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1相關(guān)工作

當(dāng)前，已經(jīng)存在很多關(guān)于形狀建模技術(shù)的工作，本文主要針對建模技術(shù)在設(shè)計過程中的應(yīng)用，因此交互式建模技術(shù)為本文主要關(guān)注對象．為了更好地輔助設(shè)計，用戶（設(shè)計師）參與已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用于CAD系統(tǒng)中．通過與用戶合作，基于用戶智能知識，建模技術(shù)能夠承擔(dān)大范圍模型建立項目，例如交互式街道建模框架［9］．新的用戶輸入設(shè)備也被用來提高用戶與系統(tǒng)之間的交流．FreeDrawer［10］是一款草圖系統(tǒng)，能夠采用基于樣條曲線的自由曲面的繪制．用戶通過磁性筆在虛擬的環(huán)境內(nèi)繪制曲線，所繪制的圖像能夠被系統(tǒng)及時接收和顯示．SurfaceDrawing［11］是一款根據(jù)手的運動路徑來產(chǎn)生有機三維形狀的軟件．操作手的行為能夠通過磁性裝置被系統(tǒng)感知并用來產(chǎn)生幾何形狀．ScanModeling系統(tǒng)采用名為“Wakucon”的輸入設(shè)備通過掃描真實物體進行三維形狀生成．通過高科技設(shè)備，用戶?設(shè)計師們能夠在虛擬真實的環(huán)境內(nèi)進行交互式的繪制和建模工作．和這些研究相比，本文更關(guān)注設(shè)計信息的雙向交互．也就是當(dāng)設(shè)計師運用本文提出的方法完成設(shè)計時，其設(shè)計知識能夠被系統(tǒng)感知并保存下來，通過自動化衍生機制進行設(shè)計探索．與其他類似研究不同的是，設(shè)計知識不是由工程人員或研究人員后期分析產(chǎn)生，而是直接獲取自設(shè)計師的設(shè)計過程中．本文提出的方法可以自動完成設(shè)計知識獲取和轉(zhuǎn)化過程．形狀文法能夠通過語法系統(tǒng)將設(shè)計表示為2D?3D的可視化形狀（shape）及迭代算法過程（rule）［13］．基于規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)能夠給用戶提供設(shè)計知識和可視化之間的接口．CGA形狀［14］采用過程建模方法應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，允許用戶通過指定建模模塊進行細節(jié)設(shè)計．壯族形狀文法［15］采用基于網(wǎng)格的形式表示自由、平滑的形狀．通過2D圖案生成表達用戶的主觀感受［16］．衍生設(shè)計方法結(jié)合形狀文法已經(jīng)應(yīng)用于電話衍生設(shè)計中．在上述研究的基礎(chǔ)上，本文對傳統(tǒng)形狀文法進行了改進，提出3種類別的規(guī)則并用來在設(shè)計過程中對設(shè)計信息進行表示和傳遞．

2動態(tài)形狀表示

在設(shè)計方案產(chǎn)生之前，設(shè)計過程充滿了變數(shù)．設(shè)計師通過其行為表達他們的設(shè)計思想，并用來建立設(shè)計概念模型．為了更加接近這一自然設(shè)計過程，本文介紹了一種新的形狀表示法———DSR．DSR形狀通過基本設(shè)計行為對目標(biāo)形狀進行描述和表示．形狀文法通過其定義的規(guī)則集對設(shè)計目標(biāo)進行描繪．規(guī)則可以表示為：A→B，即，形狀A(yù)被替換為形狀B或B的任意形狀子集．一次規(guī)則的應(yīng)用表示一次形狀由A到B的替換．