汽車三維噴繪系統(tǒng)界面交互設(shè)計(jì)研究

石婉萍 趙鋒 石毅

摘要：汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國的重點(diǎn)支柱產(chǎn)業(yè)之一，近年來得到了巨大的發(fā)展。但隨著汽車產(chǎn)能的快速提升，消費(fèi)者的購車需求發(fā)生了變化，從傳統(tǒng)的質(zhì)量、安全性、油耗、舒適度等基本需求來看，同等價(jià)位的汽車基本上差異不大，消費(fèi)者更關(guān)注汽車的外觀。隨著噴繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)3D建模技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)等的發(fā)展，目前噴繪系統(tǒng)僅能夠?qū)崿F(xiàn)大面積噴涂的技術(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)，無法滿足用戶對汽車三維噴繪系統(tǒng)的交互操作需要。文章以目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，旨在探索汽車三維噴繪系統(tǒng)高效易用的交互界面設(shè)計(jì)方法，以提升用戶的操作效率和交互體驗(yàn)，并進(jìn)一步提高汽車彩色圖案的精密噴涂質(zhì)量和效率。具體方法是基于目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)方法及流程，分析三維噴繪系統(tǒng)的目標(biāo)用戶特征，通過用戶研究獲取用戶對系統(tǒng)的功能需求，根據(jù)功能需求及噴繪任務(wù)流程劃分界面功能模塊，以目標(biāo)為導(dǎo)向，提出汽車三維噴繪系統(tǒng)界面交互設(shè)計(jì)方法。最后通過五菱宏光MINI EV車身圖案噴繪實(shí)踐，驗(yàn)證汽車三維噴繪系統(tǒng)交互界面的可用性。

關(guān)鍵詞：三維噴繪系統(tǒng)；目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)；交互設(shè)計(jì)；功能模塊

中圖分類號：U468.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）13-0-04

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，汽車涂裝行業(yè)興起并發(fā)展。人們對車身外觀的個(gè)性化裝飾提出了越來越高的要求，這就對車身外表面的圖案噴繪提出了一定的要求。汽車的外觀分為三維造型和彩色車身這兩個(gè)部分，當(dāng)前汽車的三維造型大同小異，采用人工遮蔽實(shí)現(xiàn)“雙色車”已經(jīng)成為批量化噴涂產(chǎn)線的極致工藝。但由于需要人工遮蔽，其效率比單色車身油漆噴涂低，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更多變化的焦點(diǎn)逐漸集中到了汽車車身外表的彩色圖案上。目前，大多采用彩色噴墨打印貼膜車衣再通過人工粘貼來實(shí)現(xiàn)車身外觀變化，個(gè)別采用人工噴繪的方式實(shí)現(xiàn)車身外觀變化。但貼膜車衣由油墨打印而成，存在易褪色、易損壞、人工貼膜質(zhì)量不一等問題，并不能作為大規(guī)模改變汽車車身外觀的方式，人工噴繪更是滿足不了巨大的市場需求。

面對上述問題，研究與落地汽車車身外表的無遮蔽全自動彩色精密油漆噴涂技術(shù)，成為行業(yè)發(fā)展的重中之重?；谇嫖⒌螄娎L技術(shù)的無遮蔽全自動彩色精密噴涂設(shè)備，可以根據(jù)車身面片造型，采用先進(jìn)的算法自動生成精確噴繪軌跡，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制微滴噴頭來實(shí)現(xiàn)個(gè)性圖案的三維彩色噴繪，保證最終的圖案噴繪更加均勻、高效，實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，降低人力成本。為了完成汽車圖案噴繪任務(wù)，相應(yīng)的三維噴繪設(shè)備需要軟件系統(tǒng)配合完成噴繪工作，操作人員通過操作界面控制噴頭來完成噴繪工作。

