（机械设计及理论专业论文）基于特征的工业美学设计.pdf

摘要 摘要 随着个性化需求的不断发展，产品的工业美学设计得到了普遍重视。本文 对基于产品特征的工业美学设计进行了研究。将计算机辅助设计技术应用于产 品的美学特征设计中，实现由美学特征参数控制的产品的各种形态变化。在此 基础之上，对产生的各种工业产品造型进行美学评价。主要研究工作有： 产品外形形态要素的提取。浚工作的后续工作的基础。本文以工业缝纫机 为研究对象，将目前市场上的3 7 种工业缝纫机作为研究样本，提取出反应产品 形态特征的主要形态要素。 针对已经提取出的工业缝纫机的形念要素，在u g 平台上建立由美学特征 参数控制的工业缝纫机模型，浚模型的特点是产品的形态变化完全山参数控制， 不同的参数组合可以得到丰富的产品造型，而且，这些造型都是对产品形态要 素的反应。 制定产品的美学评价指标，将由改变美学特征参数而得到的一系列工业缝 纫机的造型作为样本，通过问卷的方式迸行客户调查，得到这些产品造型的荚 学评价指标值。 将各种产品造型的美学特征参数及其美学评价指标值作为训练样本，通过 神经网络构建美学评价系统。应用该美学评价系统，输入产品的美学特a e 参数， 就可以相应的得到其荧学评价指标值。 关键词：形态要素，美学特征参数，工业美学，美学评价，神经网络 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fi n d i v i d u a t i o n ，t h ei m p o r t a n c eo fa e s t h e t i cd e s i g nh a s b e c o m ew i d e l ya n ds o c i a l l yr e c o g n i z e d i nt h i ss t u d yw ed e v e l o p e da3 dm o d e lb a s e d o nt h ea e s t h e t i cf a c t o r so fi n d u s t r i a l p r o d u c t s t h em o d e lh e l p su s e r st or e a c h d i f f e r e n ts h a p e sb yc h a n g i n gi t sa e s t h e t i cp a r a m e t e r s o nt h eb a s eo ft h ea b o v ew o r k ， w ec o n s t r u c t e da na e s t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e mb yu s i n gt h el e a r n i n gc a p a b i l i t i e so fa n e u r a in e t w o r k 。t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： t h ea b s t r a c to fp r o d u c t sa e s t h e t i cf a c t o r s ，t h i sw o r ki st h ef o u n d a t i o no ft h e f o l l o w i n gw o r k s i nt h i ss t u d yw et o o kt h ei n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n ea se x a m p l e ， c o l l e c t e d3 7k i n d so fs e w i n gm a c h i n e si nt h em a r k e t ，a n da b s t r a c t e dt h em a i n a e s t h e t i cf a c t o r sw h i c hc a ne x p r e s st h es h a p eo f t h ep r o d u c t w ec o n t r i b u t e da l li n d u s t r i a l s e w i n gm a c h i n em o d e lo nt h eu gw o r ks p a c e b a s e do nt h ea e s t h e t i cf a c t o r sh a db e e na b s t r a c t e d t h e s h a p eo ft h em o d e l i s c o n t r o l l e db yi t sa e s t h e t i cp a r a m e t e r s ，d if f e r e n tp a r a m e t e r s c o m b i n a t i o nh a sd i f l