（机械设计及理论专业论文）数字化工具支持下的工业设计.pdf

掊要 数字化工具支持下的工业设计 机械设计及理论专业 研究生高亮指导老师杨随先 摘要 数字技术仅用了几十年就让人类社会从工业时代开始向数字化时代过渡， 在这种背景下，工业设计模式也发生了重大变革。数字化工业设计是数字化技 术对传统工业设计的渗透与改良，但足数字化工业设计不等于单纯的技术加艺 术，数字化工具也不能仅仅是对传统殴计工具的简单替代，我们应面对设计与 数字技术的关联与矛盾，在数字化工具的支持下寻求最合理的工业设计模式。 本文在理论研究与设计实践相结合的基础上，认真分析了数字化设计工具 的特性和现行c a i d 系统的流程和问题，详细研究了工业没计引入数字化工具后 在设计模式及思维方式上产生的变革，提出了逆向设计思维与正向设计相结合 的数字化工业设计方法，给出了系统的设计流程，对相关数字设计平台和设计 理念进行了详细阐述。论文在理论和实践方面的主要内容及成果如下： ( i ) 对数字化技术对工业设计的影响以及数字化工业设计的现状进行了讨 论，分析了现行c a i d 系统的设计流程，从设计方法及设计荚学两方面分析制约 数字化工业设计效率及质量的“瓶颈问题”。 ( 2 ) 阐述了数字化工具对概念设计、三维建模与视觉化以及设计载体的影 响，研究了数字化工具支持下的工业设计模式和适应数字化工业设计的新的设 计理念。详细讨论了v i d 设计理念以及数字化工业设计人机系统中工业设计师 的角色与职责。 ( 3 ) 阐述了数字化工业设计美学的产生背景数字化生存、形象化生存。 卿i i 走学硕l 节9 绝交 探讨了数字化工业设计的三个羔学特，缸和四个设计风恪的发展方向情感化 设计、高科技风格设计，“文化传承”设计风格及解构主义设计。提出了数字化 工业设计荚学的出发点和门宿；分析了数字化设计工具的可拷贝性、空日j 三维 性等特点，并对数字化工业设汁工具与工业产品遗型的关联性进行了分析讨论。 ( 4 ) 根掘现行c a i d 系统的问题和工业设计活动的本质特征，分析了当前 数字化工业设计方法的三点不足，提出了在数字化正向工业设计流程中引入逆 向设计思维这一创新的设计模式。详细论述了将正向设计与逆向设计思维结合 的必要性：工业设计以三维产品为研究对象； 提高工业设计流程筹环节之 间设计的并行性；提高p i d 阶段的设计效率与设计质量。给出了该方法的系 统框架和具体设计流程，即将数字化工业设计划分为风格定位、三维体量关系 设计、草图及细节设计、p i d 、真实感渲染和实时三维交互设计评估六大阶段， 并研究了每阶段的殴计工作和支撑手段。 关键宇：c a i d 数声化工业设计数字化设计荚学并行性设计流程逆 向设计思维正向设计 u a b g t r a c l s t u d y s ut h ed i g i t a l i z e di n d u s t r i a ld e s i g n m a j o r m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t eg a ol i a n g s u p e r v i s o ry a n gs u i x i a n a b s t r a c t “d i g i t i z e dw a v e ”m a k eh u m a ns o c i e t yt r a n s i tf r o mt h ei n d u s t r yt i m et ot h e d i g i t i z e dt i m e ，u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，t h es i g n i f i c a n tt r a n s f o r m a t i o nh a sh a p p e n e di n i n d u s t r i a ld e s i g n t h ed i g i t i z a t i o no fi n d u s t r i a ld e s i g nr e f o r m st r a d i t i o n a li n d u s t r i a l d e s i g n w i t hd i g i t 破t e c h n o l o g y , b u t t h e d i g i t i z a t i o n o f i n d u s t r i a l d e s i g n w a s n o t j u s t t o p u tt e c h n o l o g ya n da r tt o g e t h e r d i g i t i z e dt o o l si sn o to n l yt h es i m p l ys u b s t i t u t eo f t r a d i t i o n a ld e s i g nt o o l s t of a c et h ec o n n e c t i o na n dt h ec o n t r a d i c t i o no fd e s i g na n d t h ed i g i t i z e dt e c h n o l o