仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品DNA視覺化方法研究

侯幸剛 楊梅 李雪瑞

摘要：為更好地適應(yīng)設(shè)計(jì)人員對(duì)仿生產(chǎn)品造型的認(rèn)知與三維數(shù)字模型構(gòu)建過程，提出一種仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)DNA的視覺化方法。在借助matlab邊緣檢測算法分析產(chǎn)品造型的基礎(chǔ)上，提出曲線外形、曲線圓角、曲線角度3種視覺化規(guī)則，并結(jié)合一個(gè)實(shí)際的仿生設(shè)計(jì)案例進(jìn)行使用說明。通過上述方法進(jìn)行了多旋翼快遞無人機(jī)設(shè)計(jì)，經(jīng)過綜合模糊評(píng)價(jià)結(jié)果是非常符合，驗(yàn)證了此方法的可行性。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品DNA無人機(jī)感性工學(xué)模糊綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2021）02-0011-03

引言

伴隨著2020年新冠疫情的到來，新一輪關(guān)于人與自然和諧的思想爭辯展開，仿生設(shè)計(jì)以自然界萬物的形態(tài)、色彩、聲音、功能和結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，為產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)提供了新的思路、原則、方法與途徑。在人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)與自然的結(jié)合過程中，仿生設(shè)計(jì)使人類社會(huì)與自然高度統(tǒng)一，逐漸成為新的設(shè)計(jì)發(fā)展過程中的亮點(diǎn)，在這次疫情的爆發(fā)期間是值得思考與引起高度重視的。

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)作為一個(gè)持續(xù)的，反復(fù)迭代的過程，類似于生物種族的種群之間的繁衍生殖過程?；诖?，產(chǎn)品DNA概念也被相應(yīng)提出。將基因遺傳與變異的特質(zhì)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)性，探討新的工業(yè)設(shè)計(jì)方法。在更新迭代過程中保證父代特征的情況下增加產(chǎn)品的創(chuàng)意性。

目前已有不少學(xué)者對(duì)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并取得了可觀的成績。在仿生設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主要有以下具有代表性的研究：羅仕鑒團(tuán)隊(duì)【1】對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)基因進(jìn)行了一系列相關(guān)的研究提出了產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的表達(dá)方法;朱上上等【2】提出支持產(chǎn)品視覺識(shí)別的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA研究方法;BEMSEN【3】闡述了摩托羅拉手機(jī)設(shè)計(jì)過程中，基因的提取、表達(dá)和應(yīng)用上述的一些研究多數(shù)利用某種理論或者方法以及某種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，但是在日常的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師更多的會(huì)用自身的設(shè)計(jì)認(rèn)知、設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)情感對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行形態(tài)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，因此所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不但具有外在的形態(tài)屬性，還蘊(yùn)含著設(shè)計(jì)師賦予產(chǎn)品形態(tài)的感性屬性。為了準(zhǔn)確描述和量化這類感性屬性，研究選用感性意象進(jìn)行產(chǎn)品描述，例如：傳統(tǒng)的、時(shí)尚的、精致的、高雅的、科技的等。鑒于此，本文選用感性意象作為概念思維載體對(duì)概念設(shè)計(jì)階段中的啟發(fā)類設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行模糊描述，基于感性工學(xué)造型結(jié)構(gòu)理論提出一種仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品DNA的視覺化方法并應(yīng)用一個(gè)實(shí)際的設(shè)計(jì)案例進(jìn)行方法說明，最后對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)以鑒別該方法的可行性與科學(xué)性。

一、仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品的DNA表達(dá)

產(chǎn)品都是由若干的形狀特征，按照一定的設(shè)計(jì)方法組織而成的。仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品的表達(dá)最重要的就是形成產(chǎn)品外形與生物本征之間的映射模型。改為用戶對(duì)于產(chǎn)品的主觀感受來自對(duì)于產(chǎn)品本身定義的理解，并樂于將其與已知的某種事物進(jìn)行聯(lián)系。用戶對(duì)于產(chǎn)品的造型意像視覺沖擊來源于產(chǎn)品本身的整體造型特征及各部分之間比例關(guān)系4。對(duì)于仿生產(chǎn)品的表達(dá)要提取所仿生動(dòng)物最重要的特征進(jìn)行操作。

（一）仿生產(chǎn)品DNA的提?。何恼绿岢鰧a(chǎn)品的DNA分類為整體造型DNA及部分造型DNA，其中整體造型DNA也可以表達(dá)為通用DNA，即在下次更迭時(shí)所保留的父輩特征，但如果是第一代設(shè)計(jì)產(chǎn)品，則整體DNA亦作為個(gè)性DNA進(jìn)行設(shè)計(jì)。部分造型DNA可分為通用DNA及個(gè)性DNA，在下一代的更新中作為個(gè)性特征進(jìn)行增強(qiáng)或者更換。仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品DNA關(guān)系表示如圖1所示：