k r e n t s h a p eo f p r o d u c t ，f u r t h e rm o r et h es h a p ei st h ee x p r e s s i o no f t h ea e s t h e t i cf a c t o r s w ed e f i n e dt h ea s s e s s m e n tf a c t o r s 、t o o kt h ej n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n em o d e l s w h i c hh a db e e nc o n t r o l l e db yt h ea e s t h e t i cp a r a m e t e r sa se x a m p l e s ，t h r o u g ht h ew a y o f c l i e n t si n t e r v i e w , w eg o tt h ea e s t h e t i ce v a l u a t i o no f t h e s em o d e l s f o o kt h ea e s t h e t i cp a r a m e t e r sa n dt h ea c c o r d i n ge v a l u a t i o nv a l u e sa st h et r a i n i n g s a m p l e s ，w ec o n s t r u c t e da na e s t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e mu s i n gan e u r a l n e t w o r k t k r o u g ht h i se v a l u a t i o ns y s t e mw ei n p u tn e wa e s t h e t i cp a r a m e t e r so ft h es e w i n g m a c h i n em o d e la n dg e ti t se v a l u a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：a e s t h e t i cf a c t o g a e s t h e t i cp a r a m e t e r , i n d u s t r i a l a e s t h e t i c ，a e s t h e t i c e v a l u a t i o n ，n e u r a ln e t w o r k 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济人学关r 收集、保存、使川学位论文的规定，同意如f 各项l j 【= i 容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本雨i 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本利 电子版，) f 采用影印、缩印、扫描、数字化域其它手段保存论文；学校7 f 权提供目录 检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有芙规定向国家有芙 部门或者机构送交论文的复印什和电子版；在不以赢利为目的的前提f 学校可咀适 当复制论文的部分或全部内容丁学术活动。 学位论文作者签名：麟 伽年6 月如日 经指导教师同意，本学位论文届于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月同年月日 同济大学学位论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：馘 w 年6 月弓。日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 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，转而丌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，人们丌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【2j 。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。 消费观念的变化使得工业美学设计成为产品设计的重要组成部分。产品的 工业美学设计要求产品造型新颖、比例合理、线型优美、细部处理考究，具有 一定的审美价值。产品形态是产品美学设计创造的物质基础，是体现产品关学 价值最重要的因素之一。形念中的点、线、面、体等形念要素包含有丰富的心 理感知意义。