（机械制造及其自动化专业论文）工业设计的计算机辅助形态设计技术研究.pdf

两北t 业人学硕? ：学位论文 摘要 摘要 论文来源于“十五”国家高技术发展计划( 8 6 3 a ) 项目“面向信息家电的 三维数字化定制设计关键技术研究”( n o ，2 0 0 2 a a 4 1 1 1 2 0 ) 和国家自然科学基 金项目“产品的多感知因素设计过程研究”( n o 5 0 2 7 5 1 1 2 ) 。 依据工业设计的形态设计方法，从布局、比例、线型、细部等四个方面提 出了工业设计的计算机辅助形态设计技术： 1 、基于面分割方案库的面分割方法通过适时提供面分割参考方案，引导 设计师设计形态的立面； 2 、形念比例设计方法； 3 、自由曲线关联为同族曲线的算法以及同族曲线的生成算法应用几何 变换方法组织形态中曲线线型； 4 、形态细部处理方法以倒圆角为例，提出了倒圆角视错觉矫正算法和倒 圆角的模糊设置算法。 在此基础上，作者构建了工业设计的计算机辅助形态设计系统框架，设计 了一系列形态设计工具，并编程实现了部分工具。最后，实现了设计系统在 s o l i d w o r k s 造型平台上的集成，并应用验证了部分已实现的工具。结果表明， 计算机辅助形态设计的技术方法及其软件是可用的，设计工具能有效地辅助设 计师设计产品形态。 关键词：工业设计( i d )计算机辅助形态设计布局设计 比例设计 线型设计细部处理 两北t 业大学硕1 ：学位论文 摘婪 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t e m sf r o mt h ep r o j e c to fn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m o f c h i n a ( t y p ea ) ，n a m e d “r e s e a r c ho i lk e yt e c h n o l o g yo f 3 d d i g i t a l c u s t o m i z e d d e s i g n o fi n f o r m a t i o nd o m e s t i c a p p l i a n c e s ” ( n o 2 0 0 2 a a 4 1112 0 ) ，a n d a s t u d y o fp r o d u c t d e s i g n p r o c e s s c o u p l e d w i t h m u l t i p e r c e p t i o nf a c t o r s ”( n o 5 0 2 7 5 1 1 2 ) ，o n ec a s eo fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f u n d b a s e do nt h em e t h o d so ff o r md e s i g no fi n d u s t r i a ld e s i g n ( i d ) ，t h et e c h n i q u e s a r ep r o p o s e do f c o m p u t e r - a i d e df o r md e s i g no f i df r o ms u c hf o u r a s p e c t sa sl a y o u t ， s c a l e ，l i n e t y p ea n dd e t a i l so f p r o d u c tf o r m t h em a i n c o n t e n tc o n c l u d e s ： 1 、am e t h o do fd i v i d i n gu p s t a n d i n gf a c e si np r o d u c tf o r mb a s e dt h el i b r a r yo f s c h e m e so f d i v i d i n gc h a r a c t e r i s t i cr e c t a n g l eb yt i m e l yp r o v i d i n gs c h e m e s o f d i v i d i n g c h a r a c t e r i s t i cr e c t a n g l e ，t h em e t h o di n d u c t sd e s i g n e r st od e s i g n u p s t a n d i n gf a c e so f p r o d u c t f o r m ； 2 、am e t h o d o f c o m p u t e r - a i d e d s c a l ed e s i g no f p r o d u c tf o r m ； 3 、a l g o r i t h m so ft r a n s f o r m i n gf r e ec u r v e si n t oc o g n a t e c u r v e sa n dg e n e r a t i n g c o g n a t ec u r v e su