汽車三維噴繪系統界面交互設計研究

石婉萍 趙鋒 石毅

摘要：汽車產業已經成為我國的重點支柱產業之一，近年來得到了巨大的發展。但隨著汽車產能的快速提升，消費者的購車需求發生了變化，從傳統的質量、安全性、油耗、舒適度等基本需求來看，同等價位的汽車基本上差異不大，消費者更關注汽車的外觀。隨著噴繪技術、計算機3D建模技術以及數控技術等的發展，目前噴繪系統僅能夠實現大面積噴涂的技術參數調節，無法滿足用戶對汽車三維噴繪系統的交互操作需要。文章以目標導向設計為基礎，旨在探索汽車三維噴繪系統高效易用的交互界面設計方法，以提升用戶的操作效率和交互體驗，并進一步提高汽車彩色圖案的精密噴涂質量和效率。具體方法是基于目標導向設計方法及流程，分析三維噴繪系統的目標用戶特征，通過用戶研究獲取用戶對系統的功能需求，根據功能需求及噴繪任務流程劃分界面功能模塊，以目標為導向，提出汽車三維噴繪系統界面交互設計方法。最后通過五菱宏光MINI EV車身圖案噴繪實踐，驗證汽車三維噴繪系統交互界面的可用性。

關鍵詞：三維噴繪系統；目標導向設計；交互設計；功能模塊

中圖分類號：U468.22 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）13-0-04

隨著制造業的快速發展，汽車涂裝行業興起并發展。人們對車身外觀的個性化裝飾提出了越來越高的要求，這就對車身外表面的圖案噴繪提出了一定的要求。汽車的外觀分為三維造型和彩色車身這兩個部分，當前汽車的三維造型大同小異，采用人工遮蔽實現“雙色車”已經成為批量化噴涂產線的極致工藝。但由于需要人工遮蔽，其效率比單色車身油漆噴涂低，因此能夠實現更多變化的焦點逐漸集中到了汽車車身外表的彩色圖案上。目前，大多采用彩色噴墨打印貼膜車衣再通過人工粘貼來實現車身外觀變化，個別采用人工噴繪的方式實現車身外觀變化。但貼膜車衣由油墨打印而成，存在易褪色、易損壞、人工貼膜質量不一等問題，并不能作為大規模改變汽車車身外觀的方式，人工噴繪更是滿足不了巨大的市場需求。

面對上述問題，研究與落地汽車車身外表的無遮蔽全自動彩色精密油漆噴涂技術，成為行業發展的重中之重。基于曲面微滴噴繪技術的無遮蔽全自動彩色精密噴涂設備，可以根據車身面片造型，采用先進的算法自動生成精確噴繪軌跡，通過計算機系統控制微滴噴頭來實現個性圖案的三維彩色噴繪，保證最終的圖案噴繪更加均勻、高效，實現自動化生產，降低人力成本。為了完成汽車圖案噴繪任務，相應的三維噴繪設備需要軟件系統配合完成噴繪工作，操作人員通過操作界面控制噴頭來完成噴繪工作。

1 三維噴繪系統研究現狀

目前，國內外學者對三維噴繪系統的研究取得了一些成果。美國的STM公司在研發領域取得了重要突破，推出了一種先進的彩色地理模型制作系統［1］。該系統能夠精細雕刻地理模型，并且能夠通過表面上色技術賦予模型豐富的色彩和紋理，從而提供更為真實、立體的三維地理信息和表面顏色信息。該系統主要被應用到軍事沙盤和地理模型中［2］。南開大學的張森［3］等人采用模塊化設計思想架構設計三維真彩色噴繪軟件系統，將軟件系統以模塊進行劃分及布局。高艷敏通過調查和分析不同類型用戶在使用3D打印軟件界面時的操作行為，了解用戶的認知偏好。通過這項研究，她提出了一種基于用戶認知偏好的3D打印軟件界面交互設計方案，并驗證了該設計方案的可行性，為未來的3D打印軟件界面交互設計提供了有價值的參考［4］。

目標導向設計是一種面向用戶行為的交互設計理論和方法，旨在關注用戶的目標和內心需求。其核心是通過有效識別用戶的目標，并基于設計目標設計出合理的交互行為。當前，目標導向設計方法被廣泛應用于工業軟件及B端軟件交互界面設計中，但在三維噴繪系統領域未被提及。董晶采用目標導向設計方法，開展地圖設計工具平臺交互設計研究，有效地提升了地圖設計工具平臺的高效性與易用性，具有明顯的實用價值［5］。黃文倩探究以用戶目標為中心的智能招聘面試系統交互設計方法，致力于提升系統全流程用戶體驗［6］。通過上述分析可知，目標導向設計方法可以深入挖掘用戶需求，重視用戶體驗，實現用戶目標。因此，本文基于目標導向設計，設計汽車三維噴繪系統交互界面。

從以上分析可知，當前對三維噴繪系統的研究，更多的是技術的突破和功能的疊加，在系統界面的交互設計方面存在研究空白，導致用戶交互體驗不佳。因此，運用界面交互設計的相關理論設計三維噴繪系統的交互界面具有重要意義。

