基于草图的计算机辅助陶瓷设计技术
胡静芳，李步升
来源：不详 时间：2013-7-16
摘 要：在简述国内外草图技术应用现状的基础上，通过对现有的陶瓷产品设计流程和生产工艺流程进行了深入分析和分解，提出了基于草图的计算机辅助陶瓷设计技术，并在此基础上开发了相应的陶瓷设计软件。
关键词：草图设计； 陶瓷设计； 计算机辅助设计
1 引言
草图是符号系统的一种特殊形式，具有语义、语法和模糊的特征，能满足设计人员纵向和横向的思维活动。通过手绘草图，设计师可以定义图形的大致轮廓形状 （以草图形式表达的拓扑结构），将手绘图形的信息转换为几何特征，将图形的线型、线宽及其他信息转换为属性特征，对一个具体的图形对象进行定义。
国际上对草图技术方面进行了大量研究，也开发了不少原型系统，如 UCBerkeley 大学基于 SATIN 自由笔迹应用开发工具包，开发了DENIM 和 SketchySPICE 两个应用实例 。DENIM 是个网站设计工具，支持概念设计阶段的信息处理，允许设计者快速勾画网页，并支持手势设计和笔划处理;SketchSPICE 系统是一个简单的电路设计工具，用户可以勾画与或非门电路及其连接情况，其中加入了特定的识别特征和领域知识。但目前这些系统大多集中于构思结果的表达上，而且对形状构思过程的辅助支持力度不够。国内对草图技术的研究基本上停留在探索阶段，国内外陶瓷产品设计的软件种类不少，但是草图技术在这一方面的应用还是空白。在此所提的陶瓷产品设计智能草图技术就是试图将纸上徒手草绘和 CAD 技术的各自优势集成起来，提供一个智能化的草图平台，在纸上草图和计算机支持的设计技术之间架起一道桥梁。
2 相关研究
智能草图技术是基于对设计思维、草图行为及其特点的研究，纸上草绘和计算机支持的设计技术各自有自己的优势和不足，如果能够将优势融合到一起，将是一件十分有意义的工作。尤其是现在面向后期详细设计阶段的CAD技术已经发展日益完善，开发实现计算机对草图的支持，可以保证计算机对整个设计过程的支持和辅助，将整个设计过程一致地统一起来。而且，计算机本身的优异特性必将提高早期设计阶段的效率和设计水平，特别是通过智能创新技术可以提升草图设计的创新性能。对草图行为深入的理解是实现智能草图技术的关键。草图行为和设计思维密切相关，草图行为是人类内在思维的外化或者具体化，是可视化形象或者设计师感知能力的必要延伸。根据计算机本身的特点，对于计算机支持的智能草图技术，大致可以从 4 个方面来考虑：即智能草图中的自然交互行为、草图表达与自由手绘草图输入、设计意图捕捉与草图识别，以及基于草图的几何建模。图 1 给出了计算机支持的手绘陶瓷图案草图技术体系框架。
图1 计算机支持的手绘陶瓷图案草图技术体系框架
3 系统功能和基本构思
在陶瓷产品设计的初期，设计者的需求往往是模糊的，对自己的设计可能还仅仅停留在风格上的简单描述。设计者一般会根据自己的经验或者根据客户的要求，从自己的案例库中提取一个或几个方案，然后由客户选择并与设计师共同修改设计来完成。这种情况下用户的需求往往与设计师已有的方案有一定的冲突，并不满意现有方案或方案的一部分，还希望看到设计师更多的方案，同时也希望自己能全程参与设计或是发表意见。面对设计过程中客户的这些要求，设计师希望能够快速作出反馈，及时将需求迅速转换为切实可行的草图方案，并根据客户的意见即时进行修改。