1 三維噴繪系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者對三維噴繪系統(tǒng)的研究取得了一些成果。美國的STM公司在研發(fā)領(lǐng)域取得了重要突破，推出了一種先進(jìn)的彩色地理模型制作系統(tǒng)［1］。該系統(tǒng)能夠精細(xì)雕刻地理模型，并且能夠通過表面上色技術(shù)賦予模型豐富的色彩和紋理，從而提供更為真實(shí)、立體的三維地理信息和表面顏色信息。該系統(tǒng)主要被應(yīng)用到軍事沙盤和地理模型中［2］。南開大學(xué)的張森［3］等人采用模塊化設(shè)計(jì)思想架構(gòu)設(shè)計(jì)三維真彩色噴繪軟件系統(tǒng)，將軟件系統(tǒng)以模塊進(jìn)行劃分及布局。高艷敏通過調(diào)查和分析不同類型用戶在使用3D打印軟件界面時(shí)的操作行為，了解用戶的認(rèn)知偏好。通過這項(xiàng)研究，她提出了一種基于用戶認(rèn)知偏好的3D打印軟件界面交互設(shè)計(jì)方案，并驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性，為未來的3D打印軟件界面交互設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考［4］。

目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)是一種面向用戶行為的交互設(shè)計(jì)理論和方法，旨在關(guān)注用戶的目標(biāo)和內(nèi)心需求。其核心是通過有效識別用戶的目標(biāo)，并基于設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)出合理的交互行為。當(dāng)前，目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)方法被廣泛應(yīng)用于工業(yè)軟件及B端軟件交互界面設(shè)計(jì)中，但在三維噴繪系統(tǒng)領(lǐng)域未被提及。董晶采用目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)方法，開展地圖設(shè)計(jì)工具平臺交互設(shè)計(jì)研究，有效地提升了地圖設(shè)計(jì)工具平臺的高效性與易用性，具有明顯的實(shí)用價(jià)值［5］。黃文倩探究以用戶目標(biāo)為中心的智能招聘面試系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)方法，致力于提升系統(tǒng)全流程用戶體驗(yàn)［6］。通過上述分析可知，目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)方法可以深入挖掘用戶需求，重視用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)用戶目標(biāo)。因此，本文基于目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)汽車三維噴繪系統(tǒng)交互界面。

從以上分析可知，當(dāng)前對三維噴繪系統(tǒng)的研究，更多的是技術(shù)的突破和功能的疊加，在系統(tǒng)界面的交互設(shè)計(jì)方面存在研究空白，導(dǎo)致用戶交互體驗(yàn)不佳。因此，運(yùn)用界面交互設(shè)計(jì)的相關(guān)理論設(shè)計(jì)三維噴繪系統(tǒng)的交互界面具有重要意義。

2 汽車三維噴繪系統(tǒng)用戶需求及目標(biāo)獲取

2.1 汽車三維噴繪系統(tǒng)用戶需求的獲取

2.1.1 用戶特征分析

三維噴繪系統(tǒng)屬于B端產(chǎn)品，只服務(wù)于企業(yè)內(nèi)部的用戶，不面向其他用戶，因此將目標(biāo)用戶定位為企業(yè)使用設(shè)備系統(tǒng)的操作人員。根據(jù)操作人員的使用經(jīng)驗(yàn)，將用戶細(xì)分為有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)用戶和新手用戶。新手操作人員具有基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)操作能力，但缺乏機(jī)械加工噴繪設(shè)備專業(yè)知識儲備。專業(yè)操作人員可以細(xì)分為普通用戶和專家用戶，普通用戶具備五軸噴繪設(shè)備的基礎(chǔ)知識，但對三維噴繪系統(tǒng)的知識儲備不足；專家用戶具有一定的專業(yè)知識沉淀和豐富的加工制造經(jīng)驗(yàn)，具備明確的目的性和對操作過程及突發(fā)情況的把控能力。