这些形态要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【2j 。殴计师可以通 过不同的方式选择和组织这些形态要素来塑造产品造型。从工业设计的形念设 计方法学角度来讲，设计师可以在产品形态的前j 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、对比凋和等美学法则，来设计 产品造型d l 。 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。以当酊 流行的c a d 软件u gp 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毒申需求层面( 特别是在审美层次上) 的形念设计，即造型设计。例如，c a d 软件不支持产品形念的布局设计，伽局 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 设计能使形念的尺寸关系协调、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 第1 章绪论 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。 随着形念设计需求的变化，计算机辅助设计对融入美学因素的形念设计的 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 2相关领域的研究现状 1 2 1 关于形态要素 产品的设计过程中，产品形态是产品美学设计创造的物质基础，是体现产 品美学价值最重要的因素之一。形念中的点、线、面、体等形念要素包含有丰 富的心理感知意义。这些形态要素是沟通消费者和满足消费者审美需求的基础。 设计师可以通过不同的方式选择和组织这些形态要素来塑造产品造型。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。形态要素足工业设计中造型的概念，它概括分为理念的 形态和现实的形态两类1 4j 。 理念的形态是从现实中抽象出来的形态要素，是为了研究形态而规定的一利， 理想状态，它的基本形式是点、线、面、体。 点：它只代表位置而无大小，表现为显得段部或交叉处。 线：试点运动的轨迹，表现为面的段部或交叉处。 面：是曲线运动而形成的轨迹，表现为立体的端部或交界。 体：是而运动的轨迹，表现为物体所占据的空问。 在造型艺术的研究中，点、线、面、体是个相对概念，它们都由大小、宽 窄、厚薄等空间因素的限定。 现实的形态是我们周围所见的所有物体的形状，所以很容易理解。将现实 形态中的功能、用途及种种属性去除后，剩下的就是纯粹的形态。 点、线、面、体是形态的基本形式，掌握它们的构成方法，对于构型的研 究具有重要的意义。完整的形态要素包括：形状、色彩和肌理。在此本文所谈 及的点、线、面、体是构成形状的基本要素。本文形态要素的提取所研究的形 态要素也特指的是形状这一形态要素。对于色彩本文将在渲染的过程中赋予模 第1 章绪论 型，而肌理这一形态要素，由于在图片中难于表达，本文暂不予考虑。 1 2 2 工业设计美学 美，是促进艺术、科学、设计创造的重要心理因素，是唤起和激发人的最 高享受的心理状念。“美的规律”实际上是人类设计、创造本质的最深刻反映， 也是对自然界的本质的深刻反映。和谐、对称、节奏、平衡、韵律、稳定、比 例，无不在自然界中生动体现，也在创造发明、工业设计史中无处不有。 美籍德国物理学家魏耳说：“我的工作总是力求把真实和优美统一起来， 但当我必须在二者之间做出抉择时，我通常选择优美。” 现代人生活方式的一大特点就是对生活质量的重视，生活质量包括很多方 面，但核心的东西可以说是美。随着c a d 软件技术的发展，3 d m a x ，r h i n o ，p r o e ， a l i a s 等三维软件，相继提供了较强的曲面处理功能和色彩渲染功能，c r e a t o r v e g a 等虚拟现实软件提供了更好的人机交互平台，使得我们进行工业设计美学 的研究成为可能，上述软件和平面设计软件p h o t o s h o p 的相互结合，使产品的工 业美学设计和产品的外观设计以及结构设计有机的结合起束，从而可以加快产 品的丌发速度提高工作效率。 1 2 3 计算机辅助工业美学设计 ：【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 l 。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 r a i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ( c a i d l ，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，它涉及到产品的形念设计、色彩设计、人机设计f 包括 环境设计) 、装饰设计以及设计评价等。