基于设计草图的参数化建模设计方法

袁媛 干静

关键词：参数化建模 视觉动力 简化原则 设计草图 三维模型 工程模型

引言

设计草图和三维模型在确定新产品设计方案的阶段起着非常重要的作用。设计草图是创意师在概念设计阶段的主要表达手段，是创意师将思维中抽象概念快速灵活具象表达的结果[1]。三维模型是通过三维建模软件构建并呈现在计算机中的物体模型[2]，最终通过3D打印、开模等方式转化为实物产品。设计草图主要解决了产品的创意问题;三维模型则更注重解决产品的实现问题。

新产品三维模型的生成需要多方人员的配合。典型的设计过程是创意师提供设计草图、设计师建立三维模型、结构工程师完成工程模型。但在实际操作时常存在以下问题：第一，人员背景知识的不一致和草图的模糊性会造成草图理解差异[3]，从而导致设计师建立的三维模型外观造型不能达到创意师的设计意图;第二，设计师与结构工程师所用软件不兼容，迫使结构工程师修补并重建三维模型[4]，增加时间成本。

基于自顶而下的参数化建模方法，贺谦等[5]和刘承杰等[6]分别设计了导弹弹体结构和环形防喷器，提高了建模和修改的效率;ZhiyiPan等[7]建立的三维模型可直接用于仿真分析，保证了工作协同性。

吴江奎等[4]基于Creo Parametric建立了电吹风外观模型，并因此提高了模型精度，易于修改，便于与结构工程师衔接。但未涉及如何将草图信息转化为模型信息。近年来基于草图的三维建模研究多集中于还原草图，而忽视了三维建模时合理的造型推敲，明守政等[8]基于实践经验阐述了汽车造型从草图到初期数模的造型方法，但未与结构设计衔接。为此，需研究一种既能保证设计师主导产品造型，又能与结构工程师协同工作的建模设计方法，以提高新产品的设计效率。

一、参数化建模设计方法的构建思路

三维建模时，设计师需从设计草图获取产品造型信息，从而建立三维模型。

（一）设计草图的类型

设计草图不仅是表现思维的手段，也是增强思维的手段[9]。设计草图能帮助创意师方便快捷地记录设计想法[10]，同时进一步启发创意师新的设计创意[9]。因此设计草图依旧是一种无可取代的设计表达方法。如图1所示，根据绘图工具的不同，常见的设计草图可分为纸上手绘（图1-a）及计算机辅助绘图，其中计算机辅助绘图又可细分为笔刷绘图（图1-b）和矢量绘图（图1-c）。相对矢量绘图，纸上手绘和笔刷绘图的绘图方式更加自由，更有利于创意师进行创作，但相对不便修改，易出现草图噪音，造成理解误差。文中的设计草图主要指纸上手绘和笔刷绘图。

（二）参数化建模软件的选择

由于设计目标的不同，设计师与结构工程师常采用不同的三维建模软件构建模型，设计师完成的三维模型需转换为IGES或STEP等中间格式才能为结构工程师使用。三维模型在导入结构工程师使用的参数化建模软件时，会出现曲面破裂、零件丢失等问题，结构工程师需花费大量时间修补、重建模型[4]。后期修改则还需重复此过程。

随着建模软件的升级，Creo Parametric等参数化建模软件集合了自由建模和参数化建模的特点[4]，设计师直接采用参数化建模软件建立的三维模型无需转换中间格式便可为结构工程师使用。同时，双方采用自顶而下的参数化建模方法，即以包含产品所有结构布局、约束参数、参照基准、装配关系等信息的骨架模型为基础参数控制零部件模型及装配等信息[6]的建模方法，便于管理、应用设计信息，便于多方人员协同工作[5]，有利于保证设计师对产品外观造型的主导性。文中以Creo Parametric为软件平台。

（三）参数化建模设计方法的构建思路

三维建模即设计师将设计草图的视觉信息转化为几何信息的过程。三维建模常依赖于设计师的经验与技巧。设计师、结构工程师与设计草图、三维模型以及工程模型的关系如图2所示。设计师从设计草图中获取视觉信息，运用三维建模软件建立三维模型，三维模型再提供视觉反馈予设计师评价;结构工程师以三维模型为基础进行结构设计，接受仿真分析等反馈信息，修改迭代，最终得到满足生产需求的工程模型。

