基于grasshopper 的陶瓷造型參數化設計研究

吳俊卿

(無錫工藝職業技術學院，江蘇 宜興 214221)

0 引言

以工業產品為主要對象的產品造型設計影響因素大致分為物質功能、造型藝術和物質技術條件三要素[1]。長期以來，為迎合生產工藝的需要，在造型方面，傳統的以機械壓坯成型和石膏模注漿成型為主的生產方式更多是生產一種規矩、穩重、幾何化、簡潔化特征的日用陶瓷產品，缺乏個性和人情味，已經無法適應人們的現實需求[2]。為了滿足當下多樣化的需求，迫切需要新的設計方法。在滿足生產的前提下，能夠增加造型的趣味性和觀賞性。Grasshopper 參數化設計方法作為一種約束型設計，改變傳統設計發散性的設計方法，通過建立邏輯關系制定特定算法規則來實現設計目的。并且其“動態”找形過程，有助于設計師兼顧審美和生產的需求，為陶瓷造型的創新開拓新的途徑。

1 參數化設計概述

參數化設計（parametric design）是一種基于算法思維模式的處理方法，可以將各方面條件因子有效地組織起來，通過定義規則、組合排列及編碼等方式來實現可視化的設計意圖[3]。參數化設計最大的特點不是直接通過曲面建模來產生造型，而是通過可視化編程，建立邏輯規則和改變參變量來進行造型的修改與調整。在規則建立完成后，設計師通過調整參數數值，得到一系列的結果，海量的生成形態又便于設計師探索觀念與形式的創新表達[4]。陶瓷造型在設計過程中非常注重“成套”“系列”的設計結果，通過在陶瓷造型設計中引入參數化的設計方法，在一定程度上能夠提高設計效率，增加產品的多樣性以及推進設計的衍生。

2 grasshopper 參數化設計平臺

Grasshopper 是在Rhino 平臺下運行的一款可視化編程插件[5]，主要分為參數運算器、邏輯運算器和幾何運算器三個部分，每個運算器相當于一個集成的運算代碼。圖1 為Grasshopper 插件運算器分類。邏輯的可視化特點體現在它把編程的基礎代碼轉化成運算器之間的邏輯關系，將設計過程可視化、精簡化[6]。圖2 為程序示例。設計師能夠按照設計意圖，通過運算器的組合，改變參數運算器的數值來動態地調整造型形態。

圖1 grasshopper 插件運算器分類Fig.1 Classification of grasshopper plug-in calculator

圖2 程序示例Fig.2 Procedure demonstration

2.1 參數化設計邏輯建構過程

形態是陶瓷造型最顯著的視覺特征。在參數化邏輯建構過程當中，設計師首先確定設計目標，分析設計目標的幾何特征，找出幾何運算器中對應的幾何運算器，即特征參量。然后根據形態的變化特征和grasshopper 的算法規則，建立參量和邏輯運算器之間的聯系，生成形態的原型。最后通過調整參數運算器，得到在約束范圍內變化的動態形態。設計師通過篩選，得到最優形態。整個設計流程可以概括為：設計目標→參量設定→算法構件→參數調整→評價→確定[7]。

2.2 grasshopper 參數化設計優勢分析

2.2.1 動態調整設計過程

在傳統設計軟件中，以Rhino 為例。形態的產生需要設計師按照“點—線—面—體”自下而上的生成規則來逐步構建，每一次形態的調整，需要從最底層開始修改。在方案的優化階段，對形態的分析和篩選是必不可少的過程。為了得到最優形態，需要設計師反復按照這樣自下而上的規則來進行建模。其中，包括了很多重復性的命令選取與執行工作，十分耗費設計師的時間和精力。而在grasshopper 插件當中，設計師按照設計目標將一個參數化程序編譯完成后，只需改變邏輯輸入端的設計參數，整個生成結果會沿著某種形態趨勢發生線性變化，通過對模型的觀察，找尋最佳結果（見圖3）[8]。與人工操作的設計過程相比，計算機參數化設計實際上提供了一個抽象的造型機器。它可以讓設計過程反反復復不斷反饋，輸入不同條件得到多個結果，并對設計結果進行多次修正，這是人工操作做不到的[9]。

圖3 不同參數值下的形態Fig.3 States with different parameters

2.2.2 系列化作品生成

基于grasshopper 的參數化設計邏輯建構過程，可以看作是以設計結果為導向。根據影響設計結果的因素，選擇幾何運算器和邏輯運算器，再將各個運算器之間建立邏輯關系，最后通過調整參數運算器的數值來得到一系列的設計結果。和傳統設計流程相比，在參數化設計中自上而下的設計思路，直接設計的不是某一個形態，而是滿足邏輯規則下，參數范圍內所有的形態。在一個程序當中，設計師只要改變參數的數值，而不需要改動程序，就能夠產生海量的類似形。通過設計師的篩選，形成系列化設計。參數化設計方法帶來設計的多解性，對個性化需求的解決，產品族的設計都具有重要的意義[10]。