其中，形念没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 第1 章绪论 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。c a i d 技术以工业设计知识 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，实现形念、 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。由于工业设计是一门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汁技术也涉及到了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。从广义上来说，c a l 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j 日j 己经逐渐被人们所 认以，它在汽车、机床、家电等领域也得到了广泛的应用。国外已经丌展了刑 计算机辅助工业设计的研究，并且己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，随着生产部门刑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： 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j l 程设计利制造过程相 集成。 第二种类型是通用的c a d 系统，如u gp 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软件系统，如3 ds t u d i om a x ，a l i a s s 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，用户可以用石膏 或薪上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 表达漫计创意。这些软件系统极大地提高了设计师的设计质量和工作效率，但 第1 章绪论 是，它们仅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。就形态设计而占，这些系统不能 辅助设计成优先比例的形态要素，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，以至于它们在造型设计 中的应用受到很大的限制。所以谠，它们还不能算是计算机辅助工业设计软件。 总之，无论是形念的社会需求还是工业设计的形态设计，它们都要求在形 念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 态。因此，结合工业设计的形态设计方法学，研究计算机辅助没计技术成为计 算机辅助形态设计技术发展的需要。 1 2 4 基于特征的计算机辅助工业美学设计 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h 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。集成了曲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，并且己得到了十分广泛地应_ 肆= | 。有大量成熟的形态没计软什， 如u gp 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ij ：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，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一州：， 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q ，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丌始徘徊不d u 。经历了一段 时期之后，计算机辅助设计应用和技术研究爿丌始转向具体的行业和过程应用， 于是c a d 软件丌始集成磨具、刀具、管道、扳金、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 包含一个工业设计模块 - - 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 第1 章绪论 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佰局以及用于组件的三维布局编辑器。 但就形态设计丽言，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、线型等重要的形态设计内容。