但是，在這一規(guī)則中，形狀如何由A變?yōu)锽的過程是無法體現(xiàn)的．換句話說，形狀由A變?yōu)锽的過程被其結(jié)果所表示．如果能夠表示變化過程而不僅僅是變化結(jié)果，其動態(tài)的過程信息就可以被用在不同的初始形狀A(yù)′中，來產(chǎn)生更多的新形狀｛B1，B2，…，Bn｝．這也就是本文提出DSR形狀的基本思想．本文定義了9個類別的基本形狀規(guī)則———ElementalRule［3］（簡稱ER）．通過對于三維形狀操作的研究［18］，9類ER群體能夠基本覆蓋所有的形狀操作需求，例如Add（添加）、Delete（刪除）、Cutvertices（部分刪除）和Cutedges（部分刪除）．通過上述4類基本形狀操作，本文選用矩形和球作為基本圖元，可以產(chǎn)生9種不同種類的ER規(guī)則［3］．大多數(shù)形狀都可以通過這些ER規(guī)則的結(jié)合使用進行表示．除了正交的形狀，對于具有曲線表面的形狀，可以通過球體作為基本圖元進行生成．定義1．DSR形狀．DSR形狀是一種有限的形狀元素集，通過以特定順序應(yīng)用ER規(guī)則進行生成．一個DSR形狀可以被形式化表示為形狀元素集與有序的ER規(guī)則應(yīng)用序列，｛S＊｜ER（i1），ER（i2），…，ER（in）｝．S＊［19］表示初始形狀或其任意的子集，一般被用來表示ER規(guī)則的左半部分．傳統(tǒng)的規(guī)則應(yīng)用方法為形狀替代［15］，這在基于ER規(guī)則應(yīng)用過程中，會對具有光滑曲面特征的形狀的外觀造成破壞［3］．因此，本文提出一種新的規(guī)則應(yīng)用模式———行為捕獲模式（actioncapturemode，ACM）．定義2．行為捕捉模式（ACM）．行為捕捉模式能夠在保證原有形狀外觀不被破壞的前提下，保留規(guī)則變化意圖．基于物體最小包圍盒，生成物體的形狀為目標(biāo)形狀與規(guī)則右邊形狀的布爾交運算（SObject＿Left∩SRule＿Right）．通過ACM應(yīng)用模式，DSR形狀能夠表示一個規(guī)則應(yīng)用后的形狀變化過程（從規(guī)則的左半部分變?yōu)橛野氩糠郑@確保規(guī)則的應(yīng)用可以不受目標(biāo)形狀的幾何復(fù)雜性約束．換句話說，當(dāng)產(chǎn)生一個DSR形狀規(guī)則后，它可以被應(yīng)用到不同的初始形狀，從而產(chǎn)生不同效果．這與設(shè)計過程的模糊性相吻合．這里通過一個案例展示應(yīng)用ACM模式后的形狀變化．本文邀請一位設(shè)計師設(shè)計了一個概念化的椅子模型，如圖1所示．簡潔和造型的流暢性是唯一對于該造型的前期要求．通過DSR規(guī)則，椅子的概念模型可以通過DSR形狀進行表示．通過圖1所示的DSR規(guī)則可以清楚地看到，椅子模型是由一個立方體變化產(chǎn)生．基于ACM應(yīng)用模式，可以將圖1所示的DSR規(guī)則應(yīng)用到不同初始形狀上，例如杯子形、圓柱體、蘋果形狀和平頭截體，如圖2所示．因為DSR形狀能夠以動態(tài)的形式表示，即形狀的產(chǎn)生過程可以記錄在DSR形狀中．因此，基于DSR的規(guī)則能夠應(yīng)用到不同的初始形狀從而產(chǎn)生更多的新設(shè)計模型．如上面案例所示，設(shè)計行為（從一個實體產(chǎn)生一把椅子）通過DSR形狀保存了下來．在ACM模式的應(yīng)用下，該設(shè)計行為能夠應(yīng)用到不同的初始群體，產(chǎn)生不同效果的椅子模型．下面通過一個小規(guī)模的問卷調(diào)查，對新設(shè)計模型的效果進行評價．200位侯選者被選來進行關(guān)于新模型效果的問卷調(diào)查．