2.1.2 用戶需求獲取

通過用戶訪談得到用戶對系統(tǒng)界面的不滿主要體現(xiàn)在功能不夠完善、界面缺乏引導(dǎo)性導(dǎo)致用戶認(rèn)知困難、交互方式不合理等方面，據(jù)此將用戶需求細(xì)分為功能需求、認(rèn)知需求以及交互需求，具體表現(xiàn)如下。

（1）功能需求：汽車曲面噴涂路徑三維呈現(xiàn)；陣列噴頭工作狀態(tài)監(jiān)測；簡化噴頭參數(shù)設(shè)置流程；錯誤預(yù)警提示；噴頭運(yùn)動坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示；污染性氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（2）認(rèn)知需求：視覺風(fēng)格簡潔；功能布局合理、有邏輯性；數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)；功能作用指引說明；信息層級劃分清晰；錯誤提示控件區(qū)別于其他控件。

（3）交互需求：操作流暢；控件易用；錯誤操作反饋；交互方式具有適用性；自動保存輸入的信息；減少用戶輸入，較多輸入?yún)⒖肌?/p>

2.2 汽車三維噴繪系統(tǒng)功能模塊與設(shè)計(jì)目標(biāo)的對應(yīng)與提取

2.2.1 功能模塊劃分

根據(jù)目標(biāo)用戶對汽車三維噴繪系統(tǒng)的具體需求，可以將界面劃分為以下五個(gè)模塊：噴繪設(shè)備運(yùn)動控制模塊、參數(shù)配置模塊、噴繪設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模塊、運(yùn)動坐標(biāo)及狀態(tài)顯示模塊以及VOCs環(huán)保監(jiān)測模塊，結(jié)合每一個(gè)模塊的具體任務(wù)，可以明確三維噴繪系統(tǒng)功能模塊的子功能元素，更好地梳理系統(tǒng)界面的層級邏輯。具體的功能模塊劃分見表1。

（1）噴繪設(shè)備運(yùn)動控制模塊。噴繪開始前，要先導(dǎo)入編程好的圖案文件，在界面中設(shè)置噴頭移動的位移及速度，以便控制噴頭在相應(yīng)坐標(biāo)軸上移動，從而使噴頭移動到噴繪大致起始位置；設(shè)置噴頭的打印零位，確定噴繪起始位置，每次重新噴繪色漆時(shí)，噴頭都需要回到零位。以上功能之間存在一定的流程及邏輯順序，其目的是在噴繪前期控制噴頭位置，因此，將以上功能劃分為噴繪設(shè)備運(yùn)動控制模塊。

（2）運(yùn)動坐標(biāo)及狀態(tài)顯示模塊。噴頭限位是指X、Y、Z、A軸回零過程中，碰到正負(fù)方向限位開關(guān)后停止軸運(yùn)動。發(fā)生限位后，系統(tǒng)界面相應(yīng)的軸方向需要進(jìn)行預(yù)警提示，用戶得到反饋后進(jìn)行操作，使噴頭離開限位，噴頭限位預(yù)警提示是一種錯誤操作的狀態(tài)顯示及提示。運(yùn)動坐標(biāo)實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示能夠使用戶更直觀地獲取噴繪作業(yè)前后的噴頭位移狀態(tài)，也屬于一種狀態(tài)呈現(xiàn)，因此，將以上功能劃分為運(yùn)動坐標(biāo)及狀態(tài)顯示模塊。

（3）噴繪設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模塊。噴繪設(shè)備開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)界面需要顯示解析編程圖案文件的代碼運(yùn)行畫面。為了更好地監(jiān)測汽車不同曲面面片的噴繪狀態(tài)，界面還需要呈現(xiàn)噴繪圖案的路徑噴涂軌跡，用戶可以通過界面直接獲取汽車圖案噴繪的真實(shí)色彩效果及路徑信息。以上功能是噴繪任務(wù)運(yùn)行時(shí)的路徑狀態(tài)顯示，因此，將其劃分為噴繪設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模塊。

