1、交互環境下的汽車造型特征生成摘要作為973 計劃項目工業（造型）設計專門知識輔助設計系統的課題之一，主要討論了汽車造型設計的特點和在交互環境下的造型特征生成系統框架。從分析工業設計過的認知模型入手，探討了設計概念生成與交互的過程和作用；以造型特征理論研究汽車造型設計的概念生成，研究汽車造型設計中的特征、特征生成的過程、交互環境及作用；以設計理論研究和實踐的方法論基礎，結合汽車造型設計具體特點，為汽車造型設計提供一種基于交互環境的概念生成方法，并建立相應計算機輔助設計模塊。通過對設計流程的分析研究，采用認知心理學、造型特征表達方法、任務分析實驗和計算機技術等，分析、提取汽車造型的基本特征，建立汽

2、車造型特征的層級結構。比較單一環境和交互環境下造型特征生成的實例，并研究在草圖和 CAD 階段特征演化生成的不同過程，建立起交互環境下特征生成的認知模型，再引入了動態連接、扮演、基于案例等方法，并運用 DARIS 計算機的機制來逼近概念生成認知模型。技術：交互；生成；造型特征；認知；基于案例的推理；汽車造型IIAbstractAs a part of the “973” research project on Special Knowledge of Industrial Product Form Design and Computer Aided Design System，this pap

3、er discusses the framework of automobile form features, design process and form features generationin interactive system.Using the form feature theories, this paper analyzes the cognitive mofdesign，the concept generation and the interactive processes in terms of automobile form design. The purpose o

4、f this research is to find out how form features are generated in automobile design processes，and how to build an interaction system. Based on the design theories research and their applications，the paper provides a new design method for automobile form design with an interactive approach.By using c

5、ognitive psychology、form features representation method、task analysis and computer agent technology，this paper analyzes the design process and the capturing and representation of the basic features of automobile form， and establishes the tree framework of the automobile form features.Then the paper

6、compares the cases in the non-interactive system with the one inthe interactive system，and researches the process features in hand sketching and CAD. A cognition minteractive system is proposed. Finally this paperof evolutionary generation of of features generation in thealso introduces dynamic link

7、mechanism、role-play and Case-Based Designintothe m， and uses DARIScomputer agent technology to build this m.Key Words: Interaction ； Generation ； FormReasoning；Automobile formfeature ； Cognition ； Case-BasedIII湖 南 大 學性本人鄭重：所呈交的是本人在導師的指導下進行取得的研究成果。除了文中特別加以標注的內容外，本不包含任何其他個人或集體已經或撰寫的成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和

8、集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全由本人承擔。本的法律后果作者簽名：日期：年月日使用書本作者完全了解學校有關保留、使用的規定，同意學校保留并向有關部門或機構送交的復印件和，被查閱和借閱。本人湖南大學可以將本的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等保存和匯編本學位。本屬于1、2、不，在年。后適用本書。（請在以上相應方框內打“”）作者簽名：日期：年月日導師簽名：日期：年月日I第 1 章緒論1.1 設計流的概念生成階段根據新開發的不同需求，在相關的開發流程探討文獻中，許多國內外的學者提出不同的新開發流程模型。因不同產業界的、目標、策略、組織架構與產業特性的差異，而衍生

9、出不同的開發流程、步驟和方法。構想(Idea)、初期評估(Preliminary依據Cooper1將新開發流程劃分為Assessment)、概念設計(Concept)、發展(Development)、測試(Testing)、工程試產(Trial)和量產上市(Launch)等七個階段。還有一種比較常用劃分方法，將工業設計的設計流程可以分為問題概念化、概念可視化和設計商品化三個階段。本文研究的重點是概念設計（Concept Design）。概念設計活動是一個從設計任務的要求開始，到概念生成及其可視化的過程。不論是設計師的設計，還是團隊設計、協同設計，通過研究影響設計的行為和認知因素就能揭示概念設計

