基于虛擬現實的人機交互下協同式產品外觀設計

劉蘭蘭

摘 要： 為了解決當前產品外觀設計方法很難完全模擬人類智能對產品外觀進行設計的問題，提出一種新的基于虛擬現實的人機交互下協同式產品外觀設計方法，給出虛擬現實設計環境總體結構，在虛擬環境下，計算機主要負責對符合約束的方案進行求解，而設計者主要負責確定產品外觀設計過程中的變量、約束條件及設計目標等，令二者協同設計產品外觀，獲取最佳設計方案。為了更好地實現人機交互，對設計者知識描述進行轉換，依據創新元對設計者決策信息進行分類、描述以及保存。通過再次轉換將參數確定問題變成基本參數描述問題，以確定設計參數。實驗結果表明，所提方法魯棒性和多樣性高，且設計的產品外觀普遍評價較高。

關鍵詞： 虛擬現實； 人機交互； 協同式； 產品外觀設計； 魯棒性； 多樣性

中圖分類號： TN98?34； TP391.72 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0111?04

Virtual reality based collaborative product appearance design

under human?computer interaction

LIU Lanlan

（School of Mechanical Engineering， Wuchang Institute of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： Since it is difficult for current product appearance design method to design the product appearance by means of complete simulation of human intelligence， a virtual reality based new collaborative product appearance design method under human?computer interaction is proposed. The overall structure of virtual reality design environment is given. The computer in virtual environment solves the scheme conforming to the constrain， and the designer determines the variable， constraint conditions and design goals in product appearance design process. The above two items are collaborated to design the product appea?rance， and obtain the optimal design scheme. In order to realize the human?computer interaction better， the knowledge description of the designer is transformed， and the decision information of the designer is classified， described and saved according to innovation element. The parameter identification problem is transformed into a basic parameter description problem for a second time to determine the design parameters. The experimental results show that the proposed method has strong robustness and perfect diversity， and its evaluation of product appearance is generally high.

Keywords： virtual reality； human?computer interaction； collaboration； product appearance design； robustness； diversity

0 引 言

產品設計過程是一個復雜的、不確定性高的推理過程，應用廣泛，涉及大部分領域[1]。近年來，人們對產品外觀設計的要求越來越高，為了有效實現個性化的產品外觀設計，需采用一種便于更改的設計方法[2?3]。

文獻[4]提出一種基于特征部件的產品外觀設計方法，按照功能對產品外觀進行劃分，利用CAD把不同功能單元聚集在一起，實現產品外觀設計的多樣性，對不同外觀進行評價，得到滿足設計者需求的設計方案。該方法雖然實現過程簡單，但不易實現；文獻[5]從知識重用方面對產品外觀設計過程中的知識進行劃分，以獲取設計者設計知識及用戶需求知識。在此基礎上塑造產品外觀知識重用原型系統，獲取設計方案。該方法設計效率高，然而過于依賴先驗知識，獲取的結果無法達到用戶要求；文獻[6]提出一種基于Java的產品外觀設計方法，在產品外觀設計系統中引入能夠改變皮膚的外觀Synth，其無需編程即可實現產品外觀設計。該方法設計效果好，但成本較高。

針對上述方法的弊端，提出一種新的基于虛擬現實的人機交互下協同式產品外觀設計方法，給出虛擬現實設計環境總體結構，在虛擬環境下通過人機交互獲取最佳設計方案，通過知識描述再次轉換確定設計參數。實驗結果表明，所提方法魯棒性和多樣性高，且設計的產品外觀普遍評價較高。

1 基于虛擬現實的人機交互下協同式產品外觀

設計

1.1 虛擬現實設計環境總體構架

在虛擬現實環境下進行產品外觀設計的關鍵是塑造產品模型工作的虛擬環境，本節設計的虛擬現實環境總體結構用圖1進行描述。

虛擬現實環境通過虛擬現實技術塑造三維環境，在通過CAD技術對產品外觀進行設計時，可把設計模型導入虛擬現實環境中[7]，對產品外觀相關參數進行調整，設計者得到滿意的設計方案后，即可退出虛擬現實環境，將最終的設計數據反饋至CAD系統中，從而實現產品外觀設計[8]。

1.2 人機交互下協同式產品外觀設計

在虛擬環境下，當計算機不能有效模擬人類智能時，需將人機結合在一起，協同實現產品外觀的設計[9?10]。為此，本節提出一種人機交互下協同式產品外觀設計方法，把產品外觀設計過程看作一個約束判斷與求解過程，其功能模型用圖2進行描述。