（二）產(chǎn)品DNA的表達(dá)方法：本文采用在Matlab軟件中應(yīng)用多級(jí)邊緣檢測算法（Canny邊緣檢測算子），提取圖片外觀形態(tài)特征并借助Coreldraw二維矢量圖設(shè)計(jì)軟件工具對(duì)提取的外觀特征曲線進(jìn)行優(yōu)化和重構(gòu)的方法來得到特征線樣本。其操作過程如圖2所示：

二、仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品的DNA視覺化規(guī)則

依據(jù)產(chǎn)品建模的一般方法，以建模軟件Rhino為研究對(duì)象，任何產(chǎn)品都是由不同的面所構(gòu)成的，而不同的面是由數(shù)條貝塞爾曲線經(jīng)過一系列操作形成，每條線都是由數(shù)目不同的控制點(diǎn)所構(gòu)成。在上文仿生設(shè)計(jì)DNA的表達(dá)中已經(jīng)提出得到特征線樣本的操作方法。由于該方法所形成的主要元素是曲線，因此提出將曲線作為產(chǎn)品DNA表達(dá)的視覺化要素。曲線作為視覺表達(dá)因素需要考慮形狀，角度，連接之間的關(guān)系，基于此提出三種因素的視覺化規(guī)則。

（一）曲線外形的視覺化規(guī)則：對(duì)于任意產(chǎn)品外觀造型，可分為直線、曲線或二者的結(jié)合，且在視覺化過程中可任意修改。貝塞爾曲線依據(jù)位置不同的點(diǎn)描繪出光滑的曲線，并且其形狀可通過控制點(diǎn)位置的變化而變化【5】。符合上述的視覺化要求。因此引入貝塞爾方程作為描述曲線外形的視覺化規(guī)律，其通用數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

由于目前市面上的產(chǎn)品建模工具的精度一般為3次貝塞爾曲線（如圖3所示），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Po，P，P2，P3為曲線的四個(gè)控制點(diǎn);t為從點(diǎn)P。到Pg的時(shí)間變量，tE【0，1】;該曲線從P。出發(fā)，結(jié)束于P3，其中P，P2是控制曲線走向的控制點(diǎn)。

（二）曲線圓角視覺化規(guī)則：每一個(gè)產(chǎn)品的造型都包含數(shù)目不一的圓角，圓角的大小及多少會(huì)給用戶不同的的視覺感受，因此為了增加產(chǎn)品的圓滑程度，在進(jìn)行曲線之間圓角時(shí)候讓銜接曲線盡可能實(shí)現(xiàn)與外觀曲線的相切甚至更高的曲率，本文采取滿足以下條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中x，y分別代表圓角曲線上點(diǎn)的橫縱坐標(biāo);r代表圓角半徑，且r的大小由公式（4）決定，實(shí)現(xiàn)銜接曲線的相切。

（三）曲線角度的視覺化規(guī)則：由于造型中的每一個(gè)曲面是相對(duì)獨(dú)立的存在，因此可以把每個(gè)曲面有微積分思想轉(zhuǎn)化為閉合的n邊形，通過該n邊形內(nèi)各曲線的位置改變其造型意象，因此用如下數(shù)學(xué)式表達(dá)：

式中i為貝塞爾曲線的階數(shù)，本文中取i=3;n為圍成一個(gè)封閉多邊形的曲線數(shù)目;B（前代表貝塞爾曲線的單位切向量5。

（三）模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

由最大隸屬原則可知，最高得分為10.4，屬于非常符合的范疇，此次設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)論

提出了一種進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)DNA視覺化方法，以一個(gè)多旋翼快遞無人機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)際案例的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行方法的展示，并對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)產(chǎn)品完全符合最初的設(shè)計(jì)需求，證明了此方法的可行性。文章也存在一些不足之處：文中方法需要大量的數(shù)據(jù)收集以及計(jì)算，并對(duì)設(shè)計(jì)師的個(gè)人設(shè)計(jì)能力有所依賴，所以在后續(xù)的改進(jìn)中考慮以此方法為基礎(chǔ)引入在線數(shù)據(jù)收集評(píng)價(jià)等功能，提高效率;建立仿生設(shè)計(jì)在線協(xié)同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，減少前期數(shù)據(jù)圖片收集難度，集思廣益，提高仿生設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性。

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（軟科學(xué)項(xiàng)目）：工業(yè)設(shè)計(jì)推動(dòng)山東制造企業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展的路徑與對(duì)策研究（2019RKB01395）;青島市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目：青島特色海洋文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略研究（QDSKL1901141）;山東省藝術(shù)科學(xué)重點(diǎn)課題：山東省文化創(chuàng)意與設(shè)計(jì)服務(wù)云平臺(tái)構(gòu)建策略研究（QN201906118）。

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