基于grasshopper 的陶瓷造型參數(shù)化設(shè)計研究

吳俊卿

(無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宜興 214221)

0 引言

以工業(yè)產(chǎn)品為主要對象的產(chǎn)品造型設(shè)計影響因素大致分為物質(zhì)功能、造型藝術(shù)和物質(zhì)技術(shù)條件三要素[1]。長期以來，為迎合生產(chǎn)工藝的需要，在造型方面，傳統(tǒng)的以機械壓坯成型和石膏模注漿成型為主的生產(chǎn)方式更多是生產(chǎn)一種規(guī)矩、穩(wěn)重、幾何化、簡潔化特征的日用陶瓷產(chǎn)品，缺乏個性和人情味，已經(jīng)無法適應(yīng)人們的現(xiàn)實需求[2]。為了滿足當下多樣化的需求，迫切需要新的設(shè)計方法。在滿足生產(chǎn)的前提下，能夠增加造型的趣味性和觀賞性。Grasshopper 參數(shù)化設(shè)計方法作為一種約束型設(shè)計，改變傳統(tǒng)設(shè)計發(fā)散性的設(shè)計方法，通過建立邏輯關(guān)系制定特定算法規(guī)則來實現(xiàn)設(shè)計目的。并且其“動態(tài)”找形過程，有助于設(shè)計師兼顧審美和生產(chǎn)的需求，為陶瓷造型的創(chuàng)新開拓新的途徑。

1 參數(shù)化設(shè)計概述

參數(shù)化設(shè)計（parametric design）是一種基于算法思維模式的處理方法，可以將各方面條件因子有效地組織起來，通過定義規(guī)則、組合排列及編碼等方式來實現(xiàn)可視化的設(shè)計意圖[3]。參數(shù)化設(shè)計最大的特點不是直接通過曲面建模來產(chǎn)生造型，而是通過可視化編程，建立邏輯規(guī)則和改變參變量來進行造型的修改與調(diào)整。在規(guī)則建立完成后，設(shè)計師通過調(diào)整參數(shù)數(shù)值，得到一系列的結(jié)果，海量的生成形態(tài)又便于設(shè)計師探索觀念與形式的創(chuàng)新表達[4]。陶瓷造型在設(shè)計過程中非常注重“成套”“系列”的設(shè)計結(jié)果，通過在陶瓷造型設(shè)計中引入?yún)?shù)化的設(shè)計方法，在一定程度上能夠提高設(shè)計效率，增加產(chǎn)品的多樣性以及推進設(shè)計的衍生。

2 grasshopper 參數(shù)化設(shè)計平臺

Grasshopper 是在Rhino 平臺下運行的一款可視化編程插件[5]，主要分為參數(shù)運算器、邏輯運算器和幾何運算器三個部分，每個運算器相當于一個集成的運算代碼。圖1 為Grasshopper 插件運算器分類。邏輯的可視化特點體現(xiàn)在它把編程的基礎(chǔ)代碼轉(zhuǎn)化成運算器之間的邏輯關(guān)系，將設(shè)計過程可視化、精簡化[6]。圖2 為程序示例。設(shè)計師能夠按照設(shè)計意圖，通過運算器的組合，改變參數(shù)運算器的數(shù)值來動態(tài)地調(diào)整造型形態(tài)。

圖1 grasshopper 插件運算器分類Fig.1 Classification of grasshopper plug-in calculator

圖2 程序示例Fig.2 Procedure demonstration

2.1 參數(shù)化設(shè)計邏輯建構(gòu)過程

形態(tài)是陶瓷造型最顯著的視覺特征。在參數(shù)化邏輯建構(gòu)過程當中，設(shè)計師首先確定設(shè)計目標，分析設(shè)計目標的幾何特征，找出幾何運算器中對應(yīng)的幾何運算器，即特征參量。然后根據(jù)形態(tài)的變化特征和grasshopper 的算法規(guī)則，建立參量和邏輯運算器之間的聯(lián)系，生成形態(tài)的原型。最后通過調(diào)整參數(shù)運算器，得到在約束范圍內(nèi)變化的動態(tài)形態(tài)。設(shè)計師通過篩選，得到最優(yōu)形態(tài)。整個設(shè)計流程可以概括為：設(shè)計目標→參量設(shè)定→算法構(gòu)件→參數(shù)調(diào)整→評價→確定[7]。

