虛擬油泥造型系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計初探

楊慧，伍鐵軍

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 引言

一般來講，新產(chǎn)品的研發(fā)都要經(jīng)過市場調(diào)研、設(shè)計、樣模加工、評估、開模、生產(chǎn)和包裝等多個環(huán)節(jié)，在研發(fā)過程中，開模直接影響后期的生產(chǎn)和銷售，模具的制作費用有時高達(dá)幾百萬元，所以在設(shè)計階段需要對設(shè)計方案進(jìn)行反復(fù)地評審，而產(chǎn)品模型可以有效地解決這個問題，因此，建立產(chǎn)品模型成了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，建模的途徑主要有三種:手工制作、快速成型技術(shù)制造、數(shù)字建模。手工制作本身是一種創(chuàng)造性設(shè)計實踐，制作出的實體模型可視、可觸摸，給予人們較多的設(shè)計信息，但出于成本和時間的考慮，設(shè)計師需要根據(jù)產(chǎn)品的形態(tài)，在不同的設(shè)計階段選擇合適的材料來制作模型，因此，設(shè)計師必須對于各種材料、加工工藝都有著很好的認(rèn)識。雖然設(shè)計師可以借助模型師完成這項工作，但這無形中增加了溝通成本，很難保證產(chǎn)品模型的品質(zhì)。在設(shè)計定稿后，需要借助逆向工程的方式轉(zhuǎn)向生產(chǎn)，產(chǎn)生了信息斷點。快速成型技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)產(chǎn)品模型的制作，但與傳統(tǒng)的手工制作相比，成本、精度較高，它雖然簡化了制作環(huán)節(jié)，但同時也淡化了手工制作帶給設(shè)計師的創(chuàng)意能力的培養(yǎng)，不便于設(shè)計師即時調(diào)整設(shè)計方案，一般在設(shè)計方案基本確定之后才會使用?，F(xiàn)有的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件多為數(shù)字建模，建模思路采用基于樣條曲線建立曲面的幾何建模方式，對用戶有較高的數(shù)學(xué)知識要求，用戶需要通過鼠標(biāo)、鍵盤等媒介來控制計算機(jī)，同時輸出的圖形也是平面化的。

現(xiàn)有的產(chǎn)品建模方法都有著各自的缺陷，近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，虛擬油泥造型開始成為建模的新選擇，它能夠為設(shè)計師提供一個虛擬模型制作環(huán)境、制作工具，同時以立體形態(tài)實時地呈現(xiàn)設(shè)計師面前，保證了設(shè)計師的創(chuàng)造性，同時也能很好向生產(chǎn)進(jìn)行過渡。但目前這種建模方法還處于研發(fā)當(dāng)中，為了很好地滿足設(shè)計師對于創(chuàng)造環(huán)境的需求，需要對設(shè)計師和實體油泥造型技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

1 研究方法概述

整個用戶研究過程中采用定量和定性相結(jié)合的方法，具體見表1。背景資料調(diào)查過程中，主要是收集整理現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)，了解油泥模型在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中的使用現(xiàn)狀，油泥模型的制作者及相關(guān)背景，擬定初步的定性研究方案。然后，根據(jù)前期的研究結(jié)果，在模型制作地點與制作者進(jìn)行深入交流，了解他們的知識背景、技能、愛好等，對用戶進(jìn)行分類，建立用戶角色模型。采用外部觀察的方法記錄各用戶角色的模型制作過程，抽取出油泥模型制作的典型用戶情境，進(jìn)一步分析在各個制作環(huán)節(jié)中人、物與環(huán)境三者之間的關(guān)系。在定性研究的過程中也采用了UCD方法，如抽取出油泥模型的基本流程，邀請油泥模型制作者采用卡片分類的方式對流程進(jìn)行階段劃分，確保研究結(jié)果的合理性。

表1 調(diào)研方法、步驟及輸出

2 實體油泥造型技術(shù)研究的展開及結(jié)果

2.1 使用現(xiàn)狀

工業(yè)油泥（圖1）是油質(zhì)的，但在室溫下硬化，加熱后會變軟，才便于塑形。目前，油泥有國產(chǎn)和進(jìn)口兩種，國產(chǎn)油泥冷卻后可塑性差，進(jìn)口油泥屬日產(chǎn)的J525油泥最佳，但價格較為昂貴。油泥往往具有特殊的氣味，對于外行人來說難于習(xí)慣。

圖1 工業(yè)油泥

在工業(yè)設(shè)計專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)中，產(chǎn)品模型制作是一門重點實踐課程，但出于教學(xué)成本的考慮，國內(nèi)的絕大多數(shù)設(shè)計院校往往會選擇石膏、發(fā)泡塑料等較為廉價且易加工的材料來制作模型，只有部分有實力的設(shè)計院校才會使用油泥這樣價格較為昂貴的材料，導(dǎo)致了國內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計師普遍缺乏良好的油泥模型制作能力。

圖2 汽車新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)流程及模型制作順序

目前，油泥模型主要運用于汽車等新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)階段，通常由專門的模型師完成，具體工作流程如圖2所示。當(dāng)設(shè)計師完成線圖后，模型師開始制作比例模型（多為1:4模型）。在比例模型制作的過程中，首先將設(shè)計師的構(gòu)思具體化，然后加強和推敲構(gòu)思，最后讓設(shè)計師進(jìn)一步檢討設(shè)計。如果制作多個模型，需要設(shè)計師決定哪一個模型制作成全尺寸模型。當(dāng)設(shè)計被進(jìn)一步細(xì)化時，模型師需要制作一個全尺寸模型，最終向設(shè)計師展示模型進(jìn)行最終設(shè)計評審，在此時生產(chǎn)設(shè)計定稿，然后利用逆向工程獲取模型上的數(shù)據(jù)，由專門的數(shù)字建模工程師利用計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計軟件完成數(shù)字模型的建立，向生產(chǎn)輸出必要的數(shù)據(jù)。整理后發(fā)現(xiàn)，汽車等新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)流程中的設(shè)計師分工比較細(xì)致（表2），這種合作完成的方式無形中增加了溝通成本，同時也很難保證產(chǎn)品設(shè)計師的創(chuàng)意能夠完美地表達(dá)。