g y , w es h o u l de x p l o r en e wi n d u s t r i a ld e s i g np a a e r n 、i t ht h e s u p p o s i n go f d i g i t i z e dt 0 0 1 b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ff u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n dd e s i g np r a c t i c e ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ed i g i t i z e dd e s i g nt o o l s ，t h ef l o w a n dt h ep r o b l e m so ft h ec u r r e n t c a l ds y s t e ma r es u m m a r i z e d t h ec h a n g eo ft h ed e s i g np a r e ma n dt h i n k i n gm o d e a f t e rt a k i n gd i g i t a lt o o l si n t oi n d u s t r i a ld e s i g nw e r ed i s c u s s e d a ni n d u s t r i a ld e s i g n a p p r o a c hb a s e d0 1 1t h ec o m b i n a t i o no fr e v e r s a ld e s i g na n df o r w a r dd e s i g ni sp u t f o r w a r d ar e l e v a n td e s i g nf l o wi sa l s oe s t a b l i s h e d t h er e l e v a n td i g i t a l d e s i g n p l a t f o r ma n dd e s i g ni d e at h a ts u s t a i nt h ed e s i g nm e t h o da r ed i s c u s s e d t h em a i n r e s e a r c hw o r k sa n dt h er e l e v a n ta c h i 【e v e m e n t so f t h i st h e w sa r el i s t e db e l o w ： ( 1 ) t h es t a t u so fd i g i t i z e dd e s i g na n dt h ei n f l u e n c eo fd i g i t i z e dt e c h n o l o g yo n i n d u s t r i a ld e s i g na r ee x p a t i a t e d ，a n dd e s i g nf l o wo f c u r r e n tc a i ds y s t e mi sd i s s e r t e d “b o t t l e n e c kq u e s t i o n s ”t h a tr e s t r i c te f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo fd i g i t i z e di n d u s t r i a l i i i 四。i ! 久学硕 学 、论艾 d e s i g na l e d i s c u s s e di nd e t a i lf r o mb o t ho ft h ed e s i g nm e t h o da n dt h ed e s i g n e s t h e t i c s ( 2 ) t h en e wd e s i g np a t t e r n so fc o n c e p t u a ld e s i g n ，p i da n dd e s i g nc a r r i e r , a s w e l la st h en e wd e s i g ni d e at h a ta d a p tt od i g i t i z a t i o no fi n d u s t r i a ld e s i g na f t e rt a k i n g t h ed i g i t i z e dt o o li n t oi n d u s t r i a ld e s i g na r ee l a b o r a t e d v i dw h a ti s i m p o r t a n tt o r e s e a r c ho fd i g i t a l i z a t i o no fi n d u s t r i a l d e s i g n i sb a t t e da r o u n d ( i n c l u d i n