其中有170位年齡在20～30歲之間的學(xué)生，以及30位具有3～5年專業(yè)設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計師．問卷調(diào)查包括4個問題：1）請比較圖1與圖2中的椅子模型是否相似？2）圖2中的椅子能否由圖1中的椅子經(jīng)過推理得到？3）請根據(jù)圖1中的椅子形狀，根據(jù)自己的理解進行模型再現(xiàn)．請通過草圖的形式對設(shè)計過程進行可視化．4）請分別從審美、新穎和舒適度3方面對上述5個椅子模型進行評價．在訪問調(diào)查過程中，僅將圖1和圖2中規(guī)則的右半部分展現(xiàn)給問卷參與者．調(diào)查結(jié)果顯示：對于問題1），136人認為相似而52人認為不相似，其余沒有意見．對于問題2），超過60％的參與者認為可以通過推理的方式獲得，并表示這些椅子具有某些潛在的關(guān)聯(lián)．對于問題3），雖然面對相同的椅子模型，不同的參與者給出了多種多樣的生成方法．換句話說，雖然最終模型相同，但是生成的過程卻是多種多樣的．“自頂向下”的設(shè)計模式被廣泛采用．對于問題4），“蘋果型”的椅子被多數(shù)人認為最好看和有新意，圖2中的椅子模型被認為最舒適．調(diào)查后，當(dāng)參與者知道4個新椅子模型是由同一模型推理產(chǎn)生時，都在不同程度上表示了驚訝．他們表示：從同一個模型推理出全部4個新模型對他們來說是非常困難的．這也從側(cè)面表現(xiàn)出DSR形狀的提出能夠反映出設(shè)計過程中的突發(fā)性特征．目前，通過ER規(guī)則庫和ACM應(yīng)用模式，能夠產(chǎn)生多種多樣的三維設(shè)計模型，如圖3所示．

3DSR形狀文法設(shè)計語言

定義3．DSR形狀文法．DSR形狀文法是一個四元集｛S，L，R，I｝，其中：1）S是DSR形狀的有限集合；2）L是標(biāo)簽的有限集合，用于控制形狀文法在時間和空間上的推進；3）R是DSR規(guī)則的有限集合；4）I是一個自由實體，作為形狀文法應(yīng)用的起點，稱為初始形狀．在DSR形狀文法中，設(shè)計過程能夠通過形狀集和規(guī)則集進行表示，進而形成設(shè)計語言［20］．由于DSR形狀可以表示動態(tài)設(shè)計信息（設(shè)計行為），因此該設(shè)計語言可以表現(xiàn)設(shè)計師有意識的行為和思想．在工程設(shè)計中，設(shè)計過程開始自包含設(shè)計問題分析、設(shè)計解空間解析、設(shè)計表達和結(jié)果可視化在內(nèi)的多個循環(huán)．因此在DSR設(shè)計文法中，本文建立了有結(jié)構(gòu)的規(guī)則系統(tǒng)來表示設(shè)計思路。在DSR形狀文法中包括3種類型的規(guī)則：DSR規(guī)則、輔助規(guī)則（auxiliaryrule）和布局規(guī)則（layoutrule）．DSR規(guī)則是用來在設(shè)計過程中產(chǎn)生形狀變化．物理方面的形狀變化可以被DSR形狀表示并保存．輔助規(guī)則主要是用來處理通用的三維模型操作：‘拉伸’、‘縮放’、‘旋轉(zhuǎn)’、‘扭曲’等．在設(shè)計過程中，設(shè)計師會在最終方案確定之前不停地做出決定，關(guān)于當(dāng)前設(shè)計模型的評價和接下來的修改會對整體設(shè)計產(chǎn)生什么影響？通常來說，對于整體設(shè)計產(chǎn)生的影響將會起到主要作用．因此，這種決定將會一直循環(huán)，直至滿意的設(shè)計方案產(chǎn)生．類似于真實的設(shè)計過程，布局規(guī)則主要用于指定當(dāng)前形狀和整體模型的關(guān)聯(lián)和影響．