（4）參數(shù)配置模塊。陣列噴頭能夠滿足大面積曲面多色圖案噴繪需求，噴繪過程中用戶需要實(shí)時(shí)監(jiān)測噴頭的工作狀態(tài)，該模塊應(yīng)呈現(xiàn)陣列噴頭的控制方式，用戶能夠選擇噴頭的組合方式，不同噴頭的工作原理有所區(qū)別，因此參數(shù)設(shè)置各不相同。正式噴繪前，還需要設(shè)置噴頭的打印零位參數(shù)。以上功能都是對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此，將其劃分為參數(shù)配置模塊。

（5）VOCs環(huán)保監(jiān)測模塊。開展噴繪工作時(shí)，會產(chǎn)生大量漆霧和揮發(fā)性有機(jī)廢氣，操作人員為了實(shí)時(shí)監(jiān)控噴繪狀態(tài)，需要長期處于該環(huán)境中，污染性氣體會對操作人員及環(huán)境產(chǎn)生一定的危害，而VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）環(huán)保監(jiān)測功能可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)各種揮發(fā)性有機(jī)化合物等指標(biāo)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及超標(biāo)排放報(bào)警，有效控制污染性氣體的排放。因此，將該功能劃分為VOCs環(huán)保監(jiān)測模塊。

2.2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)獲取

基于劃分好的汽車三維噴繪系統(tǒng)功能模塊，并結(jié)合用戶對系統(tǒng)在認(rèn)知及交互方面的具體需求，獲取針對具體模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)（見表2）。

3 汽車三維噴繪系統(tǒng)界面交互設(shè)計(jì)階段

3.1 信息架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車三維噴繪系統(tǒng)界面的用戶需求及設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合具體功能模塊，得到系統(tǒng)界面的信息架構(gòu)（見圖1）。

3.2 交互原型及視覺設(shè)計(jì)

3.2.1 交互原型設(shè)計(jì)

結(jié)合前期5個(gè)功能模塊及界面操作流程的具體分析，可以將主界面總體劃分為“左中右”三欄式，由于三維噴繪系統(tǒng)界面功能較明確，即控制噴頭在相應(yīng)位置進(jìn)行噴繪工作，因此，主界面集中呈現(xiàn)了大部分功能模塊。依據(jù)操作流程、功能作用以及視覺效果，左邊欄為噴繪設(shè)備運(yùn)動控制模塊，也是用戶操作噴繪設(shè)備的首要步驟；中間欄是運(yùn)動坐標(biāo)及狀態(tài)顯示模塊；右邊欄被劃分為上下兩個(gè)部分，分別為參數(shù)配置區(qū)域和噴繪設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)區(qū)域，噴繪設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)通過子界面完整呈現(xiàn)噴繪圖案路徑運(yùn)行畫面。“左中右”的三欄布局形式符合系統(tǒng)界面的操作流程，同時(shí)符合用戶普遍從左到右的瀏覽習(xí)慣。

VOCs環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場工作環(huán)境中油漆、油墨等產(chǎn)生的VOC氣體濃度，具有實(shí)時(shí)GIS地圖、實(shí)時(shí)監(jiān)測污染性氣體濃度、歷史數(shù)據(jù)查詢、氣體曲線顯示、超標(biāo)報(bào)警、超標(biāo)數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)設(shè)置、用戶設(shè)置等功能。用戶可以通過具體操作來監(jiān)測工作環(huán)境中的氣體污染程度，避免揮發(fā)性氣體超標(biāo)，從而對環(huán)境及人體造成危害。VOCs環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)交互原型頁面分為左右兩欄，左欄為導(dǎo)航區(qū)，右欄為監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)。

汽車三維噴繪系統(tǒng)界面交互原型如圖2所示。

3.2.2 視覺設(shè)計(jì)