因此，严格的蜕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 关工业设计的形念设计研究近几年来也丌始活跃起来。大量的文章侧重于工业 设计中产品形念的设计原则、形态评价方法、胍格描述等理论论述，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在文【5 中，论述了计算机辅助工业设计( c a i d ) 的有关知识，重点介绍在n c 机床造型设计中应用c a i d 的初步试验。此外，浙 江大学潘云鹤院士在文 6 中，以工业设计的核心产品设计为重点，从4 个 方面综述了国内外计算机辅助工业设计技术的发展状况，同时，结合现代设计 的发展方向，指出计算机辅助工业设计技术领域有待解决的关键技术问题及其 发展趋势。产品外形自由曲面设计的研究是计算机辅助工业设计的重要内容。 采用曲面特征设计是自由曲面设计的一个重要发展。 在国外，特别是以美、英、r 、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 i j f 究，这些国家和地区x g i - t + 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，19 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 ) 7 上发表了有关c a i d 的论述。那个时候美国福特等大公司都已经j i ：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，国际上新丌发的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。 1 2 5 人工神经网络的研究现状 人工神经网络( a r t i f i e i a ln e u r a ln e t w o r k ，记为“a n n ”或“n n ”) 是由 大量的，同时也是很简单的处理单元广泛相连接而形成的网络系统。它最早丌 始于1 9 4 3 年美国心理学家w a r r e n s m c c u l o c h 与数学家w a l t e r h p il t s 提 出的神经元的数学模型。它反映了人脑功能的许多基本特征，是一个并行处理 6 第1 章绪论 的非线性系统，但它并不是人脑神经系统的真实写照，而是对人脑的行为做某 些简化、抽象和模拟它可以模拟人脑的某些智能行为如知觉、灵感和形象思 维等。a n n 技术是一种不需要选取基函数系的非线性函数逼近方法，具有自学习、 自组织和自适应性，固有的并行结构和并行处理，知识的分确i 存储、容错性和 联想记忆等功能和特点，在复杂系统的建模问题上表现了它的优越性。自8 0 年 代中期以来，a n n 迅速发展成为一门新兴学科，在国际上形成了一股a n n f l , o 研究 热潮，其研究成果己在图像处理、语音识别、自动控制、系统辨识等许多方面 得到了应用。近几年a n n 在众多领域得到广泛重视，很多学者进行了不少有益的 工作，在生物、商业、地质、环境、金融、制造业、医学、军事、通信等方面 已经获得了广泛应用，同时a n n 也引起了国内外机械工程领域广大科研人员的浓 厚兴趣，并进行了大量研究工作，每年有大量研究成果面世，其研究领域也十 分广泛，几乎涉及到机械工程领域的各个方面。 a n n 的基本工作原理是首先由输入层接收信息，并通过各层神经元问的联 接、联接权值及神经元的激活函数来接收、处理和传递信息，最后由输出层输 出结果，从数学角度看，a n 是由一组输入单元到一纽输出单元的映射，己经证 明一个三层前馈a n n 就可以任意精度逼近任意非线性函数，对复杂问题具柏自我 适应和自我学习的能力。 基于神经网络的评价方法是种基于实例样本的评价方河、，它只需用户捉 供足够的样本，根据已知样本对神经网络进行训练和学习，然后用训练的神经 网络对新方案进行评价。这样，评价因素样本点构成的非线性连续空间就被i jj 练所得的网络权值和闽值矩阵表达出来，这个非线性连续空问直接反映了各睢 因素所具有的不同权重因子的特性。 人工 1 f 经网络方法具有下列几个优点： ( j ) 运算速度快。训练好的神经网络在进行综合评价时仅需作少量加、 乘运算： ( 2 ) 容错能力强。由于神经网络以分布式方式将专家评价的知识和经验 存储在各个神经元中，因此当评价指标数据不全或个别神经元损坏 时也可进行评价并得到评价结果； ( 3 )自学习能力强。该方法可以对新的样本模式不断地进行学习，从而 使网络拥有的知谚 不断更新和完善。 a n n 的上述特点币适合于美学评价问题。若将a n n 用于综合评价中，n a n n 可 7 第1 章绪论 再现大众消费者对产品外观的审美评价，从而降低评价过程中个人主观因素的 影响，较好地保证了评价结果的客观性。 