针对这些需求，提出通过计算机辅助草图来获取设计师的意图，实现设计过程。所谓草图是指对初步方案的大致描绘，是设计师表达设计思维的一种交互界面，它更注重的是设计构思的表述，而对于尺寸不要求较高的精确度。如在设计的最初阶段，设计师往往采用简单的线条快速地勾画出心目中粗略成型的草图方案。通过简单草图的勾绘，一方面可以即时记录设计师的灵感，同时又可以向客户提供更快更多的设计方案，从而避免了设计师花费大量时间、精力完成的精细方案而又未被客户接受这种情况的发生。这时草图就起到了沟通设计师与客户之间桥梁的作用。
现在的设计者大都已经适应了二维草图设计，但平面设计毕竟不是设计的最终结果，客户希望看到的是陶瓷设计方案的三维效果图。因此本系统的设计功能重点在于一旦二维草图方案得到设计师和客户的认可后，如何转换为三维效果图。设计师在积累了大量的经验和成功案例后，常常采取在以往案例 （包括其他设计师的经验） 的重新组合、修改的基础上完成新方案，因此这时设计的重点是选用何种风格类型的陶瓷部件进行布局，以及如何进行图案设计。为适应设计师的设计习惯，系统将陶瓷产品细分为日用陶瓷、卫浴陶瓷和建筑陶瓷等几类，并将它们的部件三维模型分门别类输入图库，如图2 所示。
图2 陶瓷部件分类图
4 陶瓷草图设计系统构建
基于草图的计算机辅助陶瓷设计系统，以 VC++6. 0 为开发工具，采用 ThinkDesign 分门别类建立三维模型库，包括日用陶瓷、建筑陶瓷和卫浴陶瓷素材库。通过对现有的陶瓷企业中陶瓷产品的设计流程和生产工艺流程的详细研究，对陶瓷产品的设计流程进行深入分析和分解，挖掘出陶瓷三维CAD 系统中需要人机交互的步骤，以及需要由系统自动完成才能更好地提升企业设计产品效率的关键步骤；在对设计流程分解的基础上对要建模的陶瓷产品进行分类，并对复杂的产品完成部件分解。陶瓷产品的分解部件不同于机械行业等其他行业的产品零部件，陶瓷产品的部件分解主要是在设计过程中的部件分解，而最后的产品一般情况下是一个不分割的整体。譬如，在设计过程中，对于日用陶瓷产品中较为复杂的产品“壶”，将其部件分解为壶体、壶把、壶嘴、壶盖和盖钮，有提梁的壶，还有个提耳部件。然后建立各类部件的三维模型素材库，茶壶三维模型素材库如图3 所示。
图3 茶壶三维模型素材库
在引入产品的部件素材库后，一个陶瓷产品的设计步骤和设计流程必将发生革命性的变化，现有的企业也不需要在各个不同的软件系统间将产品的模型倒来倒去造成细节丢失；而且重新设计的产品设计流程也将指导后续的研究过程，帮助完成监督、半监督以及无人监督的设计步骤的选择和实现。例如，要实现一个茶壶的设计，可以根据需要在素材库中选择所想要的各个部件，然后把它们组装在一起，再根据客户的需求对各个部件进行局部拉伸造型，设置参数，最后进行装饰。
该系统依托ThinkDesign 在曲面处理和固体造型的先进技术和内核，利用ThinkDesign 在固体造型处理上的顶级技术GSM，开发简单易用的陶瓷产品异型构造功能，通过建立分类的陶瓷产品部件模型三维素材库帮助产品设计人员快速设计出新产品。
通过这种方法可能产生多个三维模型方案，这是因为从二维图元到陶瓷产品部件素材库中的三维模型是一个一对多的映射；而不同部件的组合则是多对多的映射。多个方案给设计师尤其是需求还不是很清楚的客户提供了更大的选择余地，因此在该设计过程中，客户不仅可以发表意见，甚至可以亲身体验参与方案的选择设计活动。
5 结语
基于草图的陶瓷概念设计技术可以帮助设计师在概念设计阶段充分利用已有的经验和知识，在较短的时间提出高质量的设计方案。同时从系统的三维模型素材库中调出的陶瓷产品部件可以组合出大量的方案，增加了设计师与用户选择的余地。
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