虛擬油泥造型系統的用戶界面設計初探

楊慧，伍鐵軍

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

0 引言

一般來講，新產品的研發都要經過市場調研、設計、樣模加工、評估、開模、生產和包裝等多個環節，在研發過程中，開模直接影響后期的生產和銷售，模具的制作費用有時高達幾百萬元，所以在設計階段需要對設計方案進行反復地評審，而產品模型可以有效地解決這個問題，因此，建立產品模型成了現代工業產品設計開發過程中的關鍵環節。

目前，建模的途徑主要有三種:手工制作、快速成型技術制造、數字建模。手工制作本身是一種創造性設計實踐，制作出的實體模型可視、可觸摸，給予人們較多的設計信息，但出于成本和時間的考慮，設計師需要根據產品的形態，在不同的設計階段選擇合適的材料來制作模型，因此，設計師必須對于各種材料、加工工藝都有著很好的認識。雖然設計師可以借助模型師完成這項工作，但這無形中增加了溝通成本，很難保證產品模型的品質。在設計定稿后，需要借助逆向工程的方式轉向生產，產生了信息斷點。快速成型技術可以快速、準確地實現產品模型的制作，但與傳統的手工制作相比，成本、精度較高，它雖然簡化了制作環節，但同時也淡化了手工制作帶給設計師的創意能力的培養，不便于設計師即時調整設計方案，一般在設計方案基本確定之后才會使用。現有的計算機輔助設計軟件多為數字建模，建模思路采用基于樣條曲線建立曲面的幾何建模方式，對用戶有較高的數學知識要求，用戶需要通過鼠標、鍵盤等媒介來控制計算機，同時輸出的圖形也是平面化的。

現有的產品建模方法都有著各自的缺陷，近年來，隨著虛擬現實技術的出現，虛擬油泥造型開始成為建模的新選擇，它能夠為設計師提供一個虛擬模型制作環境、制作工具，同時以立體形態實時地呈現設計師面前，保證了設計師的創造性，同時也能很好向生產進行過渡。但目前這種建模方法還處于研發當中，為了很好地滿足設計師對于創造環境的需求，需要對設計師和實體油泥造型技術進行深入的研究。

1 研究方法概述

整個用戶研究過程中采用定量和定性相結合的方法，具體見表1。背景資料調查過程中，主要是收集整理現有的相關文獻，了解油泥模型在現代工業產品設計中的使用現狀，油泥模型的制作者及相關背景，擬定初步的定性研究方案。然后，根據前期的研究結果，在模型制作地點與制作者進行深入交流，了解他們的知識背景、技能、愛好等，對用戶進行分類，建立用戶角色模型。采用外部觀察的方法記錄各用戶角色的模型制作過程，抽取出油泥模型制作的典型用戶情境，進一步分析在各個制作環節中人、物與環境三者之間的關系。在定性研究的過程中也采用了UCD方法，如抽取出油泥模型的基本流程，邀請油泥模型制作者采用卡片分類的方式對流程進行階段劃分，確保研究結果的合理性。

表1 調研方法、步驟及輸出

2 實體油泥造型技術研究的展開及結果

2.1 使用現狀

工業油泥（圖1）是油質的，但在室溫下硬化，加熱后會變軟，才便于塑形。目前，油泥有國產和進口兩種，國產油泥冷卻后可塑性差，進口油泥屬日產的J525油泥最佳，但價格較為昂貴。油泥往往具有特殊的氣味，對于外行人來說難于習慣。

圖1 工業油泥

在工業設計專業的基礎教學中，產品模型制作是一門重點實踐課程，但出于教學成本的考慮，國內的絕大多數設計院校往往會選擇石膏、發泡塑料等較為廉價且易加工的材料來制作模型，只有部分有實力的設計院校才會使用油泥這樣價格較為昂貴的材料，導致了國內的產品設計師普遍缺乏良好的油泥模型制作能力。

圖2 汽車新產品設計開發流程及模型制作順序

目前，油泥模型主要運用于汽車等新產品的設計開發階段，通常由專門的模型師完成，具體工作流程如圖2所示。當設計師完成線圖后，模型師開始制作比例模型（多為1:4模型）。在比例模型制作的過程中，首先將設計師的構思具體化，然后加強和推敲構思，最后讓設計師進一步檢討設計。如果制作多個模型，需要設計師決定哪一個模型制作成全尺寸模型。當設計被進一步細化時，模型師需要制作一個全尺寸模型，最終向設計師展示模型進行最終設計評審，在此時生產設計定稿，然后利用逆向工程獲取模型上的數據，由專門的數字建模工程師利用計算機輔助工業設計軟件完成數字模型的建立，向生產輸出必要的數據。整理后發現，汽車等新產品設計開發流程中的設計師分工比較細致（表2），這種合作完成的方式無形中增加了溝通成本，同時也很難保證產品設計師的創意能夠完美地表達。

表2 汽車新產品設計開發流程中的角色分工

2.2 用戶研究

結合前期的調研結果，最終選擇了南京某高校工業設計專業本科階段開設的汽車概念設計課程作為定性研究對象，該課程以團隊合作的形式展開，最終成果為1∶4的比例模型，學校邀請了汽車集團的的一位一線汽車產品設計主管作為客座指導老師。在課程開始前與任課老師、客座指導老師、學生們交流，了解他們的教育背景、愛好和模型制作經驗。在模型制作過程中邀請同學們采用文字、圖片的方式記錄各自團隊的制作過程，記錄各自團隊遇到的困難和最終解決方案。