视觉感知在三维建模中的作用不可忽视。阿恩海姆先生的视知觉理论主要研究形状等视觉元素的特性，适用于对产品造型的分析、理解、评价。本文重点将这种视觉感知细化为模型几何特点和建模方法。几何建模思想贯穿了设计草图与三维模型。首先，三维建模软件是由几何数学思维构建的，借助几何建模思想理解设计草图有利于设计师将视觉信息转化为计算机熟识的建模信息。另外，在绘制设计草图时，创意师也会运用几何建模思想梳理、绘制草图造型。结合视知觉理论与几何建模思想总结的视觉两原则有助于设计师理解设计草图并对构建的三维模型做出评价。除对设计草图还原外，设计师还可在三维建模过程中进一步推敲造型。

二、视觉两原则

视觉两原则包括：视觉动力用于保证品牌形象和设计风格，构成视觉认知的第一要素[11];简化原则用于减弱非重点元素、梳理造型，便于将美学语言转化为几何建模语言。

（一）视觉动力

在视知觉理论中，阿恩海姆先生将视觉式样对人心理产生的能动反应解释为“力”的作用，每一个视觉式样都是一个力的式样，视知觉即对力的知觉[12]。消费者在识别产品时，视觉识别是最直观印象的形态要素[13]，视觉第一印象决定了产品的被接受度[11]。视觉动力可有效帮助设计师从设计草图中提取产品造型的主要视觉特征，制造视觉重点，保证品牌语言的传达。

1.视觉动力的产生：视觉动力同形状、大小、色彩等都是视觉对象的真实性质，同时，它也是形状、色彩和位置的内在性质[12]。下面将以图3草图造型为例，介绍视觉动力与造型相关（形状、大小、位置）的产生方式，如表1所示，根据涉及的物体数量，分为单一物体内部的变形以及多个物体间的空间关系。单一物體内部形状的所有视觉动力几乎都来自变形，变形可分为倾斜、形状缺陷、曲率变化。多物体间的相对空间关系也会产生视觉动力，主要可见于重叠关系与偏离简化的情况。同物理力一样，视觉动力具有三种性质：力的作用位置、力的大小、力的方向，如表1图例中箭头所示。越是接近于简化的造型，越呈现出想要回到最简化、平衡的状态，具有的视觉动力越强。

2.产品设计中视觉动力的作用：产品遗留在消费者脑海中最终的印象，不是具体的形态，而是其最典型的视觉特征，即视觉动力的总成。消费者通过解读产品视觉特征，领会产品隐含的品牌意义，从而形成产品品牌认知[14]。同时，产品形象建立成功的关键在于产品视觉特征与消费者认知是否匹配[15]。产品的典型造型和其品牌最终将达成互通，例如，提及宝马汽车，能够联想到“大鼻孔”通风口的造型;看到汽车七孔前脸设计，也就知晓其品牌为吉普。

产品造型围绕着一个主要的视觉动力主题构建，通过调整内部相互冲突的视觉动力后达到平衡。产品设计中，確定视觉动力主题，即确认风格特征，即保证其品牌语言的重要途径。视觉动力主题根据产品传达的品牌语言决定，或强烈激昂，或安静平和。

（二）简化原则

简化原则是视知觉理论的基本规律，也是格式塔心理学的基本原理。简化原则主要指人们对形态的认知具有简化的特性[11]，解读模棱两可的造型时，会倾向于忽略不重要的细节。同时，三维建模软件的命令是基于设计师点线面体的思维逻辑构建。利用这些特性，结合几何建模思想梳理设计草图中的造型元素，有利于将造型的美学语言转化为三维建模软件的操作命令，从而梳理建模思路。

简化原则即对非主要视觉特征进行简化处理，完善产品造型的细节特征。简化的目的是突出区别，突出设计风格。以图4草图为例，可得到表2中的简化原则。值得明确的是，完全简化的产品造型会使人产生乏味。故应注意合理、灵活地运用简化原则以保证造型与功能结构不冲突;保留设计草图中的个性化造型;并应与视觉动力达成平衡。

三、参数化建模过程

视觉两原则将在参数化建模过程中得以应用，设计师通过认知设计草图，构建、评价及修改三维模型，以完成既满足视觉审美又可与工程衔接的产品模型。

（一）设计草图认知设计草图具有模糊性、不精确性、不完整性等缺陷[1]。为顺利进行参数化建模，对设计草图的认知主要包括获取设计草图的已有信息，并补足设计草图的隐含信息。