汽車三維噴繪系統(tǒng)屬于B端產(chǎn)品，面向的用戶是企業(yè)員工，同時(shí)屬于噴繪設(shè)備加工類控制系統(tǒng)，這類產(chǎn)品的界面設(shè)計(jì)要以功能為主，在此前提下考慮視覺元素。根據(jù)產(chǎn)品調(diào)性及用戶特征，產(chǎn)品視覺設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞可以總結(jié)為：工業(yè)化、簡潔、引導(dǎo)、專業(yè)及企業(yè)文化。由以上分析可得汽車三維噴繪系統(tǒng)完整視覺設(shè)計(jì)界面（見圖3）。

3.3 系統(tǒng)測試

本次一共選取5名對三維噴繪系統(tǒng)了解程度不等的用戶，對其開展可用性測試。以五菱宏光MINI EV車身彩色圖案噴繪為例，給5名測試人員指定不同的任務(wù)，通過操作三維噴繪系統(tǒng)界面完成相應(yīng)任務(wù)，詳細(xì)記錄其使用系統(tǒng)界面的過程，從任務(wù)完成率、容錯率、效率、易學(xué)性、滿意度這五個(gè)角度進(jìn)行評估，從而測試系統(tǒng)的可用性。

3.3.1 可用性測試過程

在測試前為不同目標(biāo)用戶設(shè)定相應(yīng)的任務(wù)，全程記錄用戶的任務(wù)完成情況，目標(biāo)用戶類型及具體任務(wù)如表3所示。

3.3.2 可用性測試分析與評估

可用性測試根據(jù)易學(xué)性、任務(wù)完成率、容錯率、效率、滿意度這五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，根據(jù)所有被測試人員的反應(yīng)與反饋進(jìn)行綜合分析，得到意見并總結(jié)其中的問題，進(jìn)一步提出解決方案?？捎眯詼y試結(jié)果與反饋如表4所示。

4 結(jié)語

本文基于目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)在汽車三維噴繪系統(tǒng)界面交互設(shè)計(jì)中的可行性，通過用戶研究深入挖掘用戶需求與設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)用戶對系統(tǒng)的功能需求將界面劃分為具體的功能模塊，以目標(biāo)為導(dǎo)向，針對每一個(gè)模塊提出具體的設(shè)計(jì)方法，并依據(jù)需求及方法進(jìn)行汽車三維噴繪系統(tǒng)功能定義與設(shè)計(jì)實(shí)踐。最后通過五菱宏光MINI EV車身圖案噴繪實(shí)踐，驗(yàn)證了汽車三維噴繪系統(tǒng)的可行性及有效性，為之后的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 加索讓-皮埃爾，澤格魯爾，加布里埃爾·拉米雷斯-托雷斯.一種新型的五軸機(jī)器人，用于在三維寬表面上打印媒體的高分辨率圖片［C］.國際工業(yè)技術(shù)會議，2009：1-6.

［2］ 翟乃軍.三維噴繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.北京：北京印刷學(xué)院，2017.

［3］ 張森，王鴻鵬，陳新偉，等.基于模塊化的三維真彩色噴繪軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［C］//第三十二屆中國控制會議論文集（D卷）.? ［出版者不詳］ ，2013：1552-1557.

［4］ 高艷敏.以用戶認(rèn)知偏好為依據(jù)的3D打印軟件界面交互設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2018（22）：48.

［5］ 董晶.基于目標(biāo)導(dǎo)向的地圖設(shè)計(jì)工具平臺交互設(shè)計(jì)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2019.

［6］ 黃文倩.目標(biāo)導(dǎo)向下的智能招聘面試系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2021.

作者簡介：石婉萍（1998—），女，陜西渭南人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：無遮蔽自動化彩色精密噴涂、汽車三維噴繪系統(tǒng)界面交互設(shè)計(jì)。

趙鋒（1974—），男，陜西洛南人，博士，教授，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)與智能制造、人工智能。

石毅（1972—），男，河南方城人，博士，教授，研究方向：數(shù)控技術(shù)、精密噴涂、自動控制、測控技術(shù)、印刷電子、數(shù)字印刷、工業(yè)自動化。