10、活動的根本規律。本質上，設計是一個目標導向的設計問題求解活動，研究從問題域到意義。的具體求解過程、任務和步驟，對于設計研究和設計實踐都具有重要1.2 概念生成與交互環境的理論研究1.2.1 概念生成中的認知行為概念生成是指設計師或設計團隊能迅速產生多個設計概念，是一個思維的過程，也是一種認知活動。傳統概念設計模型將設計作為分階段、線性或循環的過程進行形式化表達（符號化表達）。設計過程按照分類學分解為若干子階段和子任務。盡管各種設計模型命名原則不同， 設計子流程某些主要種類大體一致。設計過程主要被分為：問題/情境、綜合/生成、表達和評價2。無論是人類的思維還是人工智能的思維，都是由原本簡單的元素

11、相連而組成，當這些元素組成一個整體時，他們又變為無限復雜的。設計活動中，概念生成的思維活動一種創造性思維的活動。創造性思維的實質，表現為“選擇”、“”、“重新建構”這三者的關系與統一。創造性思維的關鍵點在進行“重新建構”，有效及時地抓住事物新的本質，構筑新的思維框架。創造性思維包括：靈感思維、發散思維、收斂思維、分合思維、逆向思維和聯想思維3。從方法論上講，強化創造動因的團隊激智方法，如頭腦風暴法、1交互環境下的汽車造型特征生成、CBS法、KJ法等，都會結合運用各種創造性思維方法。研究具體的設計思維過程需要建立認知活動模型4。上世紀80年代，就提出研究設計思維（design thinking）

12、。Schon，D (1983)建立的設計模型能夠從認知方面來獲取“設計師腦中的進程”，即把設計當作一種“反射性活動”，從設計問題到設計結果是一個接受（感知）-反射（解釋）-反應（轉化）的反射活動5。Schon 認為，設計是“與視覺媒介的交互”，目的是“為進一步設計提供信息”，即設計思維的本質是通過與視覺媒介（包括紙媒介、數字媒介等）的交互過程，獲得新的設計信息，實現設計創新。在這個研究中，設計情境（design Scenario）被定義為兩種屬性，也就是兩種問題形式：創造性設計與常規設計；和兩種限制情境：無限制問題與限制問題。1.2.2 設計流的交互環境設計研究表明設計師通常不是顯性地他們按照

13、某種設計交互順序做設計的。對于實踐，研究案例表明設計師應該有意識的運用交互，來實現設計創新6。交互作為一種有效的設計方法，體現了設計思維的本質，是設計研究的重要課題。設計師在或團隊設計概念生成過的交互，是一種認知活動的交互，包括人-機交互HCI（Human-Computer Interaction），人-人交互HHI (Human-Humaninteraction)。交互實質上是“兩個（或多個）參與者之間交替聽、想、說的循環過程”或者說是“兩者之間（無論是生命體還是）連續的作用和反應的過程”。對于設計，交互取決于設計表達和生成，表達是交互的對象，生成是交互的結果。事實上，設計表達和生成能力強的

14、設計師其交互能力和水平也高。圖 1.1設計過程的交互交互的信息是交互的實質，包括數據、圖像、語音、行為7。如圖1.1，交互，交互媒介也可分為傳統的紙媒介（paper-based）和數字媒介(digital media)。過由于紙媒介與數字媒介表達信息的完整性不同，基于紙媒介的交互，其交互信息是相對隱性的，基于數字媒介的交互信息被顯性化了8。后者較于前者，更加系2統化、更加完整表述和更易被人接受和操作。從設計認知活動分析，交互可分為：與自由形態的交互，例如和的手繪草圖之間的交互；與數字形態的交互，如與幾何描述數字模型的交互；與特定機制生成的數字表達的交互，如造型文法或拓撲的生成機制；和與由設計生