表2 汽車新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)流程中的角色分工

2.2 用戶研究

結(jié)合前期的調(diào)研結(jié)果，最終選擇了南京某高校工業(yè)設(shè)計專業(yè)本科階段開設(shè)的汽車概念設(shè)計課程作為定性研究對象，該課程以團(tuán)隊合作的形式展開，最終成果為1∶4的比例模型，學(xué)校邀請了汽車集團(tuán)的的一位一線汽車產(chǎn)品設(shè)計主管作為客座指導(dǎo)老師。在課程開始前與任課老師、客座指導(dǎo)老師、學(xué)生們交流，了解他們的教育背景、愛好和模型制作經(jīng)驗。在模型制作過程中邀請同學(xué)們采用文字、圖片的方式記錄各自團(tuán)隊的制作過程，記錄各自團(tuán)隊遇到的困難和最終解決方案。

為了保證定性研究的客觀性，又選擇了一位雕塑專業(yè)出身的專業(yè)模型師作為定性研究對象，了解他的相關(guān)背景，采用視頻拍攝的方式記錄他制作汽車油泥模型的過程。通過整理分析，油泥模型制作者主要分為產(chǎn)品設(shè)計師、設(shè)計專業(yè)學(xué)生和模型設(shè)計師（表3，人物姓名均為虛擬）:

表3 油泥模型制作的用戶角色

續(xù)表3

2.3 制作流程研究

通過外部觀察的結(jié)果，分析整理出汽車油泥模型的基本流程為:準(zhǔn)備圖樣和工具，制作帶有坐標(biāo)線的截面樣板，制作內(nèi)骨架，安裝內(nèi)骨架，軟化油泥，上泥油泥，模型初刮，側(cè)面成型，車頭及車尾成型、前罩、車頂面、前后窗及后蓋成型，細(xì)節(jié)成型，貼膜，貼膠條。然后，邀請用戶采用卡片分類的方式對整個流程進(jìn)行階段劃分，最終的結(jié)果為:準(zhǔn)備、貼附油泥、粗刮油泥、精刮油泥、修飾5個階段（表4）。

表4 油泥模型制作的基本流程

研究發(fā)現(xiàn)在油泥模型制作過程中，精刮階段耗時最長，設(shè)計師通常會先構(gòu)思再取樣刮削。最常見的順序是粘貼膠條進(jìn)行設(shè)計構(gòu)思→利用圖樣制作樣板→利用刮刀參照樣板刮削油泥→利用樣板校驗?zāi)Ｐ停@些動作需要身體的頻繁身體移動、雙手操作和眼睛多方位的觀察。

2.4 交互特點研究

按照上述的基本流程，抽取出油泥模型制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)貼附油泥、粗刮油泥和精刮油泥這三個階段，然后利用拍攝的圖片制作成如圖3的記錄。

通過圖片日記可以發(fā)現(xiàn)加工油泥過程中，主要的交互方式是雙手交互。設(shè)計師會在不同的階段，選擇合適的工具進(jìn)行加工，例如貼附油泥時，設(shè)計師直接用雙手來加工油泥，主要的手勢是“推”和“勾”，“推”時用掌部的大拇指球向前推，“勾”時食指呈彎曲狀，用其內(nèi)側(cè)面向回勾拉;在使用刮刀時，通常是右手握刀，然后沿模型曲面進(jìn)行刮削;而在使用大尺寸刮板、刮片進(jìn)行刮削時，為了穩(wěn)定工具保證刮削效果，需要雙手緊握刮板。

圖3 油泥模型制作中的動作圖片記錄

3 結(jié)語

研究發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品油泥模型的制作過程中，制作者雖然不全是設(shè)計師，但都是從事藝術(shù)相關(guān)的專業(yè)出身，有一定的產(chǎn)品模型制作經(jīng)歷，對于制作流程有著比較一致的認(rèn)識。產(chǎn)品油泥模型制作過程中，精刮階段耗時最長，需要根據(jù)不同的刮削面，選擇合適的刮削工具，經(jīng)驗豐富的制作者往往還會制作一些工具，以滿足實際的設(shè)計需求。在制作過程中，為了保證制作精度，需要利用三視圖制作大量的樣板，同時結(jié)合多種測量工具反復(fù)測量模型。在進(jìn)行油泥模型制作時，需要使用大量的工具，而在人們使用工具的行為中，手是最重要的身體部位，其中大量有目的的行動都是通過手與工具（包括油泥及模型）的操作部位的接觸或感應(yīng)來完成的，使用不同形態(tài)、尺寸的工具時，手勢有著比較明顯的區(qū)別。

目前，虛擬油泥造型系統(tǒng)的輸入設(shè)備包括3類:鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套和自然手勢，其中最后一種利用計算機(jī)視覺解放了用戶的雙手，更符合設(shè)計師的操作習(xí)慣。傳統(tǒng)的手工制作油泥模型的建模思路可以簡單概括為“先加后減”，在這種建模思路的虛擬油泥造型系統(tǒng)中不僅需要提供現(xiàn)有的虛擬造型工具，還需要提供工具和樣板制作功能，幫助設(shè)計師更靈活地完成油泥模型的制作。

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