在對產品外觀進行設計時，計算機主要負責對符合約束的方案進行求解，將繁雜的計算工作交給計算機處理，將決策工作交給設計者，令二者協同設計產品外觀，獲取最佳設計方案。

1.3 產品外觀設計

1.3.1 設計者知識的描述轉換

假設用[eij1

式中[Ei=ei1，ei2，…，eij，…，eik]。依據設計者知識類別，通過各種描述轉換方式和規則，利用數據挖掘法實現設計者知識描述轉換。

1.3.2 設計參數確定

產品外觀設計過程中涉及的參數均可通過再次轉換變成基本參數描述問題，公式可描述為：

式中，[X0=x10，x20，…，xj0，…，xn0T，][X0∈Rn，][xj0]描述產品外觀設計中的功能參數；[A]描述參數轉換矩陣，其計算公式如下：

因為不同產品外觀設計參數之間存在一定的關系，所以它們之間有矛盾沖突，產品外觀設計過程即解決參數沖突的過程。整個解決過程可通過產品設計問題求解狀態空間實現：

式中，[-xi，xj]用于描述參數[xi]和[xj]之間的沖突解決矩陣；[FX]用于描述產生沖突解決與問題狀態轉化的操作。

通過上述分析可獲取下述針對創新設計問題的解決狀態空間，可用以下兩元組進行描述：[P：Xs，Xr，]其中[Xs]用于描述初始問題狀態矢量：

也就是設計者最初對產品設計求解的期望。[Xr]代表通過TRIZ矛盾關系矩陣解決設計問題，公式如下：

依據上述分析，可通過兩元組[Xs，Xr]對設計者知識語義模型進行描述，通過評價器獲取產品外觀評估結果，得到最佳設計方案。

2 實驗結果分析

實驗首先通過問卷調查的方式對本文設計方法的有效性進行評價，然后通過魯棒性和多樣性對本文方法的設計性能進行量化評價。

2.1 設計評價結果

本文問卷調查對象主要包括在校設計專業本科、碩士、博士生、專業設計師以及用戶，詳細信息用表1進行描述。問卷一共發放400份，收回有效問卷392份，回收率高達98.00%。

分析表2可以看出，針對產品外觀創新性、產品外觀色彩協調性、標識可視性、操作舒適性、產品外觀可識別性、結構簡單度、工藝簡單度、成本及節約原則的評價，本文方法評分結果明顯高于知識重用方法和Java方法，說明通過本文方法設計產品外觀的美觀、操作性、結構工藝及經濟性均優于知識重用方法和Java方法，且本文方法的總分為4.64分，也高于其他兩種方法，進一步驗證了本文方法的有效性。

在競爭日益激烈的產品外觀設計領域，創新性是影響產品競爭力的關鍵因素，下面針對產品外觀設計的創新性進行詳細的測試。將知識重用方法和Java方法作為對比，將創新度作為衡量指標，對本文方法創新性進行評價，結果用圖3進行描述。

分析圖3可以看出，通過本文方法設計的產品外觀創新度曲線一直高于知識重用方法和Java方法，說明本文方法更有利于產品外觀創新性的設計，為產品外觀設計提供了很好的創造環境。

2.2 魯棒性測試

本節將魯棒性和多樣性作為衡量指標對本文方法設計性能進行測試。

性能魯棒性是產品外觀設計性能對性能因素變化敏感程度的體現，當性能因素改變幅度一樣時，性能波動區間越大，則設計方法的性能魯棒性越低，本節通過性能魯棒因子對性能魯棒性進行衡量。

用[x]描述性能指標因素，[y]用于描述設計性能，用[Δx]描述允許的性能因素改變區間。針對[x]隨機將其取為[x1，]用[σy]描述[y]在[Δx]下的擾動方差，則[σy]即為[y]在[x=x1]處的性能魯棒因子。

本文方法、知識重用方法和Java方法的性能魯棒性因子比較結果用圖4進行描述。圖4中，[x]的變化區間是相同的，也就是[Δx1=Δx2=][Δx3，]但其引起的性能波動卻有很大差異，[σy1<σy3<σy2，]所以本文方法的魯棒性高于知識重用方法和Java方法。除此之外，還可以看出[y1>y2>y3，]說明本文方法性能優于知識重用方法和Java方法，整體性能高。

一般情況下，用戶對產品外形的要求呈多樣性，本節將多樣性指標作為衡量標準，對本文方法的多樣性進行評價。

多樣性指標計算公式如下：

式中：[si，j]表示設計產品外觀[i]和理想產品外觀[j]之間的相似度；[Ru]表示設計方法[u]的設計方案列表。

對本文方法、知識重用方法和Java方法的多樣性值進行比較，結果用圖5進行描述。

分析圖5可以看出，本文方法多樣性曲線較高，且波動平穩，明顯優于知識重用方法和Java方法，說明本文方法的多樣性強。

3 結 論

本文提出一種新的基于虛擬現實的人機交互下協同式產品外觀設計方法，給出虛擬現實設計環境總體結構，在虛擬環境下，把產品外觀設計過程看作一個約束判斷與求解過程，將人機結合在一起，協同實現產品外觀設計。對設計者知識描述進行轉換，通過再次轉換確定設計參數。實驗結果表明，所提方法魯棒性和多樣性高，且設計的產品外觀普遍評價較高。

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