gt h e b a c k 掣d u n do fv i do r i g i n a t i o n , t h er e s e a r c ho fv i da p p l i c a t i o na n d t h ek e y t e c h n o l o g yo fv i d ) b a s e do n t h e s e r e s e a r c h , i n d u s t r yd e s i g n e r sp r i n c i p a l c h a r a c t e r i s t i ci nt h eh u m a n m a c h i n es y s t e mo fd i g i t i z e dd e s i g ni se s t a b l i s h e d ，a n d t h er o l ea n dr e s p o n s i b i l i t yo f i n d u s t r yd e s i g n e ri n1 1 1 ed i g i t a l i z a t i o no fi n d u s t r i a l d e s i g na r ed i s s e r t e da sw e l l ( 3 ) t h eo r i g i n a t e db a c k g r o u n do fe s t h e t i c si nn i ed i g i t a l i z a t i o no fh d m t r a l d e s i g n , w h i c ha r ed i g i t i z e ds u r v i v a la n dv i s u a l i z e ds u r v i v a l ，i se x p a t i a t e d b a s e do n t h ef o u n d a t i o n , t h r e ee s t h e t i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n df o u rk i n d so ft r e n do fd e s i g ns t y l e a r ed i s c u s s e di nd e t a i l ( t h ee m o t i o n a ld e s i g n , t h eh i - t b c hd e s i g n t h ec u l t u r a ld e s i g n a n dt h ed e c o n s t r u c t i o nd e s i g n ) t h ep o i n to fb e g i n n i n ga n de n d r e s u l to ft h e e s t h e t i c so ft h ed i g i t a l i z a t i o no fi n d u s t r i a ld e s i g ni sp u tf o r w a r d 1 1 1 er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et o o l so ft h ed i g i t a l i z a t i o no fi n d u s t r i a ld e s i g na n dt h ef o r mo f p r o d u c t i o ni sa n a l y z e dt h r o u g ht h er e p r o d u c t i v ec h a r a c t e r i s t i ca n d3 dp r o p e r t yo f d i g i t i z e dd e s i g nt o o l s ( 4 ) n l ei n n o v a t i o n a ld e s i g nm o d et h a tt a k i n gr e v e r s a ld e s i g nt h o u g h ti n t ot h e f l o wo ff o r w a r dd e s i g ni s p u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fc u r r e n tc a i d s y s t e ma n de s s e n c eo fi n d u s t r i a ld e s i g n t h r e ei n s u f f i c i e n c i e si n t h em e t h o do f c u r r e n td i g i t i z e di n d u s t r i a ld e s i g na r eg i v e no u t ，a n dt h er e q u i r e m e n to fc o m b i n i n g r e v e r s a ld e s i g nt h o u g h tt of o r w a r dd e s i g ni sd i s c u s s e di nd