s i n g t h em e t h o do fg e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o n ，d e s i g n e r s m a k ec a r v e so f p r o d u c tf o r mb ei nh a r m o n y 、i t l le a c ho t h e r ； 4 、m e t h o d so fd i s p o s i n gd e t a i l so fp r o d u c tf o r mt a k er o u n dc o m e rf o ra n e x a m p l e ，a l g o r i t h m s o f r e m e d y i n g m t m dc o m e rf o rv i s u a li l l u s i o na n do f f u z z ys e t t i n gd i g s m a l lr o u n d c o m e rb a s e dv i s u a li m p a c ta r en n p o s e d b a s e do nt h et e c h n i q u e s ，as y s t e mo fc o m p u t e - a i d e df o r md e s i g no fi di s d e s i g n e d ，a n das e to ft o o l so nf o r md e s i g na r ep l a n n e d ，a n ds e v e r a lo f t h e ma r e r e a l i z e d f i n a l l y , t h es y s t e mi ss u c c e s s f u l l yi n t e g r a t e do nt h em o d e l i n gp l a t f o r m s o l i d w o r k s ，a n dt h et o o l s r e a l i z e da i ea p p l i e di nf o r md e s i g no f p r o d u c t t h et e s t i n g r e s u l ts h o w e dt h a tt h es y s t e ma n dt o o l sa r ef e a s i b l e ，a n dt h e t o o l sc a r la s s i s t l l 两北丁业人学倾i j 学位论文摘要 d e s i g n e r si nf o r md e s i g no f p r o d u c te f f e c t i v e l y k e yw o r d s ： i n d u s t r i a ld e s i g n ( i d ) c o m p u t e r a i d e df o m a d e s i g n l a y o u td e s i g n s c a l ed e s i g n l i n e t y p ed e s i g n d e t a i ld e s i g no f f o r m 1 1 1 两北t 业人学倾l 学位论文第一章绎论 第一章绪论 1 1 计算机辅助形态设计 1 1 ，1 形态设计的新需求 2 0 世纪9 0 年代以来，随着生活水平的提高人们的消费观念发生了巨大的 变化，人们在满足了物质需求之后，转而开始关注个人的精神需求。除了要求 产品具有优良的使用功能之外，人们开始追求产品的精神功能，如人们把家电、 家具、汽车等消费品看作是社会地位、文化修养、审美和个人情趣的象征1 1 。 经济和实用不再成为人们选购产品的决定性因素。具有艺术效果的外观造型、 宜人的色彩、舒适的表面质感的产品逐渐受到人们的广泛青睐。 消费观念的变化要求产品设计要适应新的需求。新的消费观念要求产品不 仅要满足使用功能、结构等技术性的要求，还要求产品造型新颖、布局合理、 线型优美、细部处理考究，具有一定的审美价值。产品形态是产品审美价值创 造的物质基础，是体现产品审美价值最重要的因素之一。形态中的点、线、面、 体等造型元素包含有丰富的心理感知意义。这些造型元素是沟通消费者和满足 消费者审美需求的基础。以曲线为例，椭圆曲线给人柔软的感觉；抛物线有速 度感；双曲线有对称、均衡美和现代感；螺旋线是二次曲线中最富有动感，给 人发展的印象”。设计师可以通过不同的方式选择和组织这些造型元素来塑造 产品造型。从工业设计的形态设计方法学角度来讲，设计师可以在产品形态的 布局、线型、比例、细部等设计中很好地贯彻比例尺度、均衡稳定、变化统一、 对比调和等美学法则，来设计产品造型【”1 3 。 作为形态设计的重要应用技术，计算机辅助设计( c a d ) 技术应适应形态设 计的新要求。一直以来，c a d 软件在产品形态设计中扮演着重要的角色。以当 前流行的c a d 软件u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等为代表的计算机辅助设计( c a d ) 软件促进了产品设计从图板到无纸化的转变，极大地提高了产品设计质量和效 率。