為了保證定性研究的客觀性，又選擇了一位雕塑專業出身的專業模型師作為定性研究對象，了解他的相關背景，采用視頻拍攝的方式記錄他制作汽車油泥模型的過程。通過整理分析，油泥模型制作者主要分為產品設計師、設計專業學生和模型設計師（表3，人物姓名均為虛擬）:

表3 油泥模型制作的用戶角色

續表3

2.3 制作流程研究

通過外部觀察的結果，分析整理出汽車油泥模型的基本流程為:準備圖樣和工具，制作帶有坐標線的截面樣板，制作內骨架，安裝內骨架，軟化油泥，上泥油泥，模型初刮，側面成型，車頭及車尾成型、前罩、車頂面、前后窗及后蓋成型，細節成型，貼膜，貼膠條。然后，邀請用戶采用卡片分類的方式對整個流程進行階段劃分，最終的結果為:準備、貼附油泥、粗刮油泥、精刮油泥、修飾5個階段（表4）。

表4 油泥模型制作的基本流程

研究發現在油泥模型制作過程中，精刮階段耗時最長，設計師通常會先構思再取樣刮削。最常見的順序是粘貼膠條進行設計構思→利用圖樣制作樣板→利用刮刀參照樣板刮削油泥→利用樣板校驗模型，這些動作需要身體的頻繁身體移動、雙手操作和眼睛多方位的觀察。

2.4 交互特點研究

按照上述的基本流程，抽取出油泥模型制作的關鍵環節貼附油泥、粗刮油泥和精刮油泥這三個階段，然后利用拍攝的圖片制作成如圖3的記錄。

通過圖片日記可以發現加工油泥過程中，主要的交互方式是雙手交互。設計師會在不同的階段，選擇合適的工具進行加工，例如貼附油泥時，設計師直接用雙手來加工油泥，主要的手勢是“推”和“勾”，“推”時用掌部的大拇指球向前推，“勾”時食指呈彎曲狀，用其內側面向回勾拉;在使用刮刀時，通常是右手握刀，然后沿模型曲面進行刮削;而在使用大尺寸刮板、刮片進行刮削時，為了穩定工具保證刮削效果，需要雙手緊握刮板。

圖3 油泥模型制作中的動作圖片記錄

3 結語

研究發現在產品油泥模型的制作過程中，制作者雖然不全是設計師，但都是從事藝術相關的專業出身，有一定的產品模型制作經歷，對于制作流程有著比較一致的認識。產品油泥模型制作過程中，精刮階段耗時最長，需要根據不同的刮削面，選擇合適的刮削工具，經驗豐富的制作者往往還會制作一些工具，以滿足實際的設計需求。在制作過程中，為了保證制作精度，需要利用三視圖制作大量的樣板，同時結合多種測量工具反復測量模型。在進行油泥模型制作時，需要使用大量的工具，而在人們使用工具的行為中，手是最重要的身體部位，其中大量有目的的行動都是通過手與工具（包括油泥及模型）的操作部位的接觸或感應來完成的，使用不同形態、尺寸的工具時，手勢有著比較明顯的區別。

目前，虛擬油泥造型系統的輸入設備包括3類:鼠標、數據手套和自然手勢，其中最后一種利用計算機視覺解放了用戶的雙手，更符合設計師的操作習慣。傳統的手工制作油泥模型的建模思路可以簡單概括為“先加后減”，在這種建模思路的虛擬油泥造型系統中不僅需要提供現有的虛擬造型工具，還需要提供工具和樣板制作功能，幫助設計師更靈活地完成油泥模型的制作。

［1］山田泰里（日）.ClayMolding－ Techniques for GivingThree Dimensional Form to Idea［M］.東京:株式會社三榮書房，1997.

［2］陳雷.汽車油泥模型制作［J］.裝飾，2001（6）:15-16.

［3］潘榮，等.設計·觸摸·體驗［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［4］江湘蕓，等.產品模型制作［M］.北京:北京理工大學出版社，2005.

［5］陳震邦.工業產品造型設計［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［6］石云愛，等.車身油泥模型制作（上）［J］.貴州航天，1996（1）:46-53.

［7］石云愛，等.車身油泥模型制作（下）［J］.貴州航天，1996（2）:33-42.

［8］趙鵬、陳虹.產品設計中的油泥模型制作技術研究［J］.機械設計與制造，2012（1）:240-242.

［9］汪成為，等.靈境漫話［M］.北京:清華大學出版社，1996（6）:35-69.

［10］汪成為，等.靈境技術的理論、實現及應用［M］.北京:清華大學出版社，1996（9）:1-69.

［11］張鳳軍，等.桌面虛擬現實環境下的雙手交互技術研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2006（11）:1698-1702.

［12］寧志鵬，等.虛擬油泥造型交互方法研究［J］.計算機測量與控制，2009（7）:1371-1374.

［13］高雨辰，等.圖解產品設計模型制作［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011.24-34

［14］戴國忠，等.筆式用戶界面［M］.北京:中國科學技術大學出版社，2009.199-216

［15］胡飛.聚焦用戶［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.