e t a i l f i r s t l y , i n d u s t r i a l d e s i g nt a k e st h et r i d i m e n s i o n a lp r o d u c t i o na ss t u d yo b j e c ls e c o n d l y , c o l l a t e r a l p e r f o r m a n c ea m o n gv a r i o u sp h a s e so fi n d u s t r i a ld e s i g ni si m p r o v e d t h i r d l y , t h e e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fp i dp h a s ei se n h a n c e d f r a m ea n dd e s i g nf l o wa b o u t p r o d u c t i o nf o r md e s i g nb a s e d o nc o m b i n a t i o no fr e v e r s a l d e s i g nt h o u g h ta n d f o r w a r dd e s i g ni s g i v e no u t 1 1 1 ef l o wi n c l u d e ss i xc o l l a t e r a ls t a g e sw h i c ha r es t y l e i v a b s t r a c t l o c a l i z a t i o n ，d e s i g no fa m o u n to fs p a c eo c c u p i e dr e l a t i o n s ，c o n c e p ta n ds p e c i f i c d e s i g n ，p i d ，r e a l i s t i cr e n d e r i n ga n dr e a l t i m ee v a l u a t i o no fi n t e r a c t i o ni n3 ds p a c e l a s t l y , d e s i g nw o r k sa n ds u s t a i n i n gm e a s u r e so f e a c hp h a s ea r es t u d i e d ( 5 ) t h ei n n o v a t i o n a lm e t h o do ft h ed i g i t a l i z a t i o no fi n d u s t r i a ld e s i g np u t f o r w a r di nt h i sp a p e rh a sb e e np r o v e n ，t h r o u g ht h es p e c i f i cd e s i g nw o r ko fh i s e n s e m o b i l ep h o n e t h ep r o b l e m si nh i s e n s ep h o n ed e s i g na r ea n a l y z e d t h ed e s i g ns t y l e o f t h ep r o d u c t i o ni sp r e c i s e l yf i x e do nb yi m p r o v i n go i ls e m a n t i cd i f f e r e n t i a lm e t h o d t h eg l o b a ld e s i g nw o r k so f h i s e n s ep h o n ei sc o m p l e t e dw i t ht h em e t h o dp u tf o r w a r d i nt h i sp a p e r i na d d i t i o n , t h ee f f e c ta c h i e v e di nt h ed e s i g ne x a m p l ei sl a b o r e di n i m m e r s e dd i g i t a lc i r e u m s t a n c e k e yw o r d s ：c a i d ，t h ed i g i t i z a t i o no fi n d u s t r i a ld e s i g n , t h ee s t h e t i c so f d i g i t i z e dd e s i g n , p a r a l l e lp e r f o r m a n c e ，d e s i g nf l o w , r e v e r s a ld e s i g nt h o u g h t , f o r w a r dd e s i g n v 第一帝绪论 第一章绪论 “数字化浪潮推动社会飞速发展，世界范围内的竞争将日趋激烈，尤其是 工业领域的竞争更加自热化。” 