基于虚拟现实的人机交互下协同式产品外观设计

刘兰兰

摘 要： 为了解决当前产品外观设计方法很难完全模拟人类智能对产品外观进行设计的问题，提出一种新的基于虚拟现实的人机交互下协同式产品外观设计方法，给出虚拟现实设计环境总体结构，在虚拟环境下，计算机主要负责对符合约束的方案进行求解，而设计者主要负责确定产品外观设计过程中的变量、约束条件及设计目标等，令二者协同设计产品外观，获取最佳设计方案。为了更好地实现人机交互，对设计者知识描述进行转换，依据创新元对设计者决策信息进行分类、描述以及保存。通过再次转换将参数确定问题变成基本参数描述问题，以确定设计参数。实验结果表明，所提方法鲁棒性和多样性高，且设计的产品外观普遍评价较高。

关键词： 虚拟现实； 人机交互； 协同式； 产品外观设计； 鲁棒性； 多样性

中图分类号： TN98?34； TP391.72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）07?0111?04

Virtual reality based collaborative product appearance design

under human?computer interaction

LIU Lanlan

（School of Mechanical Engineering， Wuchang Institute of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： Since it is difficult for current product appearance design method to design the product appearance by means of complete simulation of human intelligence， a virtual reality based new collaborative product appearance design method under human?computer interaction is proposed. The overall structure of virtual reality design environment is given. The computer in virtual environment solves the scheme conforming to the constrain， and the designer determines the variable， constraint conditions and design goals in product appearance design process. The above two items are collaborated to design the product appea?rance， and obtain the optimal design scheme. In order to realize the human?computer interaction better， the knowledge description of the designer is transformed， and the decision information of the designer is classified， described and saved according to innovation element. The parameter identification problem is transformed into a basic parameter description problem for a second time to determine the design parameters. The experimental results show that the proposed method has strong robustness and perfect diversity， and its evaluation of product appearance is generally high.

Keywords： virtual reality； human?computer interaction； collaboration； product appearance design； robustness； diversity

0 引 言

产品设计过程是一个复杂的、不确定性高的推理过程，应用广泛，涉及大部分领域[1]。近年来，人们对产品外观设计的要求越来越高，为了有效实现个性化的产品外观设计，需采用一种便于更改的设计方法[2?3]。

文献[4]提出一种基于特征部件的产品外观设计方法，按照功能对产品外观进行划分，利用CAD把不同功能单元聚集在一起，实现产品外观设计的多样性，对不同外观进行评价，得到满足设计者需求的设计方案。该方法虽然实现过程简单，但不易实现；文献[5]从知识重用方面对产品外观设计过程中的知识进行划分，以获取设计者设计知识及用户需求知识。在此基础上塑造产品外观知识重用原型系统，获取设计方案。该方法设计效率高，然而过于依赖先验知识，获取的结果无法达到用户要求；文献[6]提出一种基于Java的产品外观设计方法，在产品外观设计系统中引入能够改变皮肤的外观Synth，其无需编程即可实现产品外观设计。该方法设计效果好，但成本较高。

针对上述方法的弊端，提出一种新的基于虚拟现实的人机交互下协同式产品外观设计方法，给出虚拟现实设计环境总体结构，在虚拟环境下通过人机交互获取最佳设计方案，通过知识描述再次转换确定设计参数。实验结果表明，所提方法鲁棒性和多样性高，且设计的产品外观普遍评价较高。

1 基于虚拟现实的人机交互下协同式产品外观

设计

1.1 虚拟现实设计环境总体构架

在虚拟现实环境下进行产品外观设计的关键是塑造产品模型工作的虚拟环境，本节设计的虚拟现实环境总体结构用图1进行描述。

虚拟现实环境通过虚拟现实技术塑造三维环境，在通过CAD技术对产品外观进行设计时，可把设计模型导入虚拟现实环境中[7]，对产品外观相关参数进行调整，设计者得到满意的设计方案后，即可退出虚拟现实环境，将最终的设计数据反馈至CAD系统中，从而实现产品外观设计[8]。

1.2 人机交互下协同式产品外观设计

在虚拟环境下，当计算机不能有效模拟人类智能时，需将人机结合在一起，协同实现产品外观的设计[9?10]。为此，本节提出一种人机交互下协同式产品外观设计方法，把产品外观设计过程看作一个约束判断与求解过程，其功能模型用图2进行描述。