但是当前的计算机辅助设计软件并不支持在精神需求层面( 特别是在审美 层次上) 的形态设计，即造型设计。例如，c a d 软件不支持产品形态的布局设 两北t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 计，布局设计能促使形态布局合理、均衡稳定、重点突出；不支持形态比例设 计，比例设计能使形态的尺寸关系协调、一致；不支持特征曲线( 如悬链曲线、 支撑曲线、抛物线等) 的设计，特征曲线常用来增强形态的艺术效果；不支持 形态边角的审美模糊处理等等。由于计算机辅助形态设计技术的滞后，在很多 时候企业为了增强产品形态的艺术效果不得不借助于传统的手工方法设计产品 造型，进而利用c a d 软件进行繁琐复杂的形态建模。 随着形态设计需求的变化，计算机辅助设计对融入美学因素的形态设计的 支持将成为c a d 软件的一个发展方向。计算机辅助设计技术对融入美学因素的 形态设计的支持也将成为一个研究热点。 1 1 2 计算机辅助工业设计技术 工业设计，i n d u s t r i a ld e s i g n ( i d ) ，是伴随着现代科学技术和社会经济 发展需要而形成的一种具有全新设计观念的现代设计体系，是一门工程技术与 美学艺术相互渗透、交叉、结合形成的，以现代化批量生产的工业产品造型设 计为主要内容的新兴综合性学科 4 】【”。工业设计强调技术与艺术的高度结合， 对提高产品的经济功能和审美功能有着十分重要的作用。 计算机辅助工业设计，c o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ( c a i d ) ，是i d 和c a d 的有机结合，即在计算机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持 下，进行工业设计领域的各类创造性活动。c a i d 的范围包括工业设计的各个方 面，其中以辅助产品造型为核心，它涉及到产品的形态设计、色彩设计、人机 设计( 包括环境设计) 、装饰设计以及设计评价等【6 1 。其中，形态设计是计算机 辅助工业设计中最为重要的一个组成部分，是产品设计的基础，主要包括形态 构成设计、比例设计和线型设计。计算机辅助工业设计是工业设计的应用发展 方向，与传统的工业设计相比，c a i d 在设计方法、设计过程、设计质量和效率 等各方面都发生了质的变化。 计算机辅助工业设计技术，是计算机辅助工业设计系统的内部支撑技术， 是工业设计理论与c a d 技术的有机结合，是与工业设计的特点及工业设计师的 设计思维和习惯相适应的一种计算机辅助设计技术【6 1 。c a i d 技术以工业设计知 2 两北t 业人学硕士学位论文 招一章群论 识为核心，以计算机为辅助工具，充分贯彻工业设计的理念和方法，实现形态、 色彩、宜人性设计和美学原则的定量化描述。它充分发挥计算机快速、高效的 优点与设计人员的创造性思维、审美能力和综合分析能力，使设计的全过程包 括设计计划的提出、概念设计、详细设计、方案评价、综合优化、效果表现 以及最终投产等，都用计算机进行模拟、仿真，从而创造出更加实用、经济、 美观、宜人和创新的新产品。由于工业设计是- 1 7 综合性的交叉性学科，涉及 到诸多学科领域，因而计算机辅助工业设计技术也涉及到了c a d 技术、人工智 能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、优化技术、模糊技术、人机工程学等信 息技术领域【7 】。从广义上来说，c a d 是c a d 的一个分支，许多c a d 领域的方法 和技术都可加以借鉴和引用。 现在c a i d 技术在现代设计与制造技术中的地位和作用已经逐渐被人们所 认识，它在汽车、机床、家电等领域也得到了广泛的应用。国外已经开展了对 计算机辅助工业设计的研究，并且已经有了一些商品化的软件系统能够初步满 足工业设计的基本要求。在国内，随着生产部门对工业设计和计算机辅助技术 的逐步重视，计算机辅助工业设计的研究也已经起步，并取得了一些研究成果。 现在用于产品工业设计的软件系统主要有以下三种类型i s ： 第一种类型是通用的图形、图象处理系统，常用的软件如c o r e l d r a w 等， 主要用于二维的草图绘制，产品的设计信息不能与后续的工程设计和制造过程 相集成。 第二种类型是通用的c a d 系统，如u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 、a u t o c a d 等，这类软件功能十分强大，但主要面向产品的工程设计，在灵活简单的建模 方法、可视化功能以及美学应用方面还远不能满足工业设计的需要。 第三种类型是常用于辅助工业设计的的软件系统，如3 ds t u d i om a x 、 a l i a ss t u d i o 等，这些系统都具有相当强的几何模型创建和修改功能，用户可以 象用石膏或黏土塑造模型一样对模型的曲面进行修改。与传统c a d 系统相比， 这些系统提供了更为强大的真实感图形生成和可视化功能，使设计人员可以更 为精确地表达设计创意。 