特征集、后围特征集和顶特征集，各个特征集由对应的特征线集具现化；最后由这4个划分出来的特征集组成整个汽车造型。自下而上组成一个汽车造型特征的层级结构。如图2.1。图 2.1 汽车造型特征的层级结构特征集是一个由若干特征线的特征概念。的特征的集合，在层级结构中是比特征线更2.3 基本特征线的提取确

41、定了汽车造型特征的层级结构，就可以把具体汽车造型的特征线提取出来。方式是通过10个被试各自提取不同汽车的特征线，分别从侧围特征集、前围特征集、后围特征集和顶特征集中提取数量不定的特征线。为一个自上而下的形态过程。为了方便提取和运用特征线，运用“准三维”造型评价的技术，从若干维图像中提取特征28-29。先把特征投影到侧视图、前视图、后视图和顶视图，再13交互环境下的汽车造型特征生成从这四个视图中提取特征线。虽然有部分特征线经过投影会产生变形，但是经过分析发现特征线的信息量基本没有被减少，为了相对直观和简便的提取和运用特征线，本研究采取了这种逼近的办法。在侧视图平面中被提取的特征线，被视为侧围特征

42、集中的特征线；在前视图平面中被提取的特征线，被视为前围特征集中的特征线；以次类推。不论从制造工艺还是从视觉感受来看，这4个特征集是相对的，因此以四部分的二维图形组成汽车车身的准三维模型是符合实际的。统计10个人分别对汽车特征线的提取，总共有41根特征线被提取出，如表2.1。其中在单个特征线集中被提取3次以上的特征线被确认为征线。表中的征线。数字代表其为该特征线集中的征线，总共有28根表 2.1 特征线的提取图2.2为被提取的41根的特征线在不同特征集中的总示意图，红色的线代表为征线。所有被提取的特征线汽车造型特征词表：图象中勾画出，并且将其命名，一个1（侧视引擎盖） 2（侧视顶棚线） 3（侧视

43、尾箱线） 4（侧视车窗上沿线）5（侧视车窗下沿线）6（侧视翼子板）7（侧视轮毂线）8（腰线）9（前视顶线） 10（前窗下沿线）11（前视侧轮廓）12（后窗下沿线）13（车窗内沿线）14（侧翼突起） 15（内侧引擎盖折线） 16（外侧引擎盖折线） 17（ A柱扫描线） 18（ C 柱扫描线）19（侧视保险杠前）20（侧视保险杠后）21（前灯）22（进气格栅）23（后灯）24（俯视保险杠形状前）25（俯视保险杠形状后）26（侧视引擎盖折线）27（下部进气格栅）28（后窗）29（后部门形状）30（俯视前窗边线）31（尾部最高线）32（后窗形状）33（最低部后灯）34（车门下线）35（引擎盖附加线）3

44、6（侧轮廓底部线）37（前轮廓底部线）38（后轮廓底部线）39（俯视两侧轮廓）40（后尾箱边界线）41（C柱后侧延长线）。其中特征线33、37、41出现在具有其他造型特点的汽车中，本示意图中的汽车造型没有这3根特征线，所以未被勾画出。14图 2.2特征线图示15交互环境下的汽车造型特征生成第 3 章造型生成实例分析3.1 单一环境下的特征生成实例实例的目的：更好的了解汽车设计者在单一环境下，进行车身造型设计的思维模式和特征生成过程。实例的过程：时间：2006年09月12日地点：长沙，湖南大学，汽车车身先进设计制造研究部实例对象：7名不同设计背景的汽车设计者，汽车造型实例内容：被试根据设计任务书

45、、实验问卷，自由选择电脑里面的汽车造型图片作为参考，用纸和笔设计一款汽车造型，设计方案能够清晰的反映出设计概念，以及细部的处理，以手绘图的形式进行提交。总共由7个设计者提供7个设计方案。我们对实例过程进行录象和和手部动作，另外一个摄像头。其中一个摄像头设计者草图绘制过程设计者整体的行为过程，设计者被要求叙述自己的设计思考过程，用器下来。并下设计者所选择参考的汽车造型图片。设计者通过填写设计问卷下工作背景包括：所从事设计工作的时间、是否从事过汽车造型设计、从事过的设计工作内容。评分：通过4位评审，汽车造型设计问题是典型的工业设计问题，涉及艺术学、心理学、美学及人机工程学等的各种复杂问题。评审设计