1 1 数字时代的来i 临，使全世界的制造业都卷入了 新一轮更加激烈的竞争一设计的竞争，也促使工业设计方式产生了极大的变化。 随着大多数产品的技术、制造、市场和分销的逐步同质化，设计芷慢慢成为进 行产品划分的唯一附加价值1 2 l 。 数字化工业设计在设计方式上，相对于传统设计方式，要有创新的理念与 方法，数字化工具不能只是作为一种手绘工具的延伸，如果只是简单地用 a u t o c a d 取代针笔与平行尺，用c o r e ld r a w 或p h o t o s h o p 来代替麦克笔、喷枪， 而整个设计的方式并没有因数字化工具的介入而改变，以往设计流程中容易发 生的错误，还是会发生；同时在工业设计的进程、品质、美学特征上能产生有 形与具体的改善和提升，毕竟以数字化工具辅助工业设计，是以“工业设计” 为莺心，故数字化工具的导入必需对设计创意的产生有质和量的改善，才有存 在的意义，数字化时代的设计风格，应该抛弃工业社会中很多产品给人的局促、 不安、焦躁及机器味过重等负面情感因素。 立足于数字时代和数字化设计工具的变革，探讨工业设计的手段、理念、 方法和设计荚学风格的变化，是现代设计和文化发展提出的一个重要的课题。 在数字化工具介入工业设计的背景下，本文从工业设计内涵、设计艺术以及数 字化工业设计方法等不同角度来探讨数字化与工业设计的关系，以及所带来的 新变革。 1 1 解构工业设计 世界工业设计协会联合会( i c s i d ) 在1 9 8 0 年一次国际会议上对工业设计 定义的定义如下： 在工业产品设计中，对材料、结构、形态、色彩、表面加工给予设计上的 确定，叫做工业设计。此外，为推广产品而进行的一切媒介的设计，也属该范 畴。 明1 1 人学硕 学位论文 1 1 1 工业设计的发展概况 原始的人类为了最基本的生存需要，制造了许多高效便利又造髻j 优荚的物 品，为了把原始的设计活动和现代工业没计有所区别，学者们以“造物活动” 一语概括之卜j 。 2 0 世纪初期，随着工业技术迅速发展，一部分设计师和艺术家意识到工业 化进程的壤本趋势，开始寻求工业时代下的设计理念、设计方式及风格特征。 现代工业设计是建立在包豪斯的基础之上的，包豪斯的设计基础课程“三大构 成”现在仍是现代工业设计的基础理论。 2 0 世纪后半段兴起的数字化革命弓新材料发展的冲击，成为了工业设计最 重要的推动力。产品越来越扁平化、小型化，随之而来的是产品的界面重新设 计，二维图形设计也更多的参与到工业设计这个领域中。由于数字化设计工具 的出现，工业设计的方式发生了根本性的变化，这不仅体现在用计算机来绘制 各种设计图，用快速的原型技术来替代油泥模型，或肯用虚拟现实来进行产品 的仿真演示等。更重要的足建立起一种并行结构的设计系统，将设计、工程分 析、制造三位一体优化集成于一个系统，使不同专业的人员能及时相互反馈信 息，从而缩短开发周期，并保证设计、制造的高质量【5 】。 1 1 2 传统的工业设计流程及问题 众所周知，传统的产品设计流程是一种顺序的创意收敛过程。如图i - i 所 圜+ 圈 图卜1 传统工业设计流程示意图 示，个产品的传统开发方式大致上可以分成四个阶段。第一阶段为创意发展 阶段( c o n c e p td e v e l o p m e n tp h a s e ) ，由设计师提出种种不同的构想草图，一 般这个阶段的方案大约有数十个左右。第二阶段为设计演进阶段( d e s i g n e v o l u t i o np h a s e ) ，在第一阶段的方案中，遴选出几个较具可行性的方案，设 2 第一章绪论 计师和工程师再协同针对产品内部的结构空间与外观细节部份详加思考，然后 绘制出三至五个产品仿真( r e n d e r i n g ) 。第三阶段为立体模型阶段( m o c ku p p h a s e ) ，是从这些产品预想图中，决定出一至二个方案，绘制工程图 ( e n g i n e e r i n gd r a w i n g ) ，再交给模型制作人员制作产品原型( p r o t o t y p e ) 。 第四阶段为制造阶段( m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ) ，一般足交由机构设计等人员， 进行各项量产前的设计，包括机构、模具、涂装、组装等，直到产品正式量产 为止。 传统的工业设计方式，在创意发展和设计演进阶段都是处于二维的视觉思 维状态，以二维来作思考往往有很大的偏差，从不同角度去思考设计常会有正 视图与侧视图不对应的错误。模型师在依据2 d 图制作立体的p r o t o t y p e 时，会 与设计师原本的想象有极大的误差。接着结构人员根据p r o t o t y p e 再转回2 d 的 模具工程图，然后再按模具工程图做出3 d 的摸具，等产品样品出来之后，往往 跟原始的设计创意可能差了很多。 在消费工业品领域中，产品设计的生命周期变得越来越短，顾客追求个性 化已成一种趋势。而在传统设计方式中，由于原型通常采用油泥、胶木或电木 等材料手工制作，制作过程复杂且难度大、周期长及成本太高，制作出的原型 在色彩、细节质感和表面处理等方面无法保证产品批量生产后的准确性，难以 满足用户在周期、成本以及个性需求等方面的需要。 