这些软件系统极大地提高了设计师韵设计质量和工作效率，但是，它们仅 两北丁业人学顾 j 学位论文第一帝绪论 仅是提供了进行设计的可能性，并没有提供辅助造型设计的功能，工业设计的 特殊技术含量不高，针对性不强。就形态设计而言，这些系统不能辅助设计成 优先比例的造型元素，不能进行曲线的同族化处理等。因此，这些设计软件仍 然依赖设计师自身的审美修养和表达技能，以致于它们在造型设计中的应用受 到很大的限制。所以说，它们还不能算是计算机辅助工业设计软件。 总之，无论是形态的社会需求还是工业设计的形态设计，它们都要求在形 态设计中结合或融入美学因素，应用美学法则，以获得具有较高艺术效果的形 念。因此，结合工业设计的形态设计方法学，研究计算机辅助设计技术成为计 算机辅助形态设计技术发展的需要。 1 2 工业设计的计算机辅助形态设计技术研究概况 形态设计是计算机辅助设计技术的主要应用领域。自从第一台计算机诞生 以来，研究人员就一直致力于将这种工具应用于产品设计中，以提高设计人员 工作的质量和效率，经过三十多年的发展，取得了令人瞩目的成就。几何建模 技术发展至今，先后出现了线框建模、曲面建模、实体建模和特征建模等几种 几何建模方法。集成了嗌面建模的基于特征的参数化实体建模技术成为现代主 流c a d 系统的基础，并且已得到了十分广泛地应用。有大量成熟的形态设计软 件，如u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 、a u t o c a d 等，在航天、航空、机械、化工 等制造业得到了广泛的应用，大大提高了制造业的产品设计水平。 传统的计算机辅助设计技术( c a d ) 是以几何建模技术为核心，能够构建通 用的几何建模工具l 帅，并且能够在几何模型的基础上采用定量的方法进行结构 与性能分析。但是，长期以来c a d 软件出于商业上的考虑过分注重系统的通 用性，与具体行业的结合松散，忽略了设计对象本身的特点。在9 0 年代中后期， 随着c a d 软件的成熟，计算机辅助设计应用和技术研究开始徘徊不前。经历 了一段时期之后，计算机辅助设计应用和技术研究才开始转向具体的行业和过 程应用，于是c a d 软件开始集成磨具、刀具、管道、钣金、场景渲染、灯光 等专业模块。在工业设计方面，世界上大型的c a d c a m c a e 软件系统，如 p r o e n g i n e e r 、e d s u n i g r a p h i c s 、e u c l i d 、a u t o d e s k 、s o l i d w o r k s 等，都开 4 两i l r e 业人学硕f 学位论文 笫一章绪论 始提供了有关产品早期设计的系统模块，它们称之为工业设计模块、概念设计 模块或草图设计模块，也属于工业设计范畴。其中比较典型的是，p r o e n g i n e e r 包含一个i j k 设计模块p r o d e s i g n ，用于支持自上而下的投影设计以及在 复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此模块工具包括产品设 计的二维非参数化装配布局编辑器，用于概念分析的二维参数模型的布局以及 用于组件的三维布局编辑器。但就形态设计而言，p r o d e s i g n 模块的不足之处 是只考虑布局辅助设计功能，并没有包含比例、线型等重要的形念设计内容。 因此，严格的说p r o d e s i g n 工业设计模块是极不完整的。 在国内，随着工业设计学科的引入和人们对形态审美功能设计的关注，有 关工业设计的形态设计研究近几年来也开始活跃起来。大量的文章侧重于工业 设计中产品形态的设计原则、形态评价方法、风格描述等理论论述，缺乏理论 指导下的应用实践研究，应用性不强。在计算机辅助设计研究方面，有代表性 的是以西北工业大学陆长德教授等人1 9 9 5 年在重庆大学学报上发表的专题文 章计算机辅助工业设计【l 们，以及他所领导的工业设计研究所在c a i d 技术 研究与c a i d 系统开发方面开展的国家“八五”“九五”科技攻关项目。另外浙 江大学潘云鹤院士对c a i d 技术的概念和发展趋势也作了比较完整的论述 7 1 。 在国外，特别是以美、英、日、台湾等为代表的国家和地区的工业设计发 展比较早，同时得益于他们对产品设计理论的深入研究，这些国家和地区对计 算机辅助工业设计理论的研究也比较系统和深入，其中有些研究成果已经被广 泛应用。在计算机辅助设计研究方面，较早提出c a i d 概念的是美国的d a v i d e w e i b e r g 先生，1 9 9 5 年他在美国的计算机图形世界( c o m p u t e rg r a p h i c s w o r l d ) 上发表了有关c a i d 的论述【l l 】。那个时候美国福特等大公司都已经开始 在汽车造型设计中采用了以c a i d 牵头的c a i d c a d c a e p d m c a m 大型集 成系统，国际上新开发的c a d 软件也纷纷向c a i d 靠拢，如p d c 公司就将其产品 标明是工业设计( i n d u s t r i a ld e s i g n ，i d ) 系统。 