15、成工具所表達生成的數字環境的交互9。人-機交互過程實際上是一個輸入和輸出的過程，人通過人機界面向計算機輸入指令，計算機經過處理后把輸出結果呈現給用戶。人和計算機之間的輸入和輸出的形式是多種多樣的，因此交互的形式也是多樣化的。其中數據交互作為人通過輸入數據的方式與計算機進行交流的式，是人機交互的重要內容和形式。人-人的交互是一種交流的活動，可表現為、問答、演說或者會議等，參與者面向不同的聽眾制作不同的表達10。也通過計算機來輔助人-人交互，甚至通過網絡來實現的交互，人-人交互不排斥人-機交互。在數字環境下，可以設計并實現一個原型系統將多個參與和應用程序集中起來，實現不同地點的用戶能同步或異步地交

16、互。也可以通過傳統媒介，運用團隊激智方法在同一地點同步的交互。1.2.3 交互機制理論研究在概念生成階段，設計是一個通過兩個或多個參與者交互而演化想法的努力的過程。在參與者能動的交換各種的知識過的重要活動。想法聯結源自古希臘，乃至源于，想法聯結是一個產生種種創意11。想法聯結可以視為一種激發參與者之間交互的催化劑。通過連接設計者的內在長時記憶和各個參與者的外在知識，而產生種種設計創意。想法聯結是通過連接長時記憶，用一個想法來引出另一個想法的方法。想法聯結在外部環境中，是連接人的內部想法的重要的步驟。Locke(1690)認為此法是通過直覺和反應產生的行為，它把各種想法和人們的知識連接（link

17、）起來12。為了解決設計問題，我們用想法聯結來連接（link）參與者的設計想法和他們個人的長時記憶、專門知識13。這種連接行為被認為既是知識的交互也是系統知識的交互。在古希臘把種種想法連接方法歸納為三個原則：相似律、相對律和鄰近律。這三個原則為概念設計提供了有效的想法連接策略。所謂想法是任務指定的問題的一個解決方案，它包括設計問題，抽象概念和具體例子三部分。通過不同的媒介，如草圖，文字，效的表達由不同的觀點產生的想法14?；驁D象，可以有其實，想法就是Schon提到的“為進一步設計提供信息”的一種表現形式，想法是在交互中的信息。想法的連接過程具有交互模型（圖1.1）中的所有屬性。用設計案例作為產

18、生想法的參考和過去經驗的提煉，是想法連接的重要研究3交互環境下的汽車造型特征生成課題。設計者習慣于把一個設計看作幾個構建元素并用這些元素的屬性來尋找特定設計案例中相關想法。在這個過相關信息。，可以運用想法聯結來搜索設計案例中的人類的獨特性在于他們能用符號來表達想法的意思和用符號來構建相關想法之間的關系15。在設計中，設計者習慣提供一個領域的概念詞匯表來作為表達設計內容中的屬性和關系的符號，并建立他們相關的關系。通過符號，這些想法和它們的轉變為設計者的思維表象和認知操作對象。可以運用想法聯結的三個原則：相似律、相對律和律，來連接設計想法。連接設計想法。在想法連接過，相似律是設計者通過“相似的”律

19、可以通過“相同的解”，來連接擁有不同設計問題的想法。對比律是通過“相對” 的設計問題，來連接擁有不同設計解的想法。設計者通常是用概念詞表來描述設計和連接概念的，如“鋒利的”與“圓潤的”是對比關系，“創新的”與“前衛的”是相16。因此，想法聯結的三原則將設計想法之間不同的關系具現化，被我似們作為理論原理來建立交互機制。1.3 汽車造型特征1.3.1 造型特征相關理論形態是物體的基本特征之一，它是除了物體的位置和方向等性質之外的外表形象17。物體的識別過程簡單說，都是經過對比輸入刺激所形成的表征（即形態） 以及內在儲存的表征來完成的，并對形態特征進行分類、分群（特征集）。因此特征是形態識別的基礎，