2 汽車三維噴繪系統用戶需求及目標獲取

2.1 汽車三維噴繪系統用戶需求的獲取

2.1.1 用戶特征分析

三維噴繪系統屬于B端產品，只服務于企業內部的用戶，不面向其他用戶，因此將目標用戶定位為企業使用設備系統的操作人員。根據操作人員的使用經驗，將用戶細分為有經驗的專業用戶和新手用戶。新手操作人員具有基礎的計算機操作能力，但缺乏機械加工噴繪設備專業知識儲備。專業操作人員可以細分為普通用戶和專家用戶，普通用戶具備五軸噴繪設備的基礎知識，但對三維噴繪系統的知識儲備不足；專家用戶具有一定的專業知識沉淀和豐富的加工制造經驗，具備明確的目的性和對操作過程及突發情況的把控能力。

2.1.2 用戶需求獲取

通過用戶訪談得到用戶對系統界面的不滿主要體現在功能不夠完善、界面缺乏引導性導致用戶認知困難、交互方式不合理等方面，據此將用戶需求細分為功能需求、認知需求以及交互需求，具體表現如下。

（1）功能需求：汽車曲面噴涂路徑三維呈現；陣列噴頭工作狀態監測；簡化噴頭參數設置流程；錯誤預警提示；噴頭運動坐標實時顯示；污染性氣體實時監測。

（2）認知需求：視覺風格簡潔；功能布局合理、有邏輯性；數據可視化設計；功能作用指引說明；信息層級劃分清晰；錯誤提示控件區別于其他控件。

（3）交互需求：操作流暢；控件易用；錯誤操作反饋；交互方式具有適用性；自動保存輸入的信息；減少用戶輸入，較多輸入參考。

2.2 汽車三維噴繪系統功能模塊與設計目標的對應與提取

2.2.1 功能模塊劃分

根據目標用戶對汽車三維噴繪系統的具體需求，可以將界面劃分為以下五個模塊：噴繪設備運動控制模塊、參數配置模塊、噴繪設備運行狀態模塊、運動坐標及狀態顯示模塊以及VOCs環保監測模塊，結合每一個模塊的具體任務，可以明確三維噴繪系統功能模塊的子功能元素，更好地梳理系統界面的層級邏輯。具體的功能模塊劃分見表1。

（1）噴繪設備運動控制模塊。噴繪開始前，要先導入編程好的圖案文件，在界面中設置噴頭移動的位移及速度，以便控制噴頭在相應坐標軸上移動，從而使噴頭移動到噴繪大致起始位置；設置噴頭的打印零位，確定噴繪起始位置，每次重新噴繪色漆時，噴頭都需要回到零位。以上功能之間存在一定的流程及邏輯順序，其目的是在噴繪前期控制噴頭位置，因此，將以上功能劃分為噴繪設備運動控制模塊。

（2）運動坐標及狀態顯示模塊。噴頭限位是指X、Y、Z、A軸回零過程中，碰到正負方向限位開關后停止軸運動。發生限位后，系統界面相應的軸方向需要進行預警提示，用戶得到反饋后進行操作，使噴頭離開限位，噴頭限位預警提示是一種錯誤操作的狀態顯示及提示。運動坐標實時狀態顯示能夠使用戶更直觀地獲取噴繪作業前后的噴頭位移狀態，也屬于一種狀態呈現，因此，將以上功能劃分為運動坐標及狀態顯示模塊。

（3）噴繪設備運行狀態模塊。噴繪設備開始運行時，系統界面需要顯示解析編程圖案文件的代碼運行畫面。為了更好地監測汽車不同曲面面片的噴繪狀態，界面還需要呈現噴繪圖案的路徑噴涂軌跡，用戶可以通過界面直接獲取汽車圖案噴繪的真實色彩效果及路徑信息。以上功能是噴繪任務運行時的路徑狀態顯示，因此，將其劃分為噴繪設備運行狀態模塊。

（4）參數配置模塊。陣列噴頭能夠滿足大面積曲面多色圖案噴繪需求，噴繪過程中用戶需要實時監測噴頭的工作狀態，該模塊應呈現陣列噴頭的控制方式，用戶能夠選擇噴頭的組合方式，不同噴頭的工作原理有所區別，因此參數設置各不相同。正式噴繪前，還需要設置噴頭的打印零位參數。以上功能都是對相關參數進行設置，因此，將其劃分為參數配置模塊。

（5）VOCs環保監測模塊。開展噴繪工作時，會產生大量漆霧和揮發性有機廢氣，操作人員為了實時監控噴繪狀態，需要長期處于該環境中，污染性氣體會對操作人員及環境產生一定的危害，而VOCs（揮發性有機化合物）環保監測功能可以準確實現各種揮發性有機化合物等指標的實時在線監測及超標排放報警，有效控制污染性氣體的排放。因此，將該功能劃分為VOCs環保監測模塊。