1 2 数字化工具的发展状况 当前，国内外数字化工业设计技术的研究主要集中在数字化概念设计技术、 计算机辅助造型技术、虚拟现实技术以及数字化感性工学技术的应用研究等方 面。 ( 1 ) 计算机辅助造型技术 计算机辅助造型技术的主要发展趋势是更加适合设计师的设计思维，而不 是工程师的思维方式，比较有代表性的足变量化和主模型数字技术。 变量化建模技术 在设计过程中，设计师首先考虑的是设计思想及要领并将其体现于某峰形 状之中，这种形态准确尺寸和各形状之间的严格尺寸定位关系在设计的初始阶 段还难完全确定，而变量化技术为设计师提供了最为准确、方便的造型方法。 现代i 殳计 统的一个要求 设计的实 便地反映出企 数字化工具没 快速评价及便 零部件的可修 定量信息变量 改善设计、推 统使得设计师 约束，设计草 的正确性及效 满足没计要求 计过程相对自 须过多关心软 规律。 主模型建模技术 主模型建模技术使用通用的数据接口使数字模型可以应用于不同的设计领 域，使产品的并行设计和协同设计成为可能。主模型( m a s t e rm o d e l ) 足基于 p d m 数据管理为核心的一个中央数据库文件【_ “，它包括与产品相关的所有几何和 非几何信息，用来为产品在生命周期中产品开发过程的各个阶段和各个部门提 供服务，通过这个单一的主模型，设计任务可由不同的设计团队完成。c a t i a 最新的r 1 5 版本通过模型管理员模式初步实现了此功能。 图1 - 2 是利用一个产品设计过程来解释如何利用主模型进行协同设计，虚 线之外部分为工业设计详细设计流程。产品设计队伍共享一个主模型，设计师 可修改主模型的造型、色彩、材质等相天数据，然后以r a v e1 i n k 模型技术实 时反馈给主模型，使结构和模具中心可以协同进行相关设计。 ( 2 ) 数字化概念设计技术 概念设计阶段，对于一种确定的功能和结构，产品形态的可能性足无限的。 采用传统设计工具，设计师往往只能表达出一部分的可能。在数字化工具支持 4 第一章锗论 下，形态激发工具按照形态发散联想思维的原理，自动生成大量概念形态，辅 助设计师选择并激发其创意。对形态激发工具的研究，主要有基于设计师自然 绘图方式的摹图绘制技术以及新兴的形状文法技术。 图卜2 基于主模型的协同设计方法 形状文法是将设计类比做语占，形状词汇即一系列基本形态单元，包括形 态单元的构成规则及形态语义8 9 1 们。形状文法提供了一种将设计过程及设计 知识形式化的方便手段。图卜3 为基于形状文法的风格激发系统结构。 输入端 困 约束：正规工业设计语法 图1 - 3 基于形状文法的风格激发 5 有真实感的环境下产生，并且与真实模型相一致，从而免去样机的制造。可控 制比例的产品模型可以借助三维投射技术投射到大屏幕上，这尤其适合于大量 6 第一章锗论 观众的时候。在这方面，汽车的设计和演示用的比较多。除了数字结果的可视 化及功能演示之外，设计质量的评价也足一个重点问题。当i ；i 用束评价产品自 由表面和产品的可使用性的方法还足可视化的方法但国外的一些大企业例 如i b m 的尖端实验室，已经通过触觉的交互技术来进行评价，把触觉作为基本 的感知元素能更好的体验产品的材料、质地。1 1 2 】0 3 虚拟人技术 面向艺术与设计的虚拟人技术已经成为数字化艺术与设计学科的支撑方向 之一，其研究的侧重点在于人类的几何、行为、感知、情感和社会特性，需要 满足以下要求；a 、按照人的骨架系统建模，并且可以结合具体应用进行自由度 的增删；b 、具有合理可信的人体尺寸和外观：c 、具有合理可信的姿态、动作 和行为特性；d 、可以感知并影响其他虚拟人以及虚拟环境。其感知可通过听觉、 触觉、视觉等多种方式实现；e 、可以实时地按照人的行为特性与其他虚拟人或 者三维虚拟环境发生交互，交互的媒介可以是肢体动作、文本或者自然语言【卜 0 5 1 。 当前，国外对面向艺术与没计的虚拟人技术研究主要研究四方面内容：虚 拟人体建模、虚拟人的运动控制、虚拟人群仿真和虚拟感知与情感计算。1 1 6 1 其 中，虚拟人体建模和运动控制技术的研究主要针对单个虚拟人展开，而具有感 知和情感的单体的集合就构成智能虚拟现实环境中智能和社会人的研究内容， 这并非简睢地叠加。需要号门的虚拟仿真技术、虚拟感知与情感计算的相关研 究作为其理论支持。 ( 4 ) 数字化感性工学技术 感性工学是感性与工学相结合的技术，主要通过分析人的感性来设计产品， 依据人的喜好来制造产品，它属于工学的一个新分支【 l 。感性信息的处理是数 字化技术一个新兴的发展方向。 数字化感性工学主要包含三大内容1 9 i ：基于模糊逻辑的技术。客观世 界中除了处于绝对真或假的状态以外，还有许多处于真或假之间的中间状态。 z a d e h 提出的模糊集合的概念可以较好地描述后一种情形，模糊i f t h e n 规 则可以较好地刻画人类的经验知识，模糊推理可以较好地反映人类的某些思维 过程。目前，基于模糊逻辑的技术已成为最重要的一种处理不确定性信息的工 具。人工神经网络技术。人工神经网络可以表示为一个有向图，其中每个节 7 p t l i l 大学硕i 学 t 论定 点表示最壤本的计算单元用来实现较简荦的激活计算，而有向弧以不f d 的 连接杈重将节点连接起求1 2 2 i ，这样的数字化工具町以实现某蝗记忆和感性问题。 进化计算技术。