人工神经网络的应用”1 取得了令人瞩目的发展，特别是在人工智能、自动控 制、计算机科学、信息处理、机器人、模式识别、c a d c a m 等方面都有重大的应 用实例。下面列举出一些主要的应用领域。 ( 1 ) 模式识别和图像处理 印刷体和手写体字符识别、语音识别、签字识别、指纹识别、人体 病理分析、目标检测与识别、图像压缩和图像复制等。 ( 2 ) 控制和优化 化工过程控制、机器人运动控制、家电控制、半导体生产中参杂控 制、石油精炼优化控制和超大规模集成电路和线设计等。 ( 3 ) 预报和职能信息管理 股票市场预测、地震预报、有价证券管理、借贷风险分析、l c 卡管 理和交通管理。 ( 4 ) 通信 自适应均衡、回波抵消、路山选择平h a t m 网络巾的呼叫接纳识别和挖 制等。 ( 5 ) 空问科学 空叫交汇对接控制、导航信息智能管理、飞行器制导和 毛行程序优 化管理等。 a n n 虽然应用广泛，但将a n n 用于产品的荚学评价研究并不多见。其中，文 献 9 探讨将a n n 技术应用丁汽车车身造型美学评价的方法，阐述a n n 荚学评价 子系统的价值、结构及功能，初步创建了该子系统，并集成丁智能化计算机辅助 车身造型系统之中。文献 1 0 提出基于a n n 对客车车身造型进行美学评价的计算 机辅助方法，阐述了用于“准三维”造型评价的b p 网络结构以及造型特征提取 技术。初步创建了智能化客车型美学评价软件，并将其应用到实际客车造型评价 中，使用效果良好。文献 1 1 应用a n n i l i 练1 0 0 例样桥的美学评价数据，并将训练 结果导入到数据库中，建立可实际应用的美学评价系统。 第1 章绪论 1 3课题的提出及意义 “基于特征的工业美学设计”这一课题是以工业缝纫机为研究对象，其整 体思想如下：首先，通过市场调研，提取工业缝纫机的相态要素。然后，基于 形态要素参数建模，得到美学特征参数控制的模型。通过改变美学特征参数得 到不同的缝纫机造型。将一系列的缝纫机造型作为样本，进行问卷调查市场调 研，取得缝纫机的美学评价结果。将美学评价参数值和对应的美学评价结果值 作为输入，利用神经网络建立美学评价系统。 任何一个好的工业产品的造型设计，都不是毫无根据地只是为了遗求奇特 的形状苦思冥想出来的。同一产品的形状千变万化，但他们都是根掘实际需要 而决定的。从市场调研丌始，收集各种各样的资料，了解产品的尺寸、比例、 各种形态、色彩等形念要素的特征，为将来外形设计中分析问题，明确设计方 向奠定了基础。 在调研基础之上的模型没计，更具有实际意义。基于形态要素的参数化造 型，可以将产品的主要形态特征，如曲面特征、局部结构特征等，用于数掘库 关联的特征参数来表示。修改某些参数，产品的外形会自动发生变化，从而产 生多个变异的设计方案。在基础造型的基础之上，通过改变色彩，添加装饰要 素等方法，使产品更符合工业美学设计的真实效果。 形态要素的放大、缩小及刁i 同的组合，可以得到产品的多利，形态，从而， 在视觉上给人以不同的感受，或新奇独特、或简洁明怏、或圆润可爱等等。这 就需要对模型的美学价值指标进行评价。产品的美学评价是主观性很强的工作， 同样的产品，不同的人会列其有不同的感受，不能一概而沦。为了保证评价的 客观性，对产品的美学评价指标进行问卷调查是十分必要的。 综上所述，本研究的实际意义l i2 l 主要包括创新性、适用性、美则性、经济 性等四个方面： ( 1 ) 创新性i j 驯 创新是工业产品设计的灵魂。工业设计的内涵就是追求创新，因为它是建 立在先进科学技术与文化艺术基础上的，以人类更加美好的生存方式为宗旨的 创造性活动。创新引导消费，也创造市场。创新设计的足产品取得市场竞争优 势，为产品带来新的生命力的重要条件。 本研究所采用的基于形态要素的建模方法，通过各相态要素不同取值的各 种组合，得到了丰富的5 2 , 3 k i 2 品形念，而往往有些形态是我们想象4 i 出来的。 9 第l 章绪论 可以看出，本研究为设计者提供了创意支持。 ( 2 ) 适用性 使用是指产品适宜于人们使用，包括产品物质功能和精神功能的满足。产 品是否适用在很大程度上取决于使用方式是否合理。产品的合理使用方式要求 设计合乎客观规律，功能和形式要合乎人的生理、心理特征。只有正确协调人 与产品的关系，解决产品功能与形式相对人的各种关系的最优化，才能使人更 准确、迅速、舒适、有效的使用产品。 本研究从市场调研出发，以现有工业产品为基础，建立丰富的形态各异的 产品模型，又咀大众审美为依据，对所构造模型进行评价，从这一意义一卜讲， 本研究有很强的实际适用性。 ( 3 ) 美观性 美观是指产品形式要满足人们的精神享受和审美需求，使人们不仅得到物 质需求的满足和使用的满足，也在心理上得到愉悦。现代二业产品每件都是传 达一定信息的载体，这些信息构成了视觉环境，也折射出了属于文化要素的产 品精神功能。美的产品由于其形态、色彩、肌理、气质等外观因素体现了设计 风格，传递着积极信息，因而使人赏心悦目，心情舒畅，这必然迎合广人消费 者的需求，赢得市场竞争优势。 