国内外有关工业设计的计算机辅助形态设计研究的内容主要涉及产品设计 过程、设计目的、设计者、可用资源、领域知识等5 个方面及其相互关系( 如 图1 1 ) 1 1 2 】，具体介绍如下： s 两北t 业人学硕士学位论文第一章绪论 幽卜l1 2 业设计的计算机辅助形态设计理论研究的内容 1 ，形态创新设计研究研究设计过程中冲突的解决机制，设计问题的推 理、分解、解决中的机制，如基于美学家人脑模型的产品外观创新设计i 3 1 、 基于c a d 技术的产品创新设计系统分析1 等。 2 、产品设计过程的认知活动研究通过研究设计师设计活动的认知过程， 借助人工智能技术来模拟人脑的推理过程1 1 5 】。特别是概念设计阶段的认知过程 研究是一个研究热点。当前计算机辅助设计技术的发展很大程度上受制于研究 人员对认知活动的认识。 3 ，形态设计模式和方法研究如研究白顶而下的几何建模技术；基于 人机约束形态布局设计【1 ，产品空间布局设计1 9 l 【1 9 】【2 0 1 等等。 4 ，形态设计评价研究研究形态的对称和均衡、比例与尺度、节奏与韵 律等形式美法则的评价方法。如形态稳定性评价方法口1 2 2 1 ，形态比例评价方法 1 2 3 1 2 4 】等。 5 、草图的识别和重构技术研究研究计算机识别草图的方法、草图的三 维重构技术，使设计师的草图设计活动集成于计算机辅助设计过程中【2 5 】【2 6 】。草 图的识别技术与重构技术用于解决前后设计过程之间的信息共享问题。 6 ，美学知识的量化技术和形态风格描述研究研究形态的描述方法、形 念描述量化技术、形态描述与形态的映射关系以及如何通过形态描述参数控制 形态变化。例如，选用软一硬、男性化一女性化、冷一暖等形容词词对几量化表示 产品的风格特征1 2 7 】；应用模糊理论建立形态与形容词词对儿的映射关系：通过 调整风格描述参数控制形态风格【2 明等。 总的来说，工业设计的形态设计研究目前主要有两种思路。其一，把形态 6 两北t 业人学坝i ：学位论文 第一章绪论 设计活动放在概念设计阶段中来研究。实际上，工业设计作为一个设计方法体 系，其核心价值主要体现在产品的概念设计阶段。由于认知研究的滞后，涉及 颇多思维活动的概念设计研究至今仍没取得十分显著的应用成果，概念形态设 计的研究也徘徊不前。其二，撇开概念设计阶段，依据工业设计对产品形态的 要求，对形念布局、比例、线型、曲面、细部等设计作专门研究。虽然这种研 究思路不能解决目前制约形态设计研究向前发展的主要问题，但是，在目前的 情况下采用这样一种研究思路对计算机辅助形态设计的应用研究有很大的帮 助，也有很大的应用价值。采用后一种研究思路的形态设计研究能直接指导产 品的形态更新设计，特别是，在实际应用中6 0 的机械产品设计是对原有机 械设计活动的修改【2 。 1 3 论文研究的背景、意义和主要内容 论文来源于西北工业大学工业设计研究所承担的国家科技部8 6 3a 类项目 “面向信息家电的三维数字化定制设计关键技术研究”( 编号：2 0 0 2 a a 4 1 1 1 2 0 ) 和国家自然科学基金项目“产品的多感知因素设计过程研究”( 编号：5 0 2 7 5 1 1 2 ) 。 论文研究的目的是寻找工业设计的形态设计方法在计算机辅助设计中的应 用方法。论文依据工业设计的形态设计方法，从形态的布局、比例、线型、细 部等四个方面研究计算机辅助形态设计技术，在此基础上设计一系列形态布局 设计、比例设计、线型设计、细部处理等方面的工具，构建工业设计的计算机辅 助形态设计系统。最后，在v c + + 6 0 开发环境中，采用c 叫组件技术在 s o l i d w o r k s 造型平台上进行系统开发，编程实现部分形态设计工具，并检验系 统的集成性和工具的可用性。 论文所研究的内容具有很高的应用价值。在传统设计中，工业设计师必须 具备很好的美学素养和扎实的表现技能，才能应用工业设计方法设计产品。而 工业设计的辅助形态设计工具则可以降低对设计师自身素质的要求，有利于更 多的工业设计师应用工业设计的形态设计方法，同时也扩充了传统的c a d 软件 功能，使得c a d 软件可以结合美学因素辅助设计产品形态。 论文所研究的主要内容如下： 7 两北t 业大学硕j ：学位论文 第一章绪论 1 、依据工业设计的形态设计方法，从形态的布局、比例、线型、细部等四 个方面研究计算机辅助设计技术。并在分析形态设计的需求和研究功能实现的 可行性基础上，构建工业设计的计算机辅助形态设计系统，并检验系统在造型 平台上的集成性能。 2 、依据传统构图理论和面的分割方法，深入研究形态面分割过程，提出基 于面分割方案库的面分割方法。 3 、依据美学法则在比例设计中的应用方法，提出计算机辅助比例设计的方 法，并设计一系列比例计算、比例设计工具。 4 、结合几何变换方法，提出自由曲线关联为同族曲线的算法以及同族曲线 的生成算法，设计同族曲线的绘制工具和自由曲线关联为同族曲线的设计工具； 研究不同线型( 特别是特征曲线) 的心理感知觉特征，设计特征曲线的选择工 具。 5 、在研究形态细部处理方法的基础上，以倒圆角为例，提出倒圆角视错觉 矫正算法和倒圆角的模糊设置算法，设计倒圆角调整和成组管理、倒圆角视错 觉处理、大小圆角模糊设置等工具。 6 、在v c + + 6 0 开发环境中，采用c o m 组件技术在s o l i d w o r k s 软件平台 上开发工业设计的计算机辅助形态设计系统，分别编程实现布局设计、比例设 计、线型设计、细部处理等四个方面的部分工具，并检验系统的集成性能和工 具的可用性。 