1.设计草图的已有信息获取：设计草图已有信息的获取过程包括：首先筛选出设计草图的有用信息，去除无用信息;进而从整体把握设计草图的造型视觉特征与设计风格;最后确认设计草图的细节造型，简化非重点元素。

（1）草图去噪：纸上手绘和笔刷绘图的设计草图中，常遗留了一些因创意师修改或设计思维转变造成的重复笔触、冗余模糊的线条[16]等草图噪音。去噪时应明确线条的正确走势，去除超出形体部分的线条;对于多笔画造成的信息模糊与草图形体绘制不精准的问题，则可利用相似、延续等简化原则对其简化，结合视觉动力使其融入整体设计风格。草图去噪的主要目的是明确设计草图的有效内容，必要时还可结合设计草图中的记号、文字等判断，排除干扰信息。

（2）视觉特征确认：视觉特征确认即确定设计草图中造型的视觉动力主题，可结合产品品牌语言、设计纲要或创意师的设计说明进行主要造型提取，强调造型中最能体现变化与多样性的造型。为方便在三维建模软件中绘制线条，设计师常将去噪后的设计草图置入三维建模软件，运用矢量线条描摹图像中的线条，从而建立三维模型。

为减弱图像中线条粗细变化和锯齿效应带来的模糊性，设计师可利用视觉动力去确定和修正曲线形态，求得最佳造型。

（3）细节造型拟合：为凸显视觉特征，应简化拟合造型中其他非主要元素。运用简化原则梳理造型，去除多余复杂的造型关系，拟合造型细节，常采用如平行、对称、相切、排列、延续等简化原则。

2.设计草图的隐含信息补足：三维建模是将二维转变到三维的过程，还需要将二维中大量不确定的元素具象化[8]，补全未知的隐含信息。设计草图的隐含信息补足可从典型面还原、未知造型补足和造型辅助补足三个方面进行。

（1）典型面还原：三维建模时主要参考产品的六视图以及关键位置横截面。优先推导出设计草图造型的典型面有助于设计师确定产品的造型。任何典型面的选取都应建立在简化原则的基础上，如图5所示，对称造型选择对称平面（如图5-A，B）;平行垂直选择正视图、侧视图等（如图5-C为顶视图）。部分特殊位置的横截面也是如此（如图5-D为最大横截面）。

（2）未知造型补足：设计草图传达的信息仅局限于固定的角度[8]，被遮挡的造型还需设计师补足。设计师可参考创意师的建议或根据设计草图的设计风格、品牌语言，结合视觉两原则进行补足。

（3）造型辅助补足：设计师常运用简单、基本的形状经过变形或组合成的新造型图式来创造丰富的视觉动力。视觉有将复杂图形向简单结构发展的倾向[12]，利用这一特性，设计师可对设计草图中的造型进行辅助补足，方便简化建模约束。如图6中，倒圆角正方形A外侧的六个不规则形状可以补足为等同宽度和长度的六个长方形。

（二）三维模型的构建及评价三维建模的过程是不断迭代的过程。设计师需在三维建模的过程中不断地对三维模型做出评价并修改，直至三维模型满足设计师的视觉审美和结构工艺要求。最终得到如图7所示模型效果。三维模型的评价，并非仅针对设计草图的还原度，还包括对产品造型的推敲。三维模型的评价还需辅助视觉两原则，可参考以下方面：第一，静态造型还原，对产品多角度检验，特别以三视图（图7-a）、草图角度视图（图7-b，c）为基准，比对设计草图并确认造型的还原度;第二，动态角度评价，于三维建模软件中旋转三维模型，变换多种角度进行视觉审核（图7-d），确认造型的视觉审美;第三，透视验证，工程类参数化建模软件中的默认透视为等角透视，而非中心透视，需检验三维模型在与现实世界中同等视角视距下的中心透视效果。参数化建模的三维模型将被结构工程师直接使用，并经过结构设计等过程得到工程模型，最终被生产并为用户使用。

结论

设计师以视觉两原则为设计草图认知和三维模型评价的基础，与结构工程师运用同款参数化建模软件进行三维建模，一方面，有利于缩减时间成本，设计师构建的三维模型可直接为结构工程师沿用，并方便双方同步修改;另一方面，有利于保证产品造型的视觉效果一致性，设计师构建三维模型时可将美学要求尽可能付诸产品造型，并进一步推敲产品细节。