46、方案本身和其在设计实践中典型相关因素，从工程、技术因素、美学因素、商业因素、创新性和总体评价来对以上的7个设计方案打分。评审者浏览所有的设计方案，每个15秒，并每个方案由设计过方案录制下来的设计者的一句话进行设计说明（a one-sentence summary）。打分在1至10之内，1分为最低分，10为最高分，分数精确到数点后一位。然后再浏览每个方案所参考的汽车造型图片，对方案和参考造型的相似性打分，每个方案对比观察5秒。采用7分量表打分，-3为最不相似，+3为非常相似，0为中常。相似性评价量值精确到整数。实例的分析：对实例结果进行分析发现，设计的方案草图部分保留了参考造型图片中的特征，方案

47、草图在意向尺度上与参考造型基本一致，参考造型对设计的方案草图有重要直接影响。对汽车造型特征和结构熟悉的设计者在草图中表现的特征得分较高。而得分高的草图，在绘画步骤上与得分低的草图有不同。得分16高的设计者对特征提取和抽象的能力更强，再现得更加精确，特征表现得也更加确定。表 3.1对 7 个方案的各因数和总体打分如表3.1，对每个方案各因素中的打分代表方案在各个方面的表现。设计方案6除了商业因素，其他得分都为最高；而方案3除了工程，其他得分都为最低。评价结果中也有不规则性，如总体评价得分比所有的单项打分都低（方案2、3、5、7），这说明总体评价和单项打分是相的。相似性打分可以从一个方面反映案例借

48、鉴的程度。如表3.2，是对7个方案的（-2、0），为不相似或中常。说明不是每相似性打分。评分中出现了负分或个方案都是完全参照参考造型设计的。相似性打分均值最高的方案1也是总体评价得分最高的方案之一。而相似性打分均值最低的方案2是总体评价得分倒数第2。结合图3.1的散布图所显示出的，从总体上，相似性评价更高的方案，总体评价都更好。这说明案例运用的更好，对设计总体的帮助更大。表 3.2对 7 个方案的 4 组相似性打分和均值17交互环境下的汽车造型特征生成图 3.1 相似性与总体评价的关系散布图进一步分析造型借鉴与创新性的关系。如图3.2，从散点图中的总体趋势上看， 与参考图片相似性评价更高的方案

49、，创新性评价更好。是因为经过特征的重组和发展后，创新上走得更远，但在意象上保持相似。这说明案例的运用不但像通常认为的那样影响创新性，反而是促进创新的。图 3.2相似性与创新性评价的关系散布图3.2 选取研究案例从表3.1中分析所得，方案6除了创新性打分为第2高分以外，其他单项打分和总体打分都是最高。而方案6的相似性打分正好处于7个方案的中间位置。把方案6选取出来，作为最优的设计方案典型，又是一个案例运用程度为适中的代表。通过摄像头所方案6的设计者的草图绘制过程，和对器下来的录音进行口语分析设计者的设计思考过程，可以得出优化设计方案中的汽车造型特征生成的流程。结合建立的汽车造型层级结构、提取出的

50、特征线和造型特征词表，通过分析18草图绘制过程，可以得出下面的图3.3。设计者通过4个视图的草图绘制来完成对汽车造型特征的设计，并且先后从前45度图、前视图、侧视图和后45度图，按顺序分别绘制，不同视图之间没有跳跃交叉。图 3.3汽车造型草图特征生成过程3.3 交互环境下的特征生成实例实例的目的：运用多个交互方式，研究设计者在一定的交互的环境，车身造型设计的思维模式，特征生成和设计的过程和质量、效率。实例的过程：时间：2006年09月13日-20日地点：长沙，湖南大学，汽车车身先进设计制造研究部实例对象：10名不同设计背景的汽车设计者，汽车造型实例内容： 这个实例为一个实际设计项目，是对一款微