论文依据工业设计的形态设计方法，研究内容侧重于审美层次上的计算机 辅助形态设计技术，不过多考虑材质、色彩、产品功能、人机关系等因素对形 态设计的影响。论文采用的研究方法为： 1 ，收集、整理、总结当前国内外有关工业设计的形态设计方法在计算机辅 助形态设计中的应用和研究资料，从形态的布局、比例、线型、细部等4 个方 面研究计算机辅助形态设计技术。 2 、在研究工业设计的计算机辅助形态设计技术基础上，从形态的布局、比 例、线型、细部等4 个方面分析计算机辅助形态设计需求和研究技术的可行性。 3 两北t 业人学瑚j 学位论文第一章绪论 紧接着，在v c + + 6 0 丌发环境中，采用组件技术在s o l i d w o r k s 软件平台上丌 发工业设计的计算机辅助形态设计系统，设计形态布局、比例、线型、细部等 一系列设计工具，并实现部分工具。最后，对系统的集成性和工具进行应用验 证。 3 、采用模糊处理方法，对形念中的涉及美学、感知觉的因素进行量化处理， 以期能在计算机中描述产品造型的美学信息。在论文中，判定形态的均衡稳定 性需要对色彩因素作轻重感量化处理。 9 两北工业大学颁1 ：学位论文 第二章工业设计的彤态设计基础理论 第二章工业设计的形态设计基础理论 设计产品形态需要综合考虑产品的一系列内在的约束因素和外在的控制因 素以及它们之间的相互关系，约束因素包括产品的使用功能、结构、材质、人 机关系等，控制因素包括产品的色彩、纹理、装饰、外观形态等。从工业设计 角度考虑，产品的形态设计应处理好产品的使用功能、人机关系、美学原则等 方面的相互关系。其中，在满足技术和人机约束的条件下运用美学法则设计产 品形态是形态设计的关键。产品形态的几何元素有点、线，面和体，这些元素 之间的相互关系构成了产品形态设计的基础。设计师通过应用美学法则来选择 和组织这些几何元素来设计产品形态，以增强产品形态的艺术效果。 论文假设在产品形态满足内在约束因素的条件下，研究设计师应用工业设 计的形态设计方法设计产品形态的计算机辅助技术，因此不考虑形态中的使用 功能、人机关系、色彩等因素的影响。工业设计的形态设计基础理论主要包括 形式美法则、形态的形式心理与感知、形态构成设计、形态比例设计、形态线 型设计等内容。形式美法则、形态的形式心理与感知是属于领域知识，而形念 构成设计、比例设计和线型设计则是形态设计方法。形态构成设计用来设计产 品造型的基本布局，形态比例设计则用来协调构成主体的各部分形体之间的关 系，形态线型设计则用于处理这些形体的边界和结合面之间的线型关系，这三 者最终确定产品的形态。本章分节简要介绍形态的布局设计、比例设计、线型 设计、细部处理等方面的基础理论。 2 1 形态的面分割 产品的形态构成设计是先用形体去容纳一定技术功能结构的单一体，再将 多个单一的形体按一定的形体构成规律和方法有机地组织在一起而构成产品的 整体形象。如何有机地把多个单一形态组合起来，构成形态独特而美观的造型 体是艺术造型的目的，也是形态构成的核心问题【3 1 。形态的构成设计是形态设 计中最为重要的部分，它确定形态的总体布局。 产品的构成设计和布局设计研究一直是国内外设计研究的热点，其研究内 西北t 业人学硕i ：学位论文 第二章丁业设计的形态设汁綦础理论 容主要有形态的创新设计研究、形态布局设计的算法研究等。形念的创新设计 研究主要研究形态组合的原理和方法 3 0 1 ，形态稚局算法研究主要涉及技术、空 间、人机关系约束下功能一原理一结构映射关系建模、推理和算法求解1 3 2 1 | 3 3 1 【3 4 】删等内容。这些布局设计研究以基于技术约束的推理性的布局设计研究为 主，很少涉及审美层面的布局设计问题。由于论文侧重于研究审美层次的形态 设计技术，在这旱，本节主要介绍能够提高布局设计的艺术效果的面分割方法。 考虑到产品形态的面分割与传统绘画艺术中的构图二者含义十分接近，在这里 我们有必要介绍一下传统的构图理论。 2 1 1 传统构图理论 “构图”一词源于拉丁语，是英语c o m p o s i t i o n 的译音，为造型艺术的术 语，其本来意思为结构、组成或联结口引。在绘画艺术中，它的含义是：把各部 分组成、结合、配置并加以整理，最终得到一个艺术性较高的画面。在辞海 中，“构图”是指艺术家为了表现作品的主题思想和美感效果，在一定的空间 中安排和处理人、物的关系和位置，把个别或局部的形象组成艺术的整体。在 摄影中构图是指安排、确定画面内各个组成部分的相互关系，以便最终构成一 个统一的画面整体。概括地说，构图就是设计师在画面空间上组织那些在形式 美方面诉诸于视觉的点、线、体、用光、明暗、色彩等视觉要素，强调、突出 重点，舍弃那些一般的、繁琐的、次要的东西，并恰当地安排陪体，以增强产 品形态的艺术效果。 从绘画作品的图形或物象的形式来看，形态中的布局元素都能概括成最基 本的几何形状，如方形、圆形、三角形、菱形等，而且不同的图形暗示不同的 感觉，产生不同的心理效应。