本研究以得到关的产品为最终目的，一是针对目前美学设计的重要性，而 同时美学设计因为央杂着太多的主观因素，其设训、评价都有一定难度这一背 景产生的。 ( 4 ) 经济性 经济是指以最低的成本费用和最短的周期设计生，出满足物质功能和精 神功能需求的工业产品，获得最大的经济利益。 本研究以三维软件u g 为建模平台，使设计过程视觉化。建模中应用参数 化造型技术，靠特征参数驱动产品的尺寸、比例和形状，实现了快速设计，节 省的设计时划和成本。 1 4本文的主要工作及研究内容 本文研究内容主要包含以下几个方面： ( 1 ) 产品外形形态要素的提取 0 第1 章绪论 本文将表达产品美学形态特征的各种要素称之为形念要素。形态要素的提 取时本研究中后续工作的前提。本研究以工业缝纫机为研究对象，将目前市场 上的3 7 种工业缝纫机作为研究样本，提取出反应产品外形特征的主要形念要素。 本文对工业缝纫机形态要素的提取重点关注其形状，表面特征和各部分的比例 关系，而对材质、装饰等要素等没有做深入的研究。 ( 2 ) 基于美学特性参数的三维模型的建立 本部分主要研究对已经提取出的形态要素的三维模型表达问题。本文基于 u g 平台，应用其草图功能及自由曲面功能，通过构造规律曲线，经拉伸、扫略， 剪切等一系列基本操作实现了基于形态要素的工业缝纫机参数化建模工作。本 文所建立的缝纫机模型是通过美学特征参数来控制产品外形的，改变关学特征 参数所得到的一系列造型基本满足各形态要素的形念变化。 ( 3 ) 美学评价指标数据的获得及处理 根据对普通大众的美学要求，以吸引购买力为主要因素，建立了五个评价 指标。通过发放问卷的方式，对客户进行调查，以得到各种不同工业缝纫机造 型在不同美学评价指标下的取值。本研究所采用的五种评价用语只适用于对不 同形状的产品进行评价，并不适用于色彩。对于色彩的评价本文将单独介绍。 通过问卷凋查得到大量的数据，本章最后讲述了数据处理的方法，并且对评价 结果进行简，色分析。 ( 4 ) 建立美学评价的神经例络体系 将问卷调查得到的数据通过加权平均法进行处理，得到各种工业缝纫机造 型的美学评价指标值。在此基础上，建立神经网络评价体系，将美学特i i f * l j 关 学评价指标用神经网络联系起来，通过样本训练，得到荚学评价系统。 第2 章产镐外形形态要素的提取 第2 章产品外形形态要素的提取 2 1 引言 为了进行产品的工业美学设计，需要将产品的工业美学分解为若干个反应产 品工业美学的形态要素。在形态要素之间一般存在着某些相互组合的关系，并 由此产生外观图形之间的相互联系和协调作用，从而产生协调的美和对比的美 的美学效果。称从图形到形态要素的推理过程为反推理过程；称通过确定的具 体的形状与颜色而得到实际图形的过程为正向推理过程。根掘图形推论图形要 素的过程，实际上就是采用抽象的概念性的图形语占，推论出具体的物理形念 的过程。这一过程是人的想象过程，因此，要实现计算机辅助工业美学设计， 必须解决由图形到图形要素的反推理问题i l j 。 以工业缝纫机为例，对工业美学设计的形态要素进行说明。不同的产品具有 不同的形态要素。工业缝纫机的： 业美学设计可以被简化地描述为这样一个过 程，即将缝纫机的形状分解为形态要素，把这些形态要素进行放火、缩小、变 形和组合，以达到不同的美学效果，为设计者提供创意支持。 2 2 形态要素 产品工业美学设计的目的：一是使该j “品更加疗便人们的使用；二足更加 适应使用者的美学感觉，满足人们的心理需求。工业产品的造型是通过变化多 个形态要素相互之问的关系而形成的。冈此，进行产品的外形设计师，需要了 解产品的形态要素组成，通过形态要素的不同形式组合，将产品的美学信息传 达给使用者。 本文将反映产品外形特征的形态要素分为以下三类刊： ( 1 ) 形状 产品最重要的形态要素就是形状。形状是指一件产品在三度空问的造型， 主要表现在产品外观的凹凸，形状的起伏变化、曲率等方面。优良的形状设计， 能使产品被有效的使用，并给人以强烈的视觉印象，从而增强产品对客户的吸 引力。图2 1 中显示的足形状完全不同的两种工业缝纫机案例。 2 第2 章产品外形形态要素的提取 幽2 1不同造璀的i ：业缝纫机 影响产品形状的关键的一种要素是产品的表面。运用不同材料的表面，妥 善加以组合配置或对材料表面进行再处理，可给予使用者不同的视觉感受。工 业没计师可利用材料表面的变化色彩，达到理想的设计效果。无缺点的表面可 以改善一件产品的使用性，使产品更加容易保养，荚学信息传达的效果也更好。 图2 2 列举出两种表面形状截然不同的缝纫机造型。 图2 - 2 不同表面造1 1 的缝纫机 ( 2 ) 色彩 色彩是构成形态的必要元素，山色彩的形态远比无色彩的形态更容易吸引 人的注意力1 l i 。例如：一团红色闯入我们的h 良帘穿着红裙子的少女。首先被 注意的是色彩，然后j 是少女。在只常生活中，人们生活在血彩缤纷的世界中， 才感到无比的欢乐。 色彩学是介于科学与艺术的综台，其科学上的根据包含物理、化学、生理 学及心理学；而艺术的范畴，则在于色彩的应用表现上。