2.2.2 設計目標獲取

基于劃分好的汽車三維噴繪系統功能模塊，并結合用戶對系統在認知及交互方面的具體需求，獲取針對具體模塊的設計目標（見表2）。

3 汽車三維噴繪系統界面交互設計階段

3.1 信息架構設計

根據汽車三維噴繪系統界面的用戶需求及設計目標，結合具體功能模塊，得到系統界面的信息架構（見圖1）。

3.2 交互原型及視覺設計

3.2.1 交互原型設計

結合前期5個功能模塊及界面操作流程的具體分析，可以將主界面總體劃分為“左中右”三欄式，由于三維噴繪系統界面功能較明確，即控制噴頭在相應位置進行噴繪工作，因此，主界面集中呈現了大部分功能模塊。依據操作流程、功能作用以及視覺效果，左邊欄為噴繪設備運動控制模塊，也是用戶操作噴繪設備的首要步驟；中間欄是運動坐標及狀態顯示模塊；右邊欄被劃分為上下兩個部分，分別為參數配置區域和噴繪設備運行狀態區域，噴繪設備運行狀態顯示區通過子界面完整呈現噴繪圖案路徑運行畫面。“左中右”的三欄布局形式符合系統界面的操作流程，同時符合用戶普遍從左到右的瀏覽習慣。

VOCs環保監測系統可以實現實時監測現場工作環境中油漆、油墨等產生的VOC氣體濃度，具有實時GIS地圖、實時監測污染性氣體濃度、歷史數據查詢、氣體曲線顯示、超標報警、超標數據查詢、系統設置、用戶設置等功能。用戶可以通過具體操作來監測工作環境中的氣體污染程度，避免揮發性氣體超標，從而對環境及人體造成危害。VOCs環保監測系統交互原型頁面分為左右兩欄，左欄為導航區，右欄為監測數據區。

汽車三維噴繪系統界面交互原型如圖2所示。

3.2.2 視覺設計

汽車三維噴繪系統屬于B端產品，面向的用戶是企業員工，同時屬于噴繪設備加工類控制系統，這類產品的界面設計要以功能為主，在此前提下考慮視覺元素。根據產品調性及用戶特征，產品視覺設計關鍵詞可以總結為：工業化、簡潔、引導、專業及企業文化。由以上分析可得汽車三維噴繪系統完整視覺設計界面（見圖3）。

3.3 系統測試

本次一共選取5名對三維噴繪系統了解程度不等的用戶，對其開展可用性測試。以五菱宏光MINI EV車身彩色圖案噴繪為例，給5名測試人員指定不同的任務，通過操作三維噴繪系統界面完成相應任務，詳細記錄其使用系統界面的過程，從任務完成率、容錯率、效率、易學性、滿意度這五個角度進行評估，從而測試系統的可用性。

3.3.1 可用性測試過程

在測試前為不同目標用戶設定相應的任務，全程記錄用戶的任務完成情況，目標用戶類型及具體任務如表3所示。

3.3.2 可用性測試分析與評估

可用性測試根據易學性、任務完成率、容錯率、效率、滿意度這五個標準進行評估，根據所有被測試人員的反應與反饋進行綜合分析，得到意見并總結其中的問題，進一步提出解決方案。可用性測試結果與反饋如表4所示。

4 結語

本文基于目標導向設計在汽車三維噴繪系統界面交互設計中的可行性，通過用戶研究深入挖掘用戶需求與設計目標。根據用戶對系統的功能需求將界面劃分為具體的功能模塊，以目標為導向，針對每一個模塊提出具體的設計方法，并依據需求及方法進行汽車三維噴繪系統功能定義與設計實踐。最后通過五菱宏光MINI EV車身圖案噴繪實踐，驗證了汽車三維噴繪系統的可行性及有效性，為之后的設計提供借鑒和參考。

參考文獻：

［1］ 加索讓-皮埃爾，澤格魯爾，加布里埃爾·拉米雷斯-托雷斯.一種新型的五軸機器人，用于在三維寬表面上打印媒體的高分辨率圖片［C］.國際工業技術會議，2009：1-6.

［2］ 翟乃軍.三維噴繪系統的設計與研究［D］.北京：北京印刷學院，2017.

［3］ 張森，王鴻鵬，陳新偉，等.基于模塊化的三維真彩色噴繪軟件系統的設計與實現［C］//第三十二屆中國控制會議論文集（D卷）.? ［出版者不詳］ ，2013：1552-1557.

［4］ 高艷敏.以用戶認知偏好為依據的3D打印軟件界面交互設計［J］.電子技術與軟件工程，2018（22）：48.

［5］ 董晶.基于目標導向的地圖設計工具平臺交互設計研究［D］.天津：天津大學，2019.

［6］ 黃文倩.目標導向下的智能招聘面試系統交互設計研究［D］.南京：南京理工大學，2021.

作者簡介：石婉萍（1998—），女，陜西渭南人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：無遮蔽自動化彩色精密噴涂、汽車三維噴繪系統界面交互設計。

趙鋒（1974—），男，陜西洛南人，博士，教授，研究方向：工業設計與智能制造、人工智能。

石毅（1972—），男，河南方城人，博士，教授，研究方向：數控技術、精密噴涂、自動控制、測控技術、印刷電子、數字印刷、工業自動化。