例如，画面作横向线式构成，常蕴含着运动、张 力和痛苦的意味；顶角向上的三角形( 又称金字塔形) 往往引起山坡等稳固形 体的联想，给人稳定或永久僵化的感觉；而倒三角形则给人一种不稳定的动势， 显示出危机和倾颓坍落感；圆形则因令人联想起太阳和满月，产生和平宁静的 情绪，暗示着完满、圆转和充盈感；s 形的构图产生画面牢固而优美的感觉，s 形的构图和线条，给人十分丰满、优美、柔和的感觉：直耸的长方形( 又称纪 念碑形) 显得肃穆庄重，其形式构成有力并且耐看、深沉而发人深思。 两北t 业人学硕i ：学位论文第二章工业设计的形态设计摹础理论 由传统构图理论可知，画面的构图是对画面中元素的组织，权衡、布置视 觉元素在整个画面中的位置关系，它决定画面的整体形象，不同的画面构图能 产生不同的画面形象。 2 1 2 形态立面的分割方法 形体的面分割可以理解为产品形态的二维立面的面积区划，能用于产品形 态的某一视图的立面( 外观) 形态设计。面( 立面或形) 分割是将造型立面以 一定的数比关系获得不同的面积区划，使之在结构、线型、色彩面积或位置安 排等方面获得数比美而体现造型的美感，如图2 1 所示。这里所指的分割不是 任意的分割，而是按实现美的造型所需要的艺术处理手段。它与形体组合相辅 相成，既是形体构成的基础，又是丰富形体变化的艺术手段。 图2 - 1 面分割的应用 其中，特征矩形面的分割最具特点，如图2 - 2 所示。在造型中，人们常采 用最稳定的图形( 正方形、均方根矩形等) 作为基本图形，一般认为这些 图形能取得较好的数比关系和美感，应用它们之间的演变关系，将它们按功能 与艺术要求进行分割演变( 或称组合) ，则可得到形体动静结合、相互呼应协调 的艺术效果，使形体的分割按一定的数比规律进行，从而获得造型的比率美。 按矩形边比，特征矩形分为正方形矩形、1 ：1 2 3 6 矩形、1 ：2 矩形、黄 金分割矩形、l ：了矩形、1 ：2 矩形、1 ：；矩形等，不同的特征矩形面的分 1 2 两北t 业人学坝十学位论且：第二二章 工业设计的形态设计皋础理论 割各有其主要的演变方法( 由于篇幅所限，详细介绍请参见文献 3 】【3 7 1 ) 。在设 计形态立面时，设计师以形体某一立面为主作形态的立面设计。首先将立面进 行规整，确定形态总体的矩形外廓：然后，对轮廓矩形做特征化处理，得到特 征矩形或特征矩形的组合；最后，根据特征矩形面的主要演变方法生成多个面 分割方案以供选择。 i 图2 - 2特征矩形面的分割 立面分割方法的实际应用很广，确定造型物的比例尺度、结构线型位置、 装饰分割线位置、面板的构图、色块分布、等都可以应用【3 1 。当然，形态 构成设计还包括形体的组合、形体与空间的组合、形体的分割、形体的过渡、 形态方案的变化等设计。面分割仅能解决形体的基本位置关系，要设计好形体 的基本结构，还要结合其它的形态构成设计方法。 2 2 形态的比例设计 形念构成设计确定产品造型的基本布局，接下来就是要协调构成主体的各 部分形体之间的关系。解决这些形体之间的组合与衔接关系的实质是解决它们 之间的尺度与比例问题。尺度设计解决形态与人的配合问题，比例设计则是协 调构成主体的各部分形体之间的关系。由于尺度设计涉及人机约束问题，论文 在这里只介绍有关比例设计的基础理论。 两北1 业人学删1 ，学位论文第二章t 业世计的形态设汁螭础璀论 2 2 1 比例设计概况 比例是指形态整体、局部自身或相互之问的比较关系。好的造型物，其各 部分徊j 应有合理的比例关系。在形态中比例关系可分为三类比例关系：固有比 例、相对比例和整体比例。固有比例指一个形体内在的各种比例：长、宽、高 的比例。相对比例指一个形体相对另一个形体之间的比例，如一个高瘦的人和 一个矮胖的人的比较。整体比例指组合形体的特征或整体轮廓的比例( 如果你 眯着眼看一个组合形体的外轮廓的各种比例，你看到的则是整体比例) p 8 1 。 比例设计是形态设计中非常重要的一个环节，要谨慎对待。产品的比例设 计，是运用比例知识解决产品形体的比例协调问题，具体调整产品形态中具体 尺寸的大小，使得形态各尺寸的比例符合均方根比例、黄金分割比例、中间值 比例、整数比例等美学比例关系。优秀的设计总是将任何单元的相对独立的尺 寸归纳到明显的总体尺寸中去，通过单元尺寸的各种比例变化，使彼此之间有 完善的关系。实际上，优美形体与普通形体之间的区别就在于它们比例的精确 性【3 8 】。精确性是一种无法触摸但又非常真实的特性，在这里我们可以把它理解 为形态尺寸比例与优先比例关系的逼近程度。如图2 3 所示，壶嘴儿上沿与壶 高、壶把手上沿与壶高、壶把手宽和壶身宽的比例均为整数比例关系。 图2 - 3 形态比例的精确性f 3 7 】 1 4 两北t 业人学碗1 二学位论立第二章 1 = 业设计的形态设计幕础理论 工业设计师对形态尺寸的关注焦点主要是在满足技术条件约束的前提下协 调形态各个尺寸的( 比例) 关系。在形态设计中，设计师要时刻关注和协调造 型元素的固有尺寸、相对尺寸和整体尺寸，例如选择具有优先比例关系的造型 元素，按优先比例关系调整元素之间的相对关系等。 2 2 2 常用的比例关系及特性 美的造型都包含有恰到好处的比例，这种比例是人们在长期的生活实践中 所创造的一种审美度量关系。在达芬奇论绘画一书中达芬奇认为：“美 感应完全建立在各部分之间神圣的比例关系之上。”比例美可以看作是一种用 几何语言及类比词汇去描述的时代艺术气氛与科学技木紧密结合的艺术形式。 在比例学上，影响最大的也是实践中运用最多的是黄金分割比例。此外还有均 方根比例、整数比例、相加级数比例、人体模度比例等【3 】 3 9 1 。 