2類特殊的功能規(guī)則被采用：“SliceRule”和“CombineRule”．通過這2個功能規(guī)則，模型可以被分解、合并為任意的子形狀用來承載DSR規(guī)則和輔助規(guī)則的運用．因為設(shè)計過程不是直線型推進，而是螺旋型推進的，本文提出針對布局規(guī)則的3種關(guān)系。圖5a所示的‘梯子’關(guān)系表示設(shè)計過程中的因果關(guān)系：Step2發(fā)生是由于Step1引起的，后面步驟的產(chǎn)生是由于其前面步驟而產(chǎn)生的．在設(shè)計中，前后的因果關(guān)系并不僅僅具有線性繼承和相鄰繼承，也就是說，前面n代的步驟都會對第n＋1代的產(chǎn)生具有影響．并且，其影響并不是隨著相隔代數(shù)的增加而減少（設(shè)計突發(fā)性）．圖5b所示的交叉關(guān)系體現(xiàn)了設(shè)計過程中的選擇性．在上一步的布局行為產(chǎn)生后，有可能會產(chǎn)生多種潛在的設(shè)計推進方法（Step2～Stepn）．圖5c所示的平行關(guān)系體現(xiàn)的是設(shè)計過程中的分離行為，即設(shè)計步驟A1，A2與B1，B2之間的推進是弱連通的，之間沒有必然的聯(lián)系．當(dāng)然，在設(shè)計過程中，每一種類型并不具有清晰的分割，而常常是多種關(guān)系交錯發(fā)生在同一設(shè)計過程中的．本文將圖1所示的椅子概念的設(shè)計作為案例來表現(xiàn)DSR形狀文法的應(yīng)用之一．通過上述調(diào)查問卷，作者邀請了很多職業(yè)設(shè)計師對相同的椅子模型（圖1）應(yīng)用本文所提出的方法進行重現(xiàn)設(shè)計．因此通過DSR形狀文法能夠得到很多不同設(shè)計語言．其中，3種設(shè)計語言被選取作為本文案例，展示3種規(guī)則對于設(shè)計知識的保存和應(yīng)用．在圖6中，設(shè)計語言A共有6步．其中，Step1和Step4為布局規(guī)則．Step2將立方體分割為3部分用來產(chǎn)生扶手—椅子主體—扶手．Step4將椅子主體設(shè)計分為上下2部分．Step3，Step5，Step6屬于DSR規(guī)則，用來對相應(yīng)選取的形狀進行物理外觀的變化．在該設(shè)計語言中，Step2和Step4之間屬于‘階梯’關(guān)系，因為如果沒有Step2，Step4就不會發(fā)生．圖6中設(shè)計語言B分為7步．其中，Step2和Step4為布局規(guī)則，其余為DSR規(guī)則．Step2和Step4之間屬于‘交叉’關(guān)系．在Step2后，以后的操作具有2個選擇．而Step3和Step5屬于‘平行’關(guān)系，也就是說，它們之間沒有必然的先后順序，屬于弱連通．圖6中設(shè)計語言C包括4步．其中Step2為布局規(guī)則，其余為DSR規(guī)則．‘平行’關(guān)系在該設(shè)計語言中得到了體現(xiàn)。上述3個設(shè)計語言的獲取都由系統(tǒng)自動完成的．設(shè)計師被邀請來使用本文建立的3D交互式建模引擎，通過可視化界面和窗口控件交互操作，他們可以像在常規(guī)3D建模軟件中一樣進行工作．與此同時，系統(tǒng)能夠根據(jù)其設(shè)計操作對整個設(shè)計過程通過DSR形狀文法進行獲取和保存，繼而產(chǎn)生設(shè)計語言．本系統(tǒng)采用ACIS技術(shù)，在Windows平臺下運用C＋＋語言實現(xiàn)的。將3個不同的設(shè)計語言應(yīng)用到衍生式設(shè)計框架中，在系統(tǒng)內(nèi)可以快速地產(chǎn)生3種不同的設(shè)計方案群體，如圖8所示．