關于產品外型概念設計方法的研究

原霞飛 劉希玉 劉鳳鳴

山東師范大學管理與經濟學院 山東 250014

0 引言

計算機技術和計算機圖形學的不斷發展，為人們提供了強有力的工具。然而，往往同一實體造型的方法很多，要快速高質量地完成一個實體的造型設計，需要充分了解各種造型方法的特點及應用技巧，簡化造型過程，提高造型效率。

1 概念設計

概念設計是產品設計中最關鍵、最復雜、最有決定性和創造性的階段，一方面概念設計階段很大程度上決定著產品的性能、創造性等，此外，據有關資料顯示，雖然概念設計階段實際投入的費用只占產品開發總成本的 5%，卻決定了產品總成本的70%，而且詳細設計階段很難糾正概念設計階段的設計缺陷，它嚴重影響到產品設計與開發。

2 常用的構件生成方法

在產品創新設計方面的研究主要分為兩大方面。一類是關于支持造型創新設計的進化計算方法的研究，另一類是關于支持產品創新設計 CAD造型關鍵技術的研究。關于產品的造型創新設計研究主要有兩方面的內容，一是組件的生成，二是組件的組裝。下面主要討論幾種常用的造型概念設計的方法。

2.1 基于樹結構的組件生成方法

基于樹結構的構件生成方法主要是通過數學函數形成二維草圖，選擇草圖再經過計算機的處理后得到對應的三維圖像。數學函數以二叉樹的形式來表示，樹的節點是終端節點或者中間節點，分別對應操作數和操作符。對函數在節點處實施交叉、變異等操作，通過適應度函數的計算選擇新個體，進而達到進化的效果。該方法比較容易描述并修改具有分層結構的設計對象，不足之處是生成的實體有很大的局限性，適用于比較簡單的外觀造型。產品外型設計時，該方法無法通過使用參數的變化直觀的得到圖形。常用的數學函數有三角函數、雙曲函數，指數函數、對數函數等。

具體步驟如下：

（1）初始化種群，通過數學函數得到二維曲線，即種子。

（2）通過設計人員交互確定個體的適應度，然后選擇對應的二維函數曲線查看其圖像，修改適應度值，進而產生新的種群。

（3）對新的種群執行交叉和變異等操作。

（4）轉到(2)，或設計人員終止。

設計實例如圖1所示。

圖1 燈罩和支架的二維草圖、三維實體以及組合后的圖形

2.2 基于關鍵點的遺傳算法

主要思想是將產品分割為獨立部件，運用遺傳算法對單個部件或局部形態進行進化計算。利用改變控制點的方式控制曲線的形狀。可采用染色體編碼方式，染色體的每個基因是一個控制點，各控制點由相應的坐標確定。然后可進行交叉、變異等操作，最后人工選擇需要的個體。

（1）選擇進化計算的組件。

（2）設定遺傳算法的參數，生成初始種群。

（3）通過與設計人員的交互確定初始種群中個體適應度值。

（4）根據當前種群的適應度值形成新的種群，并進行交叉、變異。

重復(3)、(4)直到運算到達終止條件或人為停止。設計實例如圖2。

圖2 藝術品、茶幾

2.3 基于同倫映射的組件設計

按照某些規則持續地變化成另外的一個形狀的規則稱為同倫映射。同倫映射主要是通過構造一個映射，利用映射中參數的變化將已知優化解的問題與待求解的聯系起來。同倫映射中需要確定對象的兩端也即生長的起始點的形狀，也要確定映射規則，通常使用函數間的線性映射。即各種圖形是由兩個原始形狀經過函數的線性變換生成。另外一種常用的方法是二次映射，即在二次映射時，加入一個中間層形狀。同倫映射能夠加快設計速度，拓展設計思路，增強構件概念設計的創新性。常用的同倫映射函數有：1，1+5z，1+5z2，1+sin(2πz)等。圖3是通過確定兩端形狀，經過同倫映射后的圖形。

圖3 同倫映射實例

2.4 基于交互式遺傳算法的有理B樣條設計

主要思想是實體的生成是通過使用有理B樣條曲線或曲面函數來生成的，把有理B樣條的關鍵點、權因子和節點向量編碼起來，對編碼個體實施交叉、變異等操作，產生新的后代，從而生成新的曲線或曲面，最后對曲線或曲面進行掃略、旋轉、拉伸等操作生成具有創新性的實體。但是該方法主要是面向特定的領域，主要使用于由曲線或曲面構成的簡單實體外觀造型。

圖4 花瓶

3 結語

隨著經濟技術的飛速發展，以及CAD與CAM結合的日益緊密，產品的開發周期將不斷減小，產品的外觀將更加多樣化，功能將更加智能化，因此產品的創新性和以宜人性變得越來越重要。計算機支持的創新設計是一門多學科交叉課題，綜合人工智能技術的研究，充分發揮計算機的計算及三維模擬的能力，生成的圖形及圖像會更創意，其應用前景非常廣闊。

[1]高明,盛立,劉希玉.基于遺傳算法的創新建筑構件概念設計[J].計算機應用.2006.

[2]劉弘,劉希玉,馬麗娜.支持進化的計算機輔助設計環境[J].計算機輔助設計與圖形學學報.2003.