3 作品“觀云”設計實例

3.1 概念生成

本次的設計項目是陶瓷花瓶，在大量搜集和對比國內外的資料之后發現，目前陶瓷花瓶的設計方法大多是車削成型，通過改變外輪廓線的形狀來產生新的造型。在表面裝飾上，大多是平面圖案或顏色釉。基于以上兩點，本次設計將擺脫傳統設計方法，利用參數化設計的優勢，增加作品的個性。通過分析，本次設計目標主要由形態和肌理兩部分組成。以下為具體建構過程。

3.2 模型形態建構

（1）在rhino 界面中以原點為中心，創建一個圓角矩形。（2）引入等差數列和移動運算器，讓圓角矩形沿著z 軸方向多次移動，形成陣列。等差數列的數量和步數分別控制圓角矩形的移動次數和移動距離，從而控制造型的高度。（3）引入縮放和graph mapper 運算器。通過函數映射的方式，控制每個圓角矩形的縮放量，從而實現控制造型形態的目的。（4）通過放樣得到造型形態。

圖4 模型形態建構程序Fig.4 Construction procedure of model pattern

3.3 模型肌理建構

在表皮肌理的選擇上，本次設計將采用曲紋扭轉來仿生云的流動。具體過程如下：（1）將放樣后的曲面進行“重新參數化”，即定義曲面的uv區間為0 到1，并利用區間等分，找出V 方向的等值曲線。（2）通過graph mapper 運算器，調整每個等值曲線接縫線的位置。（3）在等值曲線上進行等分線段，并得到等分點。通過翻轉數據列表，把原來每個圓角矩形上相同列表位置的點重新放入新的路徑結構內，并連接成曲線，作為放樣軌跡。（4）提取每根曲線的起始點，相鄰兩點連接成線，并提取中點。（5）將提取的起始點連接成閉合的多段線，提取多段線的形心。（6）建立每個中點到閉合多段線形心的向量，并沿著向量進行移動。（7）將移動后的中點和相鄰的兩個曲線起始點進行三點連線，作為斷面線。（8）利用斷面線和放樣軌跡，通過雙規掃略的方式得到曲紋扭轉的肌理造型（見圖5）。

圖5 模型肌理建構程序Fig.5 Construction procedure of model layout

3.4 分析優化

優化是設計的最后調整階段。在grasshopper中體現為：在確定整個設計的邏輯建構過程后，設計師通過調整參數、改變圖形映射器形態等方式來動態地調整造型形態。即通過“找形”的方式，得到最優解，或產生近似的造型和肌理形態，達到系列化產品的目的。在“觀云”設計算法中共有6 個調節參數輸入端和2 個圖形映射器，分別控制基本形體和肌理形態。為了方便研究，本次設計，主要將通過改變表皮肌理的方式來實現系列化產品的目的（見圖6）。因此，將變量分為兩個部分：一部分是在造型形態確定合適后的固定參數；另一部分是影響肌理造型變化的可調節參數。以下用圖表的方式對這些參數進行分類（見表1）。

表1 “觀云”主要控制參數Tab.1 Major controlled parameters

圖6 不同graph mapper 形態下的肌理造型Fig.6 Modeling under different graph mapper states

在生產前的驗證階段，通過分析軟件觀察得知：當調節紋理深淺的參數值過小時，紋理效果不明顯；當參數值過大時，在生產制造時有一定坍塌的風險。坍塌區域為造型扭轉較大部位。通過分析，降低坍塌風險的主要辦法為降低扭轉較大部位處的紋理深淺。具體做法如下：在3.3 模型肌理建構中，增加結束位置斷面線，并且控制斷面線凹凸的數值和起始位置成負相關，使紋理深淺呈由凸到凹的變化。經過優化的肌理效果增加了表皮肌理凹凸的對比感，并且能夠規避生產時坍塌的風險，兼顧視覺和實際生產的需要。模型和程序的前后對比效果見圖7、8。

圖7 優化前后程序比較Fig.7 Procedures comparison before and after optimization

圖8 優化前后效果比較Fig.8 Effect comparison before and after optimizations

圖9 參數化模型建構和優化過程流程圖Fig.9 Flow chart of optimizing process of parameterized modeling construction

4 結 論

伴隨著生活方式的改變，大眾對陶瓷造型的需求越來越多樣化。參數化設計方法，在陶瓷造型設計領域具有重要的現實意義。一方面，為設計師提供了一種全新的設計思維方法，根據設計目的，引入約束條件和變量參數；另一方面，獨特的“動態找形”設計方法，能夠更直觀、快速地進行形態調整，有助于設計師和客戶之間的溝通，并且豐富產品的形式，促進系列化產品的生成。