主要应用在最优化的搜索和求解问题，目前，国内外号家学 者主要集中于风格计算、感性计算、情感计算、视觉计算等领域的研究。 1 3 数字化工具对工业设计的影晌 1 3 1 数字化工具对工业设计的影响层面 数字技术对工业设计的影响上要集中在以下两个层面。 ( 1 ) 数字技术在辅助工业设计和设计媒体上的应用，增加了设计师的创作 自由度，特别是基于数字虚拟空间的计算机网络技术的兴起，使得设计师的设 计手段、媒介和思维方式发生了重大变摹。 ( 2 ) 数字技术作为一种人类新的生存方式渗透到人们生活的各个层面，改 变着人们的意识形态、文化和美学观念，也改变着设计师最关心的东西形 式荚的创造。 1 3 2 数字化工具影响工业设计的具体表现 ( 1 ) 概念设计阶段趋于“无纸化” 数字化的工业设计流程，理论上不需要各种各样的尺、规、笔、纸等传统 草图绘制工具，数字化设计平台可提供概念设计的虚拟空间，传统烦琐的、低 成本的概念设计过程转化为手绘扳的实时交互式操作。 ( 2 ) 设计方案交流便捷化 基于w e b 的项目信息共事平台拉近了设计进程中各设计角色的距离。数字 化交流平台可以保证客户的实时全程参与设计，避免了传统设计模式中的反复 修改过程，可实现异地协同设计和设计资源的合理配置利用，最大限度提高设 计效率与设计质量。 ( 3 ) 整体设计程序更具灵活性和高效性 在计算机上，产品的创意方案可以通过快速的三维建模、渲染，并且在形 体感觉、形态调整、色彩、肌理等方面进行随时的改变调整，传统的效果图失 去了原有的地位。设计中大量的时间、精力可用在分析、评价、调整上，相对 于传统的设计程序在侧重点上有了较大的变化，工作效率的提高使产品开发周 第一章绪论 期明显缩短。 ( 4 ) 设计成果更为真实可靠 计算机辅助设计的结果具有真实的立体效果和质量感，尤其是数字技术的 迅速发展，使虚拟现实成为口丁能，计算机虚拟现实技术能使静止的设计结果成 为虚拟的真实世界，人置身于真实的产品模拟使用环境中，以检验产品的各方 面性能。利用v r 技术和全息技术可以建立虚拟的模型用于设计研究，并可作为 虚拟产品让顾客试用，极大地缩短产品开发的时间，降低新产品的风险。 1 4 当前数字化工业设计方法研究 1 4 1 当前的c a i d 设计流程 数字化工具介入工业设计以来，大部分产品的开发都是循着循序严谨的正 向c a i d 设计流程，从最初的市场调研开始，对所开发产品进行定位，然后构思 产品的概念草图，再由整体形态的设计、细j i 宁设计以及检验零组件组装、检验 整机组装、性能测试等程序来完成。【2 0 1 传统c a i d 设计的流程如图l 一4 所示。 图卜4 传统c a l d 流程 1 4 2 当前数字化设计方法的问题研究 ( 1 ) 当前的数字化设计方法是正向设计方法，正向设计的产品的体量关系 及空间布局是在确定的设计知识和设计经验指导下，结合实际的产品形态或是 依据设计理论抽象出的空间形体来完成的，但足在缺少设计经验或参考原型的 状态下，正向设计从二维到三维的设计模式无法在概念构思时进行空间形体与 布局的推敲，难以发现产品概念设计在空间形体堆砌及布局上的不足以及视觉 9 阴川大学硕 学位论艾 形态上的不均衡、冲突。 ( 2 ) 当前的数字化设计方法备设计环节的顺序性较强。在c a d 、c a e 、c a y 等设计阶段存并行性，但在之前的工业设计阶段备子环节中，并行性体现较差。 主要是先确定出产品的整体形态后，再进行产品细节上的设计。然而产品的细 节和整体形态是一种有机的天系，产品的整体上的一些体或面呵能和细节设计 上某处形态是一组完形( v i s u a lw h o l e ) 【2 i l 。产品的整体形态和局部细节在视 觉上产生了一种能量分布的特性，并影响到产品设计上的完美与否。 工业设计中的细节设计与整体形态设计在设计初期就应该整体地加以考 虑、评估，以保证产品的整体形态与局部细节上的完荚性、均衡性。 1 5 本文的主要工作 ( 1 ) 从设计方法学及设计思维方式的角度，研究了数字化设计工具介入后 的工业设计，数字化设计工具的介入使工业设计在二维草图、p i d 、设计载体及 工业设计思维理念等六个方面产生了新的变革，出现了新的模式。依据数字化 工业设计工具的本质及工业设计师在数字化工业设计活动中的角色与职责，重 新确立了工业设计师在数字化工业设计中的定位。 ( 2 ) 结合传统工业设计美学理论及数字化工业设计美学的产生背景，探讨 了数字化工业设计如何回归设计的本质，提出了数字化工具支持下的工业设计 应具备的、符合数字化审荚理念的荚学风格，从曲面及体面关系处理等多个角 度来分析数字化工业设计工具与工业产品造型的关联性。 ( 3 ) 在对当前c a i d 设计方式进行研究分析的基础之上，结合逆向设计思 维，研究了适合数字化工具本质的工业设计新模式。详细分析了在正向设计流 程中引入逆向设计思维的必要性，提出了逆向设计思维与正向设计结合的数字 化工业设计方法，给出了具体流程，讨论了该方法的特点。从设计工具及设计 方法两方面，讨论了基于逆向设计思维与正向设计的数字化工业设计支持工具。 ( 4 ) 基于逆向设计思维与正向设计的数字化工业设计方法，通过海信高端 手机的具体设计实例，验证了本文提出的创新的数字化工业设计方法。