在对产品外觀进行设计时，计算机主要负责对符合约束的方案进行求解，将繁杂的计算工作交给计算机处理，将决策工作交给设计者，令二者协同设计产品外观，获取最佳设计方案。

1.3 产品外观设计

1.3.1 设计者知识的描述转换

假设用[eij1

式中[Ei=ei1，ei2，…，eij，…，eik]。依据设计者知识类别，通过各种描述转换方式和规则，利用数据挖掘法实现设计者知识描述转换。

1.3.2 设计参数确定

产品外观设计过程中涉及的参数均可通过再次转换变成基本参数描述问题，公式可描述为：

式中，[X0=x10，x20，…，xj0，…，xn0T，][X0∈Rn，][xj0]描述产品外观设计中的功能参数；[A]描述参数转换矩阵，其计算公式如下：

因为不同产品外观设计参数之间存在一定的关系，所以它们之间有矛盾冲突，产品外观设计过程即解决参数冲突的过程。整个解决过程可通过产品设计问题求解状态空间实现：

式中，[-xi，xj]用于描述参数[xi]和[xj]之间的冲突解决矩阵；[FX]用于描述产生冲突解决与问题状态转化的操作。

通过上述分析可获取下述针对创新设计问题的解决状态空间，可用以下两元组进行描述：[P：Xs，Xr，]其中[Xs]用于描述初始问题状态矢量：

也就是设计者最初对产品设计求解的期望。[Xr]代表通过TRIZ矛盾关系矩阵解决设计问题，公式如下：

依据上述分析，可通过两元组[Xs，Xr]对设计者知识语义模型进行描述，通过评价器获取产品外观评估结果，得到最佳设计方案。

2 实验结果分析

实验首先通过问卷调查的方式对本文设计方法的有效性进行评价，然后通过鲁棒性和多样性对本文方法的设计性能进行量化评价。

2.1 设计评价结果

本文问卷调查对象主要包括在校设计专业本科、硕士、博士生、专业设计师以及用户，详细信息用表1进行描述。问卷一共发放400份，收回有效问卷392份，回收率高达98.00%。

分析表2可以看出，针对产品外观创新性、产品外观色彩协调性、标识可视性、操作舒适性、产品外观可识别性、结构简单度、工艺简单度、成本及节约原则的评价，本文方法评分结果明显高于知识重用方法和Java方法，说明通过本文方法设计产品外观的美观、操作性、结构工艺及经济性均优于知识重用方法和Java方法，且本文方法的总分为4.64分，也高于其他两种方法，进一步验证了本文方法的有效性。

在竞争日益激烈的产品外观设计领域，创新性是影响产品竞争力的关键因素，下面针对产品外观设计的创新性进行详细的测试。将知识重用方法和Java方法作为对比，将创新度作为衡量指标，对本文方法创新性进行评价，结果用图3进行描述。

分析图3可以看出，通过本文方法设计的产品外观创新度曲线一直高于知识重用方法和Java方法，说明本文方法更有利于产品外观创新性的设计，为产品外观设计提供了很好的创造环境。

2.2 鲁棒性测试

本节将鲁棒性和多样性作为衡量指标对本文方法设计性能进行测试。

性能鲁棒性是产品外观设计性能对性能因素变化敏感程度的体现，当性能因素改变幅度一样时，性能波动区间越大，则设计方法的性能鲁棒性越低，本节通过性能鲁棒因子对性能鲁棒性进行衡量。

用[x]描述性能指标因素，[y]用于描述设计性能，用[Δx]描述允许的性能因素改变区间。针对[x]随机将其取为[x1，]用[σy]描述[y]在[Δx]下的扰动方差，则[σy]即为[y]在[x=x1]处的性能鲁棒因子。

本文方法、知识重用方法和Java方法的性能鲁棒性因子比较结果用图4进行描述。图4中，[x]的变化区间是相同的，也就是[Δx1=Δx2=][Δx3，]但其引起的性能波动却有很大差异，[σy1<σy3<σy2，]所以本文方法的鲁棒性高于知识重用方法和Java方法。除此之外，还可以看出[y1>y2>y3，]说明本文方法性能优于知识重用方法和Java方法，整体性能高。

一般情况下，用户对产品外形的要求呈多样性，本节将多样性指标作为衡量标准，对本文方法的多样性进行评价。

多样性指标计算公式如下：

式中：[si，j]表示设计产品外观[i]和理想产品外观[j]之间的相似度；[Ru]表示设计方法[u]的设计方案列表。

对本文方法、知识重用方法和Java方法的多样性值进行比较，结果用图5进行描述。

分析图5可以看出，本文方法多样性曲线较高，且波动平稳，明显优于知识重用方法和Java方法，说明本文方法的多样性强。

3 结 论

本文提出一种新的基于虚拟现实的人机交互下协同式产品外观设计方法，给出虚拟现实设计环境总体结构，在虚拟环境下，把产品外观设计过程看作一个约束判断与求解过程，将人机结合在一起，协同实现产品外观设计。对设计者知识描述进行转换，通过再次转换确定设计参数。实验结果表明，所提方法鲁棒性和多样性高，且设计的产品外观普遍评价较高。

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