Grasshopper插件在燈具參數(shù)化設(shè)計中的應(yīng)用研究

劉 陽

（成都理工大學傳播科學與藝術(shù)學院，四川 成都 610059）

根據(jù)市場調(diào)查，我國燈具銷售量逐年遞增的趨勢，其巨額銷售量的增長意味著消費者對于燈具的功能和個性要求。傳統(tǒng)燈具設(shè)計的流程包括深入、細化、建模、修改（再建模-再修改）、反饋等，由于建模和修改的過程可能因客戶需求無限次重復(fù)，所以該流程沒有固定的完成時間，這不僅大大耗費了人力物力，還增加了雙方的時間成本。

參數(shù)化設(shè)計是包括數(shù)據(jù)應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及模塊應(yīng)用等多方面的應(yīng)用技術(shù)，不僅能夠縮短產(chǎn)品建模、設(shè)計的周期，還能減少設(shè)計師工作量。因此，文章將利用參數(shù)化設(shè)計的方法，借助Grasshopper平臺，展開對燈具參數(shù)化設(shè)計的具體研究。

1 Grasshopper插件

1.1 插件簡介

用于進行參數(shù)化設(shè)計的平臺有CAD、3D Max及Grasshopper等。其中CAD主要作為幾何繪圖的輔助工具，該軟件對工作環(huán)境要求較少，用戶交互做得較好便于設(shè)計師操作，使用及維護方式較簡單。而3D Max則是通過調(diào)用腳本來進行功能實現(xiàn)，建模速度快，能提高設(shè)計效率的作用。

相較于以上幾種設(shè)計平臺，Grasshopper插件具有其沒有的三種優(yōu)勢：⑴可視化程度高，該插件做出來的模型由運算器和電池等組件構(gòu)成，用戶可以通過運算器和電池的組成清楚判斷其設(shè)計流程；⑵方便數(shù)據(jù)儲存，該插件的儲存模式是分析電池后可以清楚看到其背后存儲的各項數(shù)據(jù)，不單是電池本身，保證數(shù)據(jù)本身的精確度；⑶該插件還擴展性較好，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不僅能用于Grasshopper本身，還可以用于與CAD等軟件進行數(shù)據(jù)交互，不具有太大局限性。

1.2 Grasshopper設(shè)計模式

Grasshopper是一款可視化的編程插件，其可視化的特點對于設(shè)計師的設(shè)計工作來說十分有利，其簡單的節(jié)點有助于設(shè)計師進行相對動態(tài)化、模塊化的設(shè)計。因此，越來越多的設(shè)計行業(yè)，不同產(chǎn)品的設(shè)計工作，開始使用Grasshopper插件，參數(shù)化設(shè)計逐漸發(fā)展起來。

Grasshopper最大的特點即模塊化組成，簡單地來說，即使不精通算法和編程代碼的初學者，也能輕松完成運算器的連接，其組成主要包括運算器和參數(shù)。前者是用來進行信息處理的模塊，與一般設(shè)計插件的幾何功能基本相差無幾，包括點線面等基本的操作，并負責完成數(shù)據(jù)的輸入及輸出。后者主要用于設(shè)計數(shù)據(jù)的存儲，與一般編程軟件相同，參數(shù)包括多種不同的數(shù)據(jù)形式，從數(shù)據(jù)輸入結(jié)點開始，經(jīng)過運算點的層層處理最終得到相應(yīng)的運算結(jié)果，起到控制所生成結(jié)果屬性的重要作用。

Grasshopper插件之所以適合初學者，由于其編程過程是可視化界面，可以很清楚地向用戶展示設(shè)計過程，以及每一個制作步驟使用的運算器。有助于設(shè)計師對作品進行調(diào)整，方便客戶了解設(shè)計思路等。每個板塊代表所使用的一個運算器，每個運算器都有其特定的程序，若需要進行運算器的使用，只需要在插件中進行運算器的首尾連接。

最后，Grasshopper插件的使用可以幫助設(shè)計師較好地解決傳統(tǒng)設(shè)計過程中面臨的不停迭代更改問題，只需要在自己設(shè)定的前提下，對自己輸入端的參數(shù)進行取值的更改，就可以實現(xiàn)整個計算結(jié)果的變化，根據(jù)觀察模型的變化，選擇最佳參數(shù)值。