通过在 数字化三维环境中的设计批评，探讨本没计实例所达到的效果。 ( 5 ) 最后，在前述研究的基础上，从数字化设计风格、数字化设计工具及 其系统性等三方面，对数字化工业设计的未来进行了展望。 l o 第一章t 业设计疗式j 最计居堆的蹙莘 第二章工业设计方式与设计思维的变革 2 1 数字化工具支持下的设计方式研究 2 1 1 二维草图 ( 1 ) 草图概念分析及传统手绘草图方式问题分析 设计表达足开展设计创造活动的基本手段。设计就是根据一定的要求，预 先制定方案、图样等的创造性活动。1 2 2 1 作为一种设计语占，设计表现图的作用 不仅仅是描述某项己完成的设计方案的技术手段，而且是激励造型构思，发展 想象力的独特的视觉思维方式。而最为典型的就是草图这种设计表达手段。 传统的概念设计过程足设计师以手绘草图的方式进行创意，待方案确定后， 再应用c a d 系统将其转换为计算机模型( p i d ) ，以便进一步的设计分析和效果 渲染。纸上草图的试验性、可修订和支持多种可能性的特点刚好和文艺复兴的 创新精神相一致，于是绘制草图便很快在艺术和设计活动中流行起来。草图的 不完整性、局部性和纸上快速实现特性等特性在当时被叫做“p e n s i e r i ” 2 3 1 ， 在当时的意大利语中是“思考”的意思，而现在我们依然将草图看作足辅助思 维的手段或者介质，在特定环境下，草图绘制本身就是思维的过程【”】。 草图是初步画出的设计图样，不要求很精确 2 4 1 ，是对未来可能现实的可视 化，即创意的争图，它足针对预想阶段而非后期，表现为模糊、不完整、原始。 设计活动中典型的孽图是创意草图，即有关预想或者局部预想对象的初始徒手 画出的具体形象，图2 一l 是笔者采用传统手绘方式绘制的手表设计草图。 传统手绘草图育很多缺点：当经过多次修改后，方案就会变得混乱不清， 随着设计的发展，纸上草图往往难以修改，也不能记下整个设计过程，即缺少 所谓的“设计记忆”，若需要较大的调整比如从另一个视角看造型效果，则需要 重新绘图。另外，设计方案难于存储、组织整理、搜索和重用，尤其是它缺少 有效的互动式交互性能瞵l 。即使将画好的各部分收集起来，也无法组合成一个 整体方案。 ( 2 ) 数字化草图技术研究 数字化草图设计技术是为了弥补设计师传统的荜图创意方式与c a d 系统间 1 1 四i f 太学硕。学论史 图2 - i传统手绘手表设计草图 的鸿沟而发展起来的造型技术，其实质是用“画”的方式建立三维模型，以便 符合设计师的工作习惯。 概念草图设计是一个发散思维和创新设计的过程，足设计流程中最能体现 人的设计思想的重要阶段。当前的c a d 系统一方面在建模上依赖于精确的信息， 不适合概念设计阶段粗略设计想法的表达，然而，在这一阶段设计思维常表现 为一种即时闪现的灵感，缺少精确尺寸信息和几何信息。因此，在p i d 阶段就 会出现草图与三维模型相关性不大甚至没有相关性的尴尬。当前c a d 草图系统 在交互上基于菜单方式，设计者的思路常常会被频繁的菜单选择、按钮操作和 键盘命令输入所打断，影响了设计意图地自然流露，不能很好地支持概念设计 过程。 未来的数字化草图技术应具有新的设计方法和交互技术来辅助概念设计， 将自然笔式用户界面应用到概念设计过程中。a l i a s p a i n t 、p a i n t3 d 等高端设 计系统足发展智能草图设计技术的典型代表，能提供自然的交互模式和徒手草 图输入功能，以及模糊亭图的识别与理解，并能实现和现有c a d 工具的集成。 图2 2 为笔者在a l i a s 设计系统中应用p a i n t 模块通过鼠标来绘制的草图，若 用数字化绘画板绘制，效果会更好，效率也会更高。数字化草图支持系统与三 维建模系统集成在一个平台中使得设计师呵以在草图创意仞期制作并保留精确 的产品特征曲线，以便p i d 阶段的高效建模，与传统的用p h o t o s h o p 画草图具 有显著的区别。 第二- 章t 业攻计方式j 设计鬯唯的变革 图2 - 2 利用数字化工具绘制的草图 数字化草图技术应将纸上手绘荜图和计算机支持的设计两种模式相结合， 各取所长，提供了一种计算机支持的真正适应草图设计特征的设计工具，让设 计师一开始就在一个可以直接进行自由手绘的计算机环境下进行创意工作，并 能自动平稳地转入进一步的详细设计。工业设计需要一种计算机支持的适应设 计早期创意阶段的智能工具，不仅能够通过造型表达创意，更莺要的足能够真 正适应设计师的创新思维活动，能够自由快速地表达原始概念，通过自然的交 互方式验证各种创意，并能在有新的创意时灵活地填充设计细节1 2 5 卜1 2 6 1 。 2 1 2 三维设计手段与视觉化 ( 1 ) 三维模型分类 数字三维模型可分为三类1 2 7 1 ：线框模毽( w i r e f r a m e ) 、表面模型( s u r f a c e m o d e l ) 和实体模型( s o l i dm o d e l ) 。 线框模型完全用线条来表现设计对象的形体，反映一定的空间效果，建立 相对简单。目前，高端的设计软件基本已经抛弃了这种模型技术。 表面模型是用面来表示空间结构，它就象用卡纸拼贴的空问模型，有阴影、 可着色、能消影，几乎可满足我们对产品造型分析的全部要求，而数据量远小 于实体模型，大多数工业设计