色彩是一种富于象征 性的形式媒介。色彩用于造型，犹如衣服用于人类，对造型的风格有着决定性 的影响。在我们的设计中，恰当运用色彩的表现，能使我们设计的形态具有轻 第2 章产品外形形态要素的提取 重、进退、胀缩等多种感觉。工业产品在色彩运用上有两个基本特征：一是使 用强烈的颜色，因为中性颜色很容易融入环境中。人们在生活中使用着各种各 样的产品，这些产品又有着不同的颜色，因此，他们的色彩宜中庸而不宜强烈。 这样，可以避免各种颜色的冲撞，创造一个协调的生活环境。 ( 3 ) 质感与肌理 产品的美感与材料的质感，是分不丌的。产品造型的质感美主要体现在蕴 藏于各种材料性能之中的物理特性，它直接关联到使用上的适用性。如皮革、 织物的柔软舒适，塑料的光洁质轻，金属的光亮质重，玻j 离的光滑透明，等等。 肌理是增强材料质感美的一种重要因素。所谓肌理，通常是指材料表面的 一种纹理。人们通过视觉或触觉对肌理的感受，能起到对某种材料质感美的联 想。在产品设计中，往往利用材料、模具等特点，借助肌理来摹拟多种真实材 料的质感。譬如，全部用塑料制成的照相机身，往往在手触摸的部位处理成粗 糙的或皮革纹的肌理。这样的处理，可以使手拿着不易滑脱，同时山于对材料 质感的联想，给人以温暖舒适的感觉。 虽然，在产品的设计中，发挥材料的质感、肌理之美是影q 日产 l 荚学的重 要因素。但由于本研究只是在虚拟环境下建模，并未制作真是模型，缝纫机的 质感、肌理要素在图片中很难准确地反映出来，本研究中暂且对这一要素不予 考虑。 2 3 典型缝纫机样本 通过市场调研可以发现，不同品牌，甚至同一品牌不同系列的工业缝纫机外 观形态差异很大，为了比较全面的对工业缝纫机外观形态要素进行归纳提取， 本文以r 本真善美公司的j a n o m e 系列，西安兄弟标准工业有限公司的b r o t h e r 系列，j u k i ，j a n o m e 、胜家、海菱等3 7 种工业缝纫机作为研究样本，对其美 学形态要素进行了研究，图2 3 为搜集到的部分典型样本图片。 4 第2 章产晶外形形态要素的提取 蚓2 - 3 典删i ：业缝纫机幽片样本 2 4 形状形态要素项目的抽取 2 4 1 形态要素选定的基准 针对形状这一形态要素，本文从工业缝纫机的具体造型过程来考虑。简单 的来讲缝纫机的造型过程中应首先考虑整体骨架形状的构成然后再考虑各部 分形状的确定以及细节的确定。造型的过程可能是反复的，但整体的实际过程， 一般是从抽象到具体的1 1 1 。 因此，本研究巾形状这一形态要素的抽取要从“整体造型”和“部位造型” 两个方面柬考虑。“整体造型”主要考虑缝纫机的表面形状、整体的尺寸、比例 以及内轮廓形状等要素：“部位造型”主要考虑构成缝纫机各部分的形态特征。 一般来讲，工业缝纫机由机头、主轴、机尾、底座四部分构成。图2 - 4 为缝纫机 结构简图。 机义 土轴 底座 第2 章产品外形形态要素的捉取 2 4 2 整体造型 ( 1 ) 身表面形状 机身的表面形状是缝纫机特征要素中首要的一个，浚特征表现出缝纫机给 人的整体印象。机身的表面造型由其表面曲率的大小及变化决定。图2 5 所示的 两种缝纫机，就给人以迥然不同的印象。 斟2 - 5 缝纫机的幽例 本文根据缝纫机外形给人的印织，对其机身表面形状划分为五类。如表2 一l 所示。下表用比较形象的语言对这i 类表面给人带来的感受进行描述，而表面 形状的差异归根结底是山表面曲率、曲率的变化带来的。参见下表可以看出， 随着曲率变化程度由大到小，表面形态给人的直观感觉明显的产生变化。表中 的曲线图是对截而形状的抽象扪述。 表2 1 机身表面形状分类描述 形态给人的印象曲率变化断面形状 1 ，短跑运动员样的肌肉质感 急剧 八、 iyy 7 2 熊猫外形一样圆涧、饱满 较大 卜，、f v 7 3 跑车表面一样流畅小 卜厂 i 7 4 蛋壳表面一样光滑略微 f 八。 旷r 6 第2 章产品外形形态要素的提取 5 - 平板一样的直线 无 fi ( 2 ) 缝纫机总体尺寸及各部分之j 日j 比例关系 工业缝纫机总体尺寸指的是缝纫机的长、宽、高。尺、j 因素反映的是缝纫 机的尺寸上给人的感受，是高是矮、是大是小。缝纫机各部分比例关系反映缝 纫机各部分之间的协调性。比例关系的不同，给人的感受也会有差异。 缝纫机各部分关键尺寸标注如图2 - 6 所示。图2 - 6 ( a ) 为缝纫机的f 视图及各 部分尺寸标注。由图可见，( a ) 图只包括缝纫机的主体部分，而并不包含缝纫机 的底座。这是因为，缝纫机的底座在形态上变化有限，在美学研究中并非重点， 本文对其形态久暂不予研究。图2 - 6 ( b ) 为缝纫机的右试图，即机尾的轮廓形状。 主要表现缝纫机在宽度方向上的尺寸。根据对实验样本的研究，归纳总结得到 工业缝纫机各部分关键比例关系如下： 缝纫机总长与总高的比例； 缝纫机机头长度与缝纫机总体长度的比例； 缝纫机机尾长度与缝纫机总体长度的比例； 缝纫机主轴高度与缝纫机总高的比例； 缝纫机顶部宽度与底部宽度的比例。 材l 乳高度i 总k 度 i 牡l 义k 度 ( a )