2 Grasshopper插件在燈具參數(shù)化設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 需求分析

任何產(chǎn)品的設(shè)計過程都是以對用戶需求的分析作為引導(dǎo)的，整個參數(shù)化設(shè)計流程也是，用戶需求分析是整個設(shè)計過程的第一步，也是首要任務(wù)。用戶需求分析主要包括用戶群體，用戶需求以及用戶行為等三大模塊。

首先對用戶群體特征的分析，其操作是針對產(chǎn)品的使用者和相關(guān)人員進行的，即除了直接使用者以外，還需要考慮間接使用產(chǎn)品的用戶的感受。例如學校采購課桌，不僅要考慮學生的需求，還需要考慮教師、家長、管理人員等相關(guān)人員。整合直接使用者和相關(guān)使用者的所有資料，包括性別，年齡，工作性質(zhì)，家庭地域，教育水平等多個方面，進行分析考慮。

其次，對用戶需求的分析通常采用問卷或是線下調(diào)查的方式進行，獲取到不同群體用戶對于相同產(chǎn)品不同的需求。用戶需求按照表達需求來分包括隱性顯性兩種。例如對于一瓶高端的紅酒來說，其顯性的需求體現(xiàn)在作為社交的工具，隱性需求則是對于用戶的尊重。

最后，用戶行為方面的分析主要是在用戶獲得產(chǎn)品之后的使用行為，以及一些下意識的表現(xiàn)。進行這方面的數(shù)據(jù)獲取時，可以通過人員作為用戶進行角色扮演，親身體驗用戶在使用該產(chǎn)品時的內(nèi)心想法和行為舉止。

綜上所述，在進行燈具的參數(shù)化設(shè)計時，要經(jīng)過對用戶需求的三方面分析，才能使得所設(shè)計出的產(chǎn)品更加符合用戶心意和使用方面的行為習慣。

2.2 參數(shù)化

所謂參數(shù)化的過程，就是指定模型約束，對模型進行約束求解并滿足約束的一個過程，其應(yīng)用在設(shè)計過程中，即基于產(chǎn)品在某些參數(shù)上的相關(guān)約束進行建模并求解，從而實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)化。

Grasshopper參數(shù)化的設(shè)計方式可以提高燈飾設(shè)計效率。在以往的燈飾設(shè)計方案中，由于技術(shù)的限制（傳統(tǒng)CG設(shè)計軟件以多邊形手工建模為主要方法），當燈飾設(shè)計方案如果包含復(fù)雜的自然規(guī)律變化，多邊形建模設(shè)計效率會非常低，而且修改設(shè)計方案將會非常困難。使用多邊形建模的燈飾設(shè)計方案屬于CG效果圖，CG效果圖不能直接用手產(chǎn)品后期的加工制造。在燈飾的制造階段，結(jié)構(gòu)工程師只能去參考設(shè)計師的CG效果圖重新繪制燈飾零部件的CAD圖紙，用以后面的模具制造或CNC切割。Grasshopper基于Rhino平臺，而Rhino以NURBS為核心，產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)出相關(guān)圖紙用手后期的產(chǎn)品制造，減少了三維模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，縮短了燈飾設(shè)計開發(fā)周期。

要實現(xiàn)燈具設(shè)計參數(shù)化，首先應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行約束，約束是整個參數(shù)化設(shè)計的核心，需要對燈具的功能、結(jié)構(gòu)和制造過程進行約束，并將這些約束作為集合約束反映到拓撲結(jié)構(gòu)中。例如光源的設(shè)計，光源是整個燈具實現(xiàn)功能的核心，是不可或缺的組成部分，不同規(guī)格、功率、品牌等光源實現(xiàn)的功能都不完全相同，因此，作為制造過程的約束之一，要對單一光源因素的各種參數(shù)進行調(diào)查分析，并指定最合適的約束范圍。