圖8a所示模型是根據(jù)設(shè)計語言A衍生而來的，體現(xiàn)了椅子主體的一體化設(shè)計和懸空椅子扶手的思想．圖8b所示模型是根據(jù)設(shè)計語言B衍生而來的，體現(xiàn)了椅子上下部分不同的設(shè)計風(fēng)格．圖8c所示的模型是根據(jù)設(shè)計語言C產(chǎn)生的，體現(xiàn)了扶手和椅子主體的一體化風(fēng)格．每一個新椅子都能夠通過DSR形狀進行表示和存儲．也就是說，它們都可以做到圖2中類似的衍生式變換．當(dāng)作者將新的設(shè)計模型給3位設(shè)計語言的設(shè)計者觀看時，他們都非常感興趣．他們表示，其原始設(shè)計思路是在本文的3D建模系統(tǒng)中花費了1～2h不等的時間完成的．然而，所有的衍生設(shè)計模型都是在1min內(nèi)通過基于系統(tǒng)自動產(chǎn)生的．這大大節(jié)約了設(shè)計周期．從美觀和創(chuàng)新價值方面，新產(chǎn)生的模型都比較令人滿意．雖然，這些新模型還不能直接作為設(shè)計方案進入產(chǎn)品設(shè)計流程，但它們都表現(xiàn)出原始設(shè)計方案的設(shè)計思想，并且在設(shè)計效果上有了較大的不同，給予設(shè)計者感官上直接的沖擊和新穎的刺激，能夠有助于其設(shè)計知識的擴展和設(shè)計構(gòu)思的產(chǎn)生．

4結(jié)論

本文提出動態(tài)形狀表示法———DSR形狀，其能夠表示形狀變化的動態(tài)信息．在DSR形狀的基礎(chǔ)上，DSR形狀文法的提出和3種類型規(guī)則的引入能夠滿足在設(shè)計過程中獲取設(shè)計知識的目的．通過案例研究，作者邀請設(shè)計師對于相同的設(shè)計模型進行設(shè)計再現(xiàn)．通過衍生式設(shè)計機制，將獲取的設(shè)計語言應(yīng)用到算法系統(tǒng)中，能夠產(chǎn)生出多個不同的設(shè)計群體．經(jīng)過后期的反饋調(diào)查，每個群體都能夠體現(xiàn)原始設(shè)計語言的設(shè)計思路．本文中，無論設(shè)計語言的生成、設(shè)計語言的保存，還是新設(shè)計種群的衍生設(shè)計全部都是系統(tǒng)自動完成的．這樣能夠確保設(shè)計知識在由定性信息轉(zhuǎn)化為定量信息時，信息缺失盡可能地降低．通過前期實驗結(jié)果顯示，基于動態(tài)表示的DSR形狀文法能夠在設(shè)計過程中獲取設(shè)計師的設(shè)計意圖．從設(shè)計師方的反饋來看，這種方法適合于產(chǎn)品概念設(shè)計階段的構(gòu)思過程．本文工作還有很多需要進一步完善的地方．當(dāng)前僅基本形狀圖元（立方體、球體）被考慮．針對復(fù)雜的形狀建模，例如自由曲面形狀建模，還不能完全支持．因此，如何進一步擴展ER規(guī)則庫以適應(yīng)復(fù)雜模需求成為了將來研究的重點之一．當(dāng)前，在設(shè)計語言方面，簡單的設(shè)計過程已經(jīng)進行了實驗．但真實的設(shè)計過程往往更為復(fù)雜，本文的方法針對復(fù)雜的設(shè)計過程是否還能保持相同的實驗效果，還有待于進一步驗證．最后，經(jīng)過設(shè)計師的反饋，新產(chǎn)生出的模型在設(shè)計風(fēng)格方面略有改變．如何通過衍生機制產(chǎn)生大量新穎設(shè)計方案的同時，能夠盡可能地保持設(shè)計風(fēng)格等設(shè)計固有屬性，也成為將來的研究方向．

作者：崔嘉唐明晰劉弘單位：山東師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院山東省分布式計算機軟件新技術(shù)重點實驗室香港理工大學(xué)設(shè)計學(xué)院