2.2 grasshopper 參數(shù)化設(shè)計優(yōu)勢分析

2.2.1 動態(tài)調(diào)整設(shè)計過程

在傳統(tǒng)設(shè)計軟件中，以Rhino 為例。形態(tài)的產(chǎn)生需要設(shè)計師按照“點—線—面—體”自下而上的生成規(guī)則來逐步構(gòu)建，每一次形態(tài)的調(diào)整，需要從最底層開始修改。在方案的優(yōu)化階段，對形態(tài)的分析和篩選是必不可少的過程。為了得到最優(yōu)形態(tài)，需要設(shè)計師反復(fù)按照這樣自下而上的規(guī)則來進行建模。其中，包括了很多重復(fù)性的命令選取與執(zhí)行工作，十分耗費設(shè)計師的時間和精力。而在grasshopper 插件當中，設(shè)計師按照設(shè)計目標將一個參數(shù)化程序編譯完成后，只需改變邏輯輸入端的設(shè)計參數(shù)，整個生成結(jié)果會沿著某種形態(tài)趨勢發(fā)生線性變化，通過對模型的觀察，找尋最佳結(jié)果（見圖3）[8]。與人工操作的設(shè)計過程相比，計算機參數(shù)化設(shè)計實際上提供了一個抽象的造型機器。它可以讓設(shè)計過程反反復(fù)復(fù)不斷反饋，輸入不同條件得到多個結(jié)果，并對設(shè)計結(jié)果進行多次修正，這是人工操作做不到的[9]。

圖3 不同參數(shù)值下的形態(tài)Fig.3 States with different parameters

2.2.2 系列化作品生成

基于grasshopper 的參數(shù)化設(shè)計邏輯建構(gòu)過程，可以看作是以設(shè)計結(jié)果為導(dǎo)向。根據(jù)影響設(shè)計結(jié)果的因素，選擇幾何運算器和邏輯運算器，再將各個運算器之間建立邏輯關(guān)系，最后通過調(diào)整參數(shù)運算器的數(shù)值來得到一系列的設(shè)計結(jié)果。和傳統(tǒng)設(shè)計流程相比，在參數(shù)化設(shè)計中自上而下的設(shè)計思路，直接設(shè)計的不是某一個形態(tài)，而是滿足邏輯規(guī)則下，參數(shù)范圍內(nèi)所有的形態(tài)。在一個程序當中，設(shè)計師只要改變參數(shù)的數(shù)值，而不需要改動程序，就能夠產(chǎn)生海量的類似形。通過設(shè)計師的篩選，形成系列化設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計方法帶來設(shè)計的多解性，對個性化需求的解決，產(chǎn)品族的設(shè)計都具有重要的意義[10]。

3 作品“觀云”設(shè)計實例

3.1 概念生成

本次的設(shè)計項目是陶瓷花瓶，在大量搜集和對比國內(nèi)外的資料之后發(fā)現(xiàn)，目前陶瓷花瓶的設(shè)計方法大多是車削成型，通過改變外輪廓線的形狀來產(chǎn)生新的造型。在表面裝飾上，大多是平面圖案或顏色釉?；谝陨蟽牲c，本次設(shè)計將擺脫傳統(tǒng)設(shè)計方法，利用參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)勢，增加作品的個性。通過分析，本次設(shè)計目標主要由形態(tài)和肌理兩部分組成。以下為具體建構(gòu)過程。

3.2 模型形態(tài)建構(gòu)

（1）在rhino 界面中以原點為中心，創(chuàng)建一個圓角矩形。（2）引入等差數(shù)列和移動運算器，讓圓角矩形沿著z 軸方向多次移動，形成陣列。等差數(shù)列的數(shù)量和步數(shù)分別控制圓角矩形的移動次數(shù)和移動距離，從而控制造型的高度。（3）引入縮放和graph mapper 運算器。通過函數(shù)映射的方式，控制每個圓角矩形的縮放量，從而實現(xiàn)控制造型形態(tài)的目的。（4）通過放樣得到造型形態(tài)。

圖4 模型形態(tài)建構(gòu)程序Fig.4 Construction procedure of model pattern

3.3 模型肌理建構(gòu)