2.3 模型邏輯

所謂模型邏輯的建立，就是根據(jù)不同角度的要求來進行參數(shù)之間關(guān)系的設(shè)定，建立關(guān)系網(wǎng)，選擇合適的參數(shù)，從而滿足設(shè)計師對燈具各個功能的要求。一切與產(chǎn)品最終形態(tài)、功能相關(guān)的因素，都可以作為模型中特定的參數(shù)。例如產(chǎn)品實現(xiàn)的功能、產(chǎn)品外觀以及規(guī)格等參數(shù)。因此在進行設(shè)計建模時，可以將這些參數(shù)可視化，建立相互關(guān)系，形成最后的產(chǎn)品，主要包括材料、外觀邏輯兩種。

前者主要是從生物學和幾何兩種角度出發(fā)的。生物學角度研究動植物的形態(tài)，根據(jù)優(yōu)勝劣汰的原理，能夠長期生存并在生物圈中占據(jù)一席之地的生物，都有自身或外在的因素來適應(yīng)周圍的環(huán)境。例如，燈具的形態(tài)設(shè)計如果參考植物或動物的一些生長特性，其作為一種存在生態(tài)場所中的工具，應(yīng)該與人生存的空間具有協(xié)調(diào)性和連續(xù)性，能夠?qū)崿F(xiàn)人與空間以及空間內(nèi)工具三者的協(xié)調(diào)。

后者從數(shù)學幾何的角度，利用數(shù)學研究視覺上最舒適的組織關(guān)系，用數(shù)學規(guī)律將設(shè)計形象概念化，將這些概念化成果應(yīng)用到燈具參數(shù)化設(shè)計中，能創(chuàng)造出科學原理上符合人的審美的設(shè)計。

而材料邏輯是從燈具的內(nèi)涵方面考慮的，材料是支撐燈具的根本載體，燈具展現(xiàn)出的功能質(zhì)感主要是由其材料的特性所控制的。材料邏輯具體指的是設(shè)計師在確定設(shè)計思路之后，根據(jù)自己的審美方式，用不同規(guī)格的材料去展示產(chǎn)品形式的設(shè)計過程，在設(shè)計制作過程中，需要考慮用戶要求的產(chǎn)品功能，將多種材料的特性與設(shè)計師的設(shè)計要求進行結(jié)合，利用參數(shù)化設(shè)計的工具，快速產(chǎn)生多個設(shè)計方案，根據(jù)每個方案搭配的不同效果選出最優(yōu)的設(shè)計。例如在燈具投入使用時，需要考慮其所屬環(huán)境的溫度、濕度，考慮燈具所用材料防潮、防銹、防腐蝕等性質(zhì)。不僅要選用易于操作的材料、性價比高的材料，還要選擇能發(fā)揮最佳性能的材料作為燈具主體。每種材料都有其自身的特性，為了提高燈具的可用度和可觀賞度，應(yīng)該準確應(yīng)用材質(zhì)特性進行搭配。即使是使用木頭或塑料材質(zhì)，也有聚丙烯、聚氯乙烯等不同材質(zhì)的區(qū)別，這些材質(zhì)具有不同的功能表現(xiàn)力，應(yīng)具體問題具體分析。

2.4 造型參數(shù)化設(shè)計

在進行產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)化的時候，上文中提到主要通過幾何約束和參數(shù)關(guān)系來進行特征說明，使得設(shè)計參數(shù)滿足用戶需求。并在可行方案中選擇一組參數(shù)對最終方案進行約束，根據(jù)這一組約束來進行設(shè)計修改。

目前用于造型參數(shù)化設(shè)計的方法主要包括程序驅(qū)動和尺寸驅(qū)動兩種。前者在使用的時候要針對幾何圖形進行具體分析，分析其特點和參數(shù)關(guān)系，即參數(shù)之間的邏輯聯(lián)系，將這些數(shù)學關(guān)系編寫在邏輯化程序中。使得在后期的設(shè)計中直接輸入具體參數(shù)就能通過這些邏輯關(guān)系直接得出大體數(shù)據(jù)。后者主要是對程序驅(qū)動的拓展應(yīng)用，尺寸驅(qū)動主要是根據(jù)具體尺寸生成基本圖，在圖中進行尺寸標注，這些尺寸在程序編寫的時候進行呈現(xiàn)，在設(shè)計師進行多個參數(shù)修改之后，一次性形成最終成像，且最終圖像滿足用戶最初的約束。

