仿生設計產品DNA視覺化方法研究

侯幸剛 楊梅 李雪瑞

摘要：為更好地適應設計人員對仿生產品造型的認知與三維數字模型構建過程，提出一種仿生設計產品設計DNA的視覺化方法。在借助matlab邊緣檢測算法分析產品造型的基礎上，提出曲線外形、曲線圓角、曲線角度3種視覺化規則，并結合一個實際的仿生設計案例進行使用說明。通過上述方法進行了多旋翼快遞無人機設計，經過綜合模糊評價結果是非常符合，驗證了此方法的可行性。

關鍵詞：產品DNA無人機感性工學模糊綜合評價產品設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）02-0011-03

引言

伴隨著2020年新冠疫情的到來，新一輪關于人與自然和諧的思想爭辯展開，仿生設計以自然界萬物的形態、色彩、聲音、功能和結構為研究對象，為產品的創新性設計提供了新的思路、原則、方法與途徑。在人類社會生產活動與自然的結合過程中，仿生設計使人類社會與自然高度統一，逐漸成為新的設計發展過程中的亮點，在這次疫情的爆發期間是值得思考與引起高度重視的。

產品的設計作為一個持續的，反復迭代的過程，類似于生物種族的種群之間的繁衍生殖過程。基于此，產品DNA概念也被相應提出。將基因遺傳與變異的特質應用于工業設計領域，提高產品的系統性，探討新的工業設計方法。在更新迭代過程中保證父代特征的情況下增加產品的創意性。

目前已有不少學者對產品外觀設計進行了研究，并取得了可觀的成績。在仿生設計領域，主要有以下具有代表性的研究：羅仕鑒團隊【1】對產品設計基因進行了一系列相關的研究提出了產品族設計DNA的表達方法;朱上上等【2】提出支持產品視覺識別的產品族設計DNA研究方法;BEMSEN【3】闡述了摩托羅拉手機設計過程中，基因的提取、表達和應用上述的一些研究多數利用某種理論或者方法以及某種數學模型進行研究，但是在日常的產品設計過程中，設計師更多的會用自身的設計認知、設計思維、設計情感對產品進行形態設計創新，因此所設計的產品不但具有外在的形態屬性，還蘊含著設計師賦予產品形態的感性屬性。為了準確描述和量化這類感性屬性，研究選用感性意象進行產品描述，例如：傳統的、時尚的、精致的、高雅的、科技的等。鑒于此，本文選用感性意象作為概念思維載體對概念設計階段中的啟發類設計意圖進行模糊描述，基于感性工學造型結構理論提出一種仿生設計產品DNA的視覺化方法并應用一個實際的設計案例進行方法說明，最后對設計產品進行模糊綜合評價以鑒別該方法的可行性與科學性。

一、仿生設計產品的DNA表達

產品都是由若干的形狀特征，按照一定的設計方法組織而成的。仿生設計產品的表達最重要的就是形成產品外形與生物本征之間的映射模型。改為用戶對于產品的主觀感受來自對于產品本身定義的理解，并樂于將其與已知的某種事物進行聯系。用戶對于產品的造型意像視覺沖擊來源于產品本身的整體造型特征及各部分之間比例關系4。對于仿生產品的表達要提取所仿生動物最重要的特征進行操作。

（一）仿生產品DNA的提取：文章提出將產品的DNA分類為整體造型DNA及部分造型DNA，其中整體造型DNA也可以表達為通用DNA，即在下次更迭時所保留的父輩特征，但如果是第一代設計產品，則整體DNA亦作為個性DNA進行設計。部分造型DNA可分為通用DNA及個性DNA，在下一代的更新中作為個性特征進行增強或者更換。仿生設計產品DNA關系表示如圖1所示：

（二）產品DNA的表達方法：本文采用在Matlab軟件中應用多級邊緣檢測算法（Canny邊緣檢測算子），提取圖片外觀形態特征并借助Coreldraw二維矢量圖設計軟件工具對提取的外觀特征曲線進行優化和重構的方法來得到特征線樣本。其操作過程如圖2所示：

二、仿生設計產品的DNA視覺化規則

依據產品建模的一般方法，以建模軟件Rhino為研究對象，任何產品都是由不同的面所構成的，而不同的面是由數條貝塞爾曲線經過一系列操作形成，每條線都是由數目不同的控制點所構成。在上文仿生設計DNA的表達中已經提出得到特征線樣本的操作方法。由于該方法所形成的主要元素是曲線，因此提出將曲線作為產品DNA表達的視覺化要素。曲線作為視覺表達因素需要考慮形狀，角度，連接之間的關系，基于此提出三種因素的視覺化規則。