51、型汽车进行造型设计， 生成方案数不限制。10名被试根据事先制订的整个设计的计划，包括时间表、团队合作的方式、制定情境板、草图重释方法等。通过这些交互方法，在交互环境中用纸和笔设计汽车造型，生成汽车造型特征，设计方案能够清晰的反映出设计概念，以及细部的处理，以手绘图的形式进行提交。并通过文字和图象下过程。情境板就是收集和设计Theme相关的图片、实物等等一切对设计师有“刺激作用”的视觉材料。情境板可以称为对设计的限定性描述，在设计师的设计过时起到引导和提示作用。随实例具体过程和交互的环境如图3.4。前期国内外的相关信息、用户需求和这款车的特点进行了调研，制作成调研报告。并且根据预期的设计目标制作

52、情境板。然后设计者根据调研报告和情境板所提供的设计信息进行设计，即由调研报告、情境板和设计者形成外部交互环境。设计者既与调研报告和情境板进行想法连接而交互又与其他设计者提供的设计信息想法连接而进行交互；而设计信19交互环境下的汽车造型特征生成息和设计者的长时记忆和设计知识形成内部的想法连接而进行内部交互。在此交互环境下，设计者画出设计草图对交互产生的设计概念进行表达，具体的表现各自的造型特征。进入下一阶段的外部交互环境时，设计草图之间进行交互，演化生成新特征。然后由对设计草图进行评估，进一步演化设计概念生成下一阶段的草图修改。评估，最终输出的方案草图，为CAD草图修改之间再演化生成后，再次进行

53、阶段提供设计方案。在此阶段的交互环境下，草图之间既相互想法连接形成交互，又与设计评估交互即与意见进行交互。图 3.4 交互环境的实例，开始形成了大量的设计草图，通过两次设计评审以后，保留了3在此过个较优的设计方案。这3个设计方案，因为是相同的调研报告和情境板而产生的，在造型特征上有共通点，又具有不同的造型特征。实例的分析：实例过程的重点在于形成多种分类交互的环境，形成一个不断演化生成造型特征的过程，使设计概念更加符合设计目标和设计要求，并且在不断的演化中得到优化。在分类交互中，设计者通过分的利用产生的设计信息和设计者的设计知识。扮演来进行想法连接，充在现实世界中，人总是扮演多重实例中，参与者在

54、回归他们设计者的首要计可能性之前，设计者通过扮演各种的，在不同场合下以不同的出现。在并通过其设计经验来发掘更远的设以用各种情境来连接所持有的想法，如在制作调研报告过扮演用户、或设计者、被评审者等，来进行想法连接。想法联结通过设计计划所构建的连接被包含在参与者的内部和外部交互中，并且利用不同的连接原则来连接和生成各种想法。在概念设计阶段，利用扮演可以获取大量的对想法连接过程的认识，并通过想法连接的过程来研究交互本身。在认知心理学里，扮演的理论提供了扮演可以认为是一种一个对分类交互的重要观点。在动作和反应的过，近似“现实生活”情节或经验的方法。在情境中，想法连接可以被分散到一系列在内部和外部知识的扮演和交互中。这导致了基于情境的交互，这个交互将被用作20描述想法连接程序的模型。连接想法，与扮演相似，通常参与到一个“as-if”逼近的过程和依据内部设计知识和外部设计情境而动作/反应的过程。这样，每个可以通过与别的和设计环境相互交互，而定义扮演之间的两个交互：内部交互和外部交互。通过连接策略，参与者可以在两个交互中连接想法。内部交互：在内部相互交互中，每参与者扮演不同并用不同的设计知识来将想法连接到长时记忆。然后会出现许多连接，主要的扮演者将通常选择被连接得最多的想法作为输出。外部交互：通过在那些与其他参与