2.5 動態(tài)分析

一般的參數(shù)化設(shè)計過程中，參數(shù)主要包括給定不變的參數(shù)和根據(jù)形態(tài)改變而改變的參數(shù)兩大類。在設(shè)計師進行完模型制作之后，可以通過調(diào)整改變第二種參數(shù)，來改變設(shè)計稿的形態(tài)，觀察最優(yōu)的參數(shù)組合，找出符合用戶要求的最優(yōu)設(shè)計。

以花環(huán)為例，插件中可調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)整界面，前五個參數(shù)可調(diào)整，分別調(diào)整了花環(huán)的上方空心圓的大小、位置，中間圓的大小、位置，以及底部空心圓的大小、位置等參數(shù)。調(diào)整不同的參數(shù)組合，會形成不同的視覺效果，設(shè)計師可以從插件的交互界面直觀地看到設(shè)計效果，因此使用該插件能夠更方便設(shè)計師對參數(shù)進行擇優(yōu)選取。

2.6 最終優(yōu)化

產(chǎn)品設(shè)計最終的優(yōu)化過程，其最初是產(chǎn)品制造的有限資源配置問題，即從不同的可行性方案中，挑選最優(yōu)的一種進行投產(chǎn)。在燈具參數(shù)化設(shè)計的過程中加入優(yōu)化的過程是十分有必要的，不僅可以從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料等方面分析產(chǎn)品是否適合投產(chǎn)加工，還能提高所生產(chǎn)產(chǎn)品的用戶滿意度。例如，用軟件在進行設(shè)計優(yōu)化的時候，由左邊的雙曲面玻璃改進為右邊的單曲面玻璃，不僅能夠在實際投產(chǎn)的時候節(jié)省成本和操作時間，還能縮短生產(chǎn)周期，提高性價比以及企業(yè)利潤，使得產(chǎn)品投產(chǎn)更加合理化，同時也沒有耽誤產(chǎn)品設(shè)計的工藝性。

2.7 用戶滿意度

眾所周知，燈具是具有觀賞性的實用品，不僅僅是照明使用，還在使用過程中與用戶產(chǎn)生交互的過程，只有在設(shè)計時保證其交互過程讓用戶感到舒適，才能讓用戶滿意度有所提升，是一個循環(huán)交互的過程。

因此在進行設(shè)計的時候，不能單一使用無聊的開關(guān)燈方式，設(shè)計師可以適當根據(jù)需求加入一些有趣的元素，增加用戶使用時的情感交互，滿足廣大用戶對于產(chǎn)品的需求。

3 總結(jié)

首先，隨著參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)設(shè)計的體系也不斷完善，有助于設(shè)計師應(yīng)對當前復(fù)雜的環(huán)境和不斷提升的用戶需求；

第二，基于Grasshopper插件的交互式參數(shù)化設(shè)計過程，動態(tài)的設(shè)計方法讓設(shè)計師能夠更加靈活改變設(shè)計，精準控制自己的設(shè)計，根據(jù)用戶具體需求變化、產(chǎn)品功能具體要求等隨時進行設(shè)計方案的改變，改變參數(shù)約束范圍。

最后，作為后來發(fā)展的新型設(shè)計方法，雖然近幾年才越發(fā)普及，被應(yīng)用到工業(yè)、制造業(yè)等生產(chǎn)行業(yè)中，但通過文章對于其在燈具設(shè)計方面的應(yīng)用分析，參數(shù)化設(shè)計的思維適用于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，終將會被普及應(yīng)用。

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，人們對于生活質(zhì)量的要求不斷提升，對于生活用品的質(zhì)量要求也在提升，燈具就是其中之一。作為生活必需品之一，日常使用的燈具在性能、外觀、功能、交互度等方面都有一定程度上的提升，筆者針對燈具設(shè)計行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)進步趨勢進行了分析，展開論述了燈具參數(shù)化設(shè)計的過程，并基于Grasshopper插件進行了簡要介紹。同時進行了應(yīng)用舉例，能讓讀者更加直觀地感受每一個環(huán)節(jié)。

作者簡介：劉陽（1970-），男，籍貫：山東泰安，學歷：碩士研究生，職稱：副教授，研究方向：舞臺影視燈光設(shè)計。