1 黄金分割黄金分割从古到今，一直被公认为最美的尺度，大自然中许 多美景的构成，均有黄金分割比例的反映。黄金分割比例是采用优选数0 6 1 8 为基数，使构成比例的两线段其比率为0 6 1 8 。这种比率具有符合人的视觉特 点和人体的内在尺度。它的比例优美调和、富于变化而又有一定的规律和安定 感。 2 均方根比例长方形中若令短边为l ，而将2 、3 、5 、这些 无理数列应用于长边设计时，反映在几何图形上就会出现一种非常严格而自然， 非常有规律的重复，即1 ：2 、1 ：3 、l ：5 这就是均方根比例。这种 比例关系之间有着和谐、协调的动态均衡美感，因而应用较广泛。 3 整数比例即以具有肯定外形的正方形为基础单元而派生出来的比例。 一个基本单元的长宽比例为1 ：l ，2 个基本单元的长宽比例为1 ：2 ，依次 类推，可得1 ：3 ，1 ：4 等等。整数比的形成可以是整数比的简单融合， 也可以是分数形式的配合。整数比的优点是较容易产生符合一定韵律关系的形 体之间的配合，而缺点是容易显得呆板。 4 费波纳齐级数费波纳齐级数是指由中间值比例所得的比例序列。其基 两北下业大学硕i ：学位论文 第二章l 丁业 5 计的彤态鞋计基础理论 本特征为前两项之和等于第三项。相邻两项之比为1 ：1 6 1 8 的近似值，比例数 字越大，相邻两项之比越接近黄金比1 ：1 6 1 8 。费波纳齐级数比例表现为一种 渐进的等加制约性，易取得整体的良好比例关系，产生有秩序的和谐感，在现 代工业产品设计中常被设计者所采用。 5 模度理论模度理论是艺术造型中一个学派的观点。模度理论是从人体 绝对尺度出发，选定人的举手高、头高、肚脐高、垂手高为4 个基本点( 它们 分别是2 2 6 0 m m ，1 8 3 0m m ，i 1 3 0m m ，8 6 0 m m ) ，插入相应的其它数值后，形成如 下两套费波纳齐级数值：( 单位m m ) 第一套为1 8 3 0 ，1 1 3 0 ，7 0 0 ，4 3 0 ，2 7 0 ，1 7 0 称为红尺。 第二套为2 2 6 0 ，1 4 0 0 ，8 6 0 ，5 3 0 ，3 3 0 ，2 0 0 称为蓝尺。 这些数值之间不仅包含着中间值比率的制约关系，而且基本上符合了人体 活动区间的各种尺度，能达到人机关系的融洽如一。因此模度理论是一种有实 用价值的形体比例设计模式。 2 2 3 形态的比例设计方法 一般来说，产品形态的最终比例是在产品的主要功能要求和技术条件、设 计者的审美要求等三方面约束条件下形成的。对于某个具体的产品而言，其预 先规定的功能要求使我们一开始就可以获得确定的尺寸和比例，而随后为使其 功能得到保证而应该具备的技术条件有可能对前者进行必要的补充和修正，从 而又形成新的比例。在此基础上考虑形态各个部分的比例关系和调整的自由度 以增强产品形态的艺术效果，最终确定形态各部分的比例关系。 在造型设计中确定造型物的比例关系常用以下几种方法j 4 0 】： 1 、有固定比例因子构成法依据设计意图，选取与产品总体外廓尺寸、各 关键部件轮廓尺寸所接近或适宜的数比关系为某种固定的比例因子( 如均方根 比例、黄金分割比例、中闯值比例、整数比例等) ，作为确定产品比例关系的基 本比例因素，就会使造型物整体比例协调，产生形式美感。 2 、相似矩形构成法将机械产品总体轮廓、各主要部件，按具有优美比例 1 6 两北t 业大学颂，l 二学位论义第二章丁业设计的形态设计摧础理论 关系的矩形( 如l ：6，1 ：1 6 1 8 ，1 ：o 6 1 8 等) 进行划分，如各矩形对角 线互为平行或垂直，则产品的造型就能统一协调。如划分后的各矩形对角线相 互不平行或垂直，则显杂乱，达不到整体比例的协调。也可用此发来检验、调 整已生产或已设计的产品比例是否统一协调。 3 、混合比例构成法即按产品功能、结构要求，不是采用单一的比例因素， 而是由不同比率的特征矩形混合构成。各部分间均有良好的比率美感，之间又 有一定的比率转换关系，能取得协调统一的效果。 这些方法应用方便，不仅可用于设计，也可用它检验已成型的产品形态， 校核各部分之间、部分与总体之间是否能达到比例协调。但是，在掌握比例设 计方法时也不要过于死板，对于某些局部，在功能和结构不许可变动的情况下， 不一定在尺寸关系上必须按一定的比例，可以采用线的分割或视觉误差的现象 来调节比例。 2 3 形态的线型设计 一个成功的产品造型设计总是与其线型的正确选择与组织密切相关。形态 的线型设计是最后确定造型体形态的重要环节，因为通过合理处理各部分线型 的排列、贯通、转折、过渡等能达到整体统一协调的效果。线型设计主要任务 是选择和组织线型。 2 3 1 线型的选择 在选择线型时，设计师主要考虑以下两方面的因素： 1 、线的知觉感 通过长期的生活实践，人们对几何要素的性质已积累了很多经验，对形的认 识也产生大量的比拟与联想，进而线条同人的心理感受产生了直接的联系，线条 开始具有自身独立的价值。不同的线条及其组合能唤起观者不同的生活联想， 给予观者不同的心理感受。 在造型设计中，点有大小之分，线有粗细、曲折之分，直线又包括水平线、 1 7 婴j 堕兰尘兰堕! 竺垡笙苎 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