（一）曲線外形的視覺化規則：對于任意產品外觀造型，可分為直線、曲線或二者的結合，且在視覺化過程中可任意修改。貝塞爾曲線依據位置不同的點描繪出光滑的曲線，并且其形狀可通過控制點位置的變化而變化【5】。符合上述的視覺化要求。因此引入貝塞爾方程作為描述曲線外形的視覺化規律，其通用數學表達式如下：

由于目前市面上的產品建模工具的精度一般為3次貝塞爾曲線（如圖3所示），其數學表達式為：

式中：Po，P，P2，P3為曲線的四個控制點;t為從點P。到Pg的時間變量，tE【0，1】;該曲線從P。出發，結束于P3，其中P，P2是控制曲線走向的控制點。

（二）曲線圓角視覺化規則：每一個產品的造型都包含數目不一的圓角，圓角的大小及多少會給用戶不同的的視覺感受，因此為了增加產品的圓滑程度，在進行曲線之間圓角時候讓銜接曲線盡可能實現與外觀曲線的相切甚至更高的曲率，本文采取滿足以下條件的數學表達式：

式中x，y分別代表圓角曲線上點的橫縱坐標;r代表圓角半徑，且r的大小由公式（4）決定，實現銜接曲線的相切。

（三）曲線角度的視覺化規則：由于造型中的每一個曲面是相對獨立的存在，因此可以把每個曲面有微積分思想轉化為閉合的n邊形，通過該n邊形內各曲線的位置改變其造型意象，因此用如下數學式表達：

式中i為貝塞爾曲線的階數，本文中取i=3;n為圍成一個封閉多邊形的曲線數目;B（前代表貝塞爾曲線的單位切向量5。

（三）模糊綜合評價計算

由最大隸屬原則可知，最高得分為10.4，屬于非常符合的范疇，此次設計基本達到設計目標。

結論

提出了一種進行仿生設計DNA視覺化方法，以一個多旋翼快遞無人機設計的實際案例的設計過程進行方法的展示，并對所設計產品進行了模糊綜合評價。結果表明：所設計產品完全符合最初的設計需求，證明了此方法的可行性。文章也存在一些不足之處：文中方法需要大量的數據收集以及計算，并對設計師的個人設計能力有所依賴，所以在后續的改進中考慮以此方法為基礎引入在線數據收集評價等功能，提高效率;建立仿生設計在線協同網絡數據庫，減少前期數據圖片收集難度，集思廣益，提高仿生設計的創造性。

基金項目：山東省重點研發計劃（軟科學項目）：工業設計推動山東制造企業自主創新發展的路徑與對策研究（2019RKB01395）;青島市哲學社會科學規劃項目：青島特色海洋文化創意產業發展策略研究（QDSKL1901141）;山東省藝術科學重點課題：山東省文化創意與設計服務云平臺構建策略研究（QN201906118）。

參考文獻

【1】羅仕鑒，張宇飛，邊澤，等產品外形仿生設計研究現狀與進展【J】.機械工程學報，2018，54（21）：138-155.

【2】朱上上，羅仕鑒，應放天，等.支持產品視覺識別的產品族設計DNA【J】.浙江大學學報，2010，44（4）：715-721.

[3]BEMSENJ.Bionicsinaction：ThedesignworkofFrancoLodato，Motorola[M】.Denmark：StoryWorks，2004.

【4】劉曉菲中國傳統文化元素在3C中產品設計中的應用研究【D】.山東：山東建筑大學，2014.

【5】鮮潔宇，錢筱琳，江國珍，等.拖拉機產品族設計DNA視覺化方法【J】.機械設計，2018，35（8）：111-115.

【6】李永鋒，朱麗萍.基于模糊層次分析法的產品可用性評價方法【J】.機械工程學報，2012，48（14）：183-191.

【7】任露泉，梁云虹.生物耦合生成機制【J】.吉林大學學報，2011，41（5）：1348-1357.

【8】劉偉，曹國忠，檀潤華，等多生物效應技術實現方法研究【J】.機械工程學報，2016，52（9）：129-140.

[9]PETERST.Natureasmeasurethebiomimicryguild【J].ArticleinArchitecturalDesign，2011（11）：44-47

【10】姜娜，楊君順.仿生在產品造型設計中的應用【J】.包裝工程，2008，29（1）：146-147，153.