基于SPEOS CAA的手机外观视觉仿真

黄攀

摘 要：本文讨论了手机外观视觉仿真的原理与过程，建立了手机视觉仿真方法的框架模型。以CATIA为平台，依据人眼视觉仿真方法完成了手机外观模型的建立，并通过光学仿真算法，利用SPEOS CAA的VE模块对手机使用者的视线进行了追踪，成功模拟了手机的几组外观效果，避免了昂贵的手机样机制作。

关键词：人眼视觉；光线追迹；SPEOS CAA；BRDF

社会往往关注外表优秀的人，手机也是一样。智能机除了性价比之外，用户更容易被手机的颜值所吸引。目前外观设计成为手机行业新的竞争点，工业设计一般会反复研究手机的配色、材质、工艺、尺寸等，通过制作各种物理样机来实际对比手机的外观效果，对手机外观苛刻的公司一般会反复制作手板，最终选取一个颜值最优的方案进行产品设计。手板的制作一般耗费大量的时间和成本。如何通过人眼视觉仿真模拟手机的颜值效果，降低打样的次数，这一块手机行业相关研究极少。

人眼视觉仿真远非普通的渲染，SPEOS CATIA是国际著名的光学仿真软件，其人眼视觉仿真功能独步全球。人眼视觉仿真一般是根据人体的生理反应和心理感受， 来仿真人眼对光亮度、光颜色、光饱和度等条件的反应。光源发出的光在3D场景中传播， 一部分光直接射向观察者，一部分光经过反射后射向观察者。根据观察者的人眼捕捉到的光线和观察者所在的视场角生成辉度分布，然后通过视觉仿真模型进行转换， 从而仿真人眼对视觉图像的反应，查看仿真数据并将分析结果与各种标准和人类视觉生理学参数进行比较，这样观察者就可以看到真实的色彩与图像。

本文的大体工作流程如下：

1）几何建模：利用手机CAD模型，按照仿真

软件的要求对模型进行简化和修改；

2）光源建模：使用仿真软件添加外部环境光源和手机显示屏光源，详细定义各光源的光学参数；

3）手机外观材质建模：通过材质库、光学仿真经验、实测数据等定义各外观材质的光学属性；

4）人眼视觉建模：按照手机观察者的各种参考眼位，构建视觉传感器；

5）视觉仿真及分析：设置人眼视觉仿真参数，进行仿真分析，并与实际的样品外观比对。

1 手机材质和工艺简介

电池盖由透明PC注塑成型，然后经过正反两面喷涂，内漾的几何纹路非常出彩，使得手机看上去颇具立体感，强烈的珍珠白网格设计彰显时尚。快门拍照按键是透明PC材质，下边缘喷涂绿色，底面喷涂白色，看起来具有翡翠的灵动。摄像头处也是透明的PC材质，底面喷涂黑色，表面做CD纹路处理。正面盖板为透明PC，非显示区域丝印黑色，盖板搭配一块夏普显示屏，具有镜面质感。正面键盘区采用白色钢琴烤漆，字符区域丝印灰色。中间按键为透明PC材质，底面丝印白色，缺口处丝印绿色，四周装饰件是黑色塑胶注塑成型。

一般常用OPTIS 公司的SQUALE设备测量表面光学属性与BRDF、测量材料的颜色光谱形成光学材料文件，导入SPEOS CAA中进行模拟仿真。或者使用OPTICAL BENCH测量三维光强分布、测量表面光学属性与BRDF、BTDF等、测量材料的吸收光学属性、测量光源或材料的颜色光谱数据。手机显示屏一般采用PHOTOMETRICAL CAMERA测试三维的强度分布和亮度水平以及颜色光谱数据。

BRDF模型比一般的光线追迹分析更接近实际物体的表面光学效果。针对某个光学表面，BRDF模型用来描述入射角度方向上的光照强度怎样影响某個出射角度上的辐射比率。

总而言之，BRDF模型阐述了入射光传播到光学表面反射后在不同的出射角度上是如何分布的，包含了常见的漫反射、一般的镜面反射、各向异性的反射、各向同性的反射等。对比常规的简单光线追迹，BRDF囊括了各种反射形式，比如打磨的玻璃、金属拉丝表面、丝印工艺等。

BRDF模型又称双向反射分布函数，模型规定了光线在物体表面是如何传播的，光线透射、吸收、反射的比率大小是多少。BRDF模型主要考虑的是光线透射、吸收和反射的比值是多少，它们是如何动态变化的。

反射一般是漫反射，定义好了光源类型、物体表面材质、观察角度等，一般就可预见这些光线发生的各种变化。实际光学环境是立体三维的，光线角度有横向和纵向上各种不同的散射角度，光线在物体表面的切向平面和法向平面上的分布规律构成了BRDF模型的核心。双向反射分布函数可以更全面地阐述光线在物体表面上发生的各种变化，这样在模拟仿真平台上，人眼可看到更佳的物体视觉效果，和现实人眼看到的物体外观十分接近。

2 光源的参数设置

手机在不同场景下看到的效果不一样，这里的环境光源定义。光谱采用软件自带的光谱类型，这里重点说明下环境的类型一般选择HDRI File。HDR文件是一种高动态范围图像，相比普通的图像，可提供更多的动态范围和图像细节，能够更好地反映出真实环境中的视觉效果。

3 传感器和仿真类型的建立

不同的角度观察手机，由于光线的原因，有些角度看到的效果会差异比较大。为了仿真用户在不同的角度下看到的手机外观效果，必须设置不同方位分布的辉度传感器。在模拟分析结束后，可查看不同视场角看到的手机外观效果图。

4 结论

本文应用人眼视觉仿真方法可比较真实的反映出产品的实际外观效果，尤其是对于喷涂件和磨砂件，采用Monto-Calo方法可有效计算出其不同视角下的视觉效果。本文主要研究了手机外观视觉仿真的流程和方法，建立了手机视觉仿真的模型。以CATIA为平台，根据视线追踪算法，利用SPEOS CAA的VE模块对观察者的视线进行了追踪仿真， 实现了在电脑上进行手机外观的光学模拟仿真， 并与实际手机的图片进行了对比。本论文所研究的手机外观视觉仿真方法对于手机行业工业设计及项目评估具有明显的工程使用价值。

参考文献：

[1] 张炜，马智，俞金海.基于SPEOS/CATIA的飞机驾驶舱眩光量化评估方法[J].系统工程理论与实践，2012，11：82-85.

[2] 何永春.浅议智能手机外观设计价值与专利布局[J].中国发明与专利，2016，07：56-58.

[3] 海桦，王海旋.手机设计人性化研究[J].潍坊学院学报，2015，02：75-78.