20、就形態或造型來說也因各自具有其特征才得以被人所區分。特征是形成的風格、品牌、類型識別的基本，風格是由某些具有共同的特征屬性的特征的一個集合，因而理論性地被命名為某種造型風格。的品牌和類型的形成，同樣是一個特征集合，只是品牌、類型主要用來區分和定義不同的特征來源（企業）和功能特性（如越野車和跑車）。特征總是與過去知覺的各種形態的記憶相。視覺感受的強度，關系到特征形狀的視覺沖擊力和復雜性，使得某些特征較其他特征易于呈現，越有吸引力的特征就越容易被識別，同樣風格、品牌、類型也具有這個屬性?？梢园l現造型的特征不僅能區分出造型之間的差異，也可以區分造型的風格、品牌和類型。汽車造型的特征可以通過認知心理學

21、的識別理論來研究：特征分析法（Feature-analysis theory），是指造型由一些基本的屬性與特征所組成，在識別造型時，是先分析他們的特征，再考慮其特征的量值。造型的風格、品牌和類型的識別過，通常人們將一些日常所接觸、體驗和學習造型的這些特征類加以儲存、記憶，作為識別的基礎。4結構模式(Configuration m）， Garner于1978提出結構模式，結構模式源于完形心理學，它用基本組成元素（特征）及其相互的結構關系對造型進行描述和識別，特征的變化會衍生出許多新生特征（Emergent properties）和關系。由上而下的形態識別理論（Top-down processin

22、g），是一種概念導向的處理，指大腦在進行識別時，主動的先依據腦中所儲存的基礎特征知識來詮釋造型，這個理論接近完形心理學從整體到部分的知覺過程，常被稱為脈絡（Context）效應18。綜上所述，人對造型特征的認知，是經過感知、識別、記憶等過程并而成的。人們通過這種認知，來感知汽車的造型、特征并識別、區分，進而整理歸類和記憶，這是一個不斷的循環并且積累的過程。而在此過，從接收信息、辨別差異、以至風格的識別等，特征都扮演著重要的。1.3.2 汽車造型特征表達汽車造型的曲線、曲面具有自由曲面的復雜、多樣的特點，精確描述汽車造型形態和造型特征，是研究的基礎。點坐標的曲線描述：是一種相當重要的方法。描述汽

23、車造型曲線時會由點來對曲線作定義描述，通過點的調整而得到不同的曲線，其主要運用在CAD的形態頂點 (CV) 就是在三描述中。一個頂點和其所決定其所在的曲線形狀的一個點，的曲線段統稱為樣條 (splines)。頂點的位置決定曲線形狀不同的計算方法，這些方法把樣條區分為Catmull-Roll 曲線、 Bezier 曲線、曲線19。B-Splines 曲線或 NUBRS計測學的描述方式：計測學對汽車造型的描述方式，是經過定義汽車樣本的計測點后，分別以合適的描述作為統計、分析20，如圖1.2。對汽車樣本加以轉換而成形態描述數據，以便本研究中，主要以CAD的形態描述方式來為描述汽車造型中的特征，以計測

24、學的方式來描述特征之間的比例關系和角度關系。研究中通過“造型語匯”、“草圖”和“圖式”的比較來表達知覺經驗和記憶。設計者將設計概念通過解構、衍生等方式，將設計變為一個分階段的流程，對最終的汽車概念、過程進行說明。研究中采用了相關的造型設計方法：5交互環境下的汽車造型特征生成圖 1.2 計測學上的形態描述方法形態分析法（Morphological Analysis），是將設計要素/特征視為整體組合的一部分，將多個特征經過排列組合生成新造型。簡單的說，就是對現有的汽車造型進行解構，對解構后的設計要素進行重新排列組合的造型設計方法。但當特征較多時，會花費大量時間和精力。而且通過它生成的新造型，受限于

25、原有設計樣本的范圍內。造型均化法（Shape average），把汽車造型元素（點、線、面）當作一種可以量化的元素。通過一組造型量化參數來表示造型，再經過平面或立體的構建，將的依據21。如圖1.3， c造型為b、d造型造型參數予以量化平均，作為新造型均化的結果，即中間插補（Interpolation）的結果。若以加入權重，c造型為b、d造型1:1的結果， a、e造型分別為b、d造型加入權重3/1和1/3而得的結果，即外推（Extrapolation）的結果。圖 1.3造型均化法加入權重而衍生的新形態中間插補法（Interpolation），是造型均化法的擴充運用，是一種運算方法。采用造型的排列