在表皮肌理的選擇上，本次設(shè)計將采用曲紋扭轉(zhuǎn)來仿生云的流動。具體過程如下：（1）將放樣后的曲面進行“重新參數(shù)化”，即定義曲面的uv區(qū)間為0 到1，并利用區(qū)間等分，找出V 方向的等值曲線。（2）通過graph mapper 運算器，調(diào)整每個等值曲線接縫線的位置。（3）在等值曲線上進行等分線段，并得到等分點。通過翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)列表，把原來每個圓角矩形上相同列表位置的點重新放入新的路徑結(jié)構(gòu)內(nèi)，并連接成曲線，作為放樣軌跡。（4）提取每根曲線的起始點，相鄰兩點連接成線，并提取中點。（5）將提取的起始點連接成閉合的多段線，提取多段線的形心。（6）建立每個中點到閉合多段線形心的向量，并沿著向量進行移動。（7）將移動后的中點和相鄰的兩個曲線起始點進行三點連線，作為斷面線。（8）利用斷面線和放樣軌跡，通過雙規(guī)掃略的方式得到曲紋扭轉(zhuǎn)的肌理造型（見圖5）。

圖5 模型肌理建構(gòu)程序Fig.5 Construction procedure of model layout

3.4 分析優(yōu)化

優(yōu)化是設(shè)計的最后調(diào)整階段。在grasshopper中體現(xiàn)為：在確定整個設(shè)計的邏輯建構(gòu)過程后，設(shè)計師通過調(diào)整參數(shù)、改變圖形映射器形態(tài)等方式來動態(tài)地調(diào)整造型形態(tài)。即通過“找形”的方式，得到最優(yōu)解，或產(chǎn)生近似的造型和肌理形態(tài)，達到系列化產(chǎn)品的目的。在“觀云”設(shè)計算法中共有6 個調(diào)節(jié)參數(shù)輸入端和2 個圖形映射器，分別控制基本形體和肌理形態(tài)。為了方便研究，本次設(shè)計，主要將通過改變表皮肌理的方式來實現(xiàn)系列化產(chǎn)品的目的（見圖6）。因此，將變量分為兩個部分：一部分是在造型形態(tài)確定合適后的固定參數(shù)；另一部分是影響肌理造型變化的可調(diào)節(jié)參數(shù)。以下用圖表的方式對這些參數(shù)進行分類（見表1）。

表1 “觀云”主要控制參數(shù)Tab.1 Major controlled parameters

圖6 不同graph mapper 形態(tài)下的肌理造型Fig.6 Modeling under different graph mapper states

在生產(chǎn)前的驗證階段，通過分析軟件觀察得知：當調(diào)節(jié)紋理深淺的參數(shù)值過小時，紋理效果不明顯；當參數(shù)值過大時，在生產(chǎn)制造時有一定坍塌的風險。坍塌區(qū)域為造型扭轉(zhuǎn)較大部位。通過分析，降低坍塌風險的主要辦法為降低扭轉(zhuǎn)較大部位處的紋理深淺。具體做法如下：在3.3 模型肌理建構(gòu)中，增加結(jié)束位置斷面線，并且控制斷面線凹凸的數(shù)值和起始位置成負相關(guān)，使紋理深淺呈由凸到凹的變化。經(jīng)過優(yōu)化的肌理效果增加了表皮肌理凹凸的對比感，并且能夠規(guī)避生產(chǎn)時坍塌的風險，兼顧視覺和實際生產(chǎn)的需要。模型和程序的前后對比效果見圖7、8。

圖7 優(yōu)化前后程序比較Fig.7 Procedures comparison before and after optimization

圖8 優(yōu)化前后效果比較Fig.8 Effect comparison before and after optimizations

圖9 參數(shù)化模型建構(gòu)和優(yōu)化過程流程圖Fig.9 Flow chart of optimizing process of parameterized modeling construction

4 結(jié) 論

伴隨著生活方式的改變，大眾對陶瓷造型的需求越來越多樣化。參數(shù)化設(shè)計方法，在陶瓷造型設(shè)計領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實意義。一方面，為設(shè)計師提供了一種全新的設(shè)計思維方法，根據(jù)設(shè)計目的，引入約束條件和變量參數(shù)；另一方面，獨特的“動態(tài)找形”設(shè)計方法，能夠更直觀、快速地進行形態(tài)調(diào)整，有助于設(shè)計師和客戶之間的溝通，并且豐富產(chǎn)品的形式，促進系列化產(chǎn)品的生成。