26、組合運算及幾何坐標的矩陣運算、中間插補法的算術平均的三種運算，可提供一套供電腦輔助汽車造型設計的模式，以用來衍生造型22。如圖1.4， 造型雙線性的中間插補。造型均化法和中間插值法都歸屬于造型量化法。6圖 1.4 中間插補法圖例造型文法（Shape Grammar），不僅指狹義的特征變化，還包括特征的組合、特征之間的相互關系、特征的次序排列、抽象特征的添加、層次分合、造型節律等。造型文法認為“形是有限的線性排列”，通過標記形（Labeled Shape）作為轉換后特征的特征位置、方向、的基準點。轉換主要是用的觀念，改變造型元素的或反射、旋轉、重疊等來產生新的造型。1.3.3 汽車造型設計流程整

27、車概念設計是指從創意、構思、草圖到模型和概念樣車的全過程活動，也可以說是從到項目確定之間新整車設計的全過程。整車概念設計的牽涉面廣、內容復雜。其設計流程環節很多，且關系復雜，有的需要并行，相互反饋信息，互相支持；有的必須是有先后順序的因果關系。經過比較研究，提出以下整車概念設計的工作流程，如圖1.5。身造型概念設計過程實際上是設計師利用專門知識和經驗對圖中諸多設計約束在一定意義上的“均衡”。整車造型是汽車設計的先行環節之一，也是重要的環節，如圖1.5。現代汽車造型設計的一般流程有如下幾個階段：（1）概念草圖。是設計創意階段，此時的的構思和靈感用手繪的形式快速表現出來。（2）渲染效主要任務是設計

28、者將果圖。是對選定的方案在形態、色彩和材質上進行正確和精密的描述。逼真的渲染效果圖可吸引評審者，使決策者肯定方案。（3）小比例模型制作。體現和修正效果圖中沒有顯示或尚未明確的部位，進一步明確車型概念。做小比例模型前，先制作造型線圖或膠帶圖。（4）1：1模型制作。包括外模和內室模型，用貼膜或噴漆方式裝飾，燈具、附件、裝飾件進行處理。（5）模型風洞實驗。一方面得出整車空氣動力學數據，提出改進方案，另一方面要對局部模型進行評價。（6）表面數據模型。在內、外模型完成后，要對其表面數據進立內、外模表面數據模型。（7）造型凍結。繪和處理，從而建7交互環境下的汽車造型特征生成圖 1.5 汽車概念設計流程其中

29、，草圖階段是概念生成的重要階段，當設計者發展他們想法的時候，通常用一定數量的圖象形式來表達23。通過這些即使在CAD階段都會用到的草圖，可以比其他的媒介更好的表達設計的過程。把不光是想法，還幫助設計者產生想法的草圖稱為概念草圖24-25。在汽車造型設計中，概念草圖是對汽車整體造型的感覺和方向的概括。許多研究者認為設計者可以從概念草圖中獲得比他們畫草圖時所表達的的信息，產生畫草圖之前沒有預期和計劃的新想法。設計者在當時的設計情境中，可以從他們的草圖中發現新的視覺線索來產生新想法。證據顯示設計者如果需要的含義會能動地連接所需的草圖形象。這種現象被認為是設計者與概念草圖的交互而實現新的想法，這也稱為

30、草圖重釋。相對新手，設計者更頻繁的通過草圖重釋來發展新想法，一個重要、更即時地利用知識來生成新方案26。并且設計者不像律就是設計者能師那樣在尋找準確的案例，而是運用類比推理尋找有用的案例。通常這些案例來8自與設計情境不同的領域，運用案例和類比推理是熟練設計者常用的策略。在概念草圖階段，當案例通過草圖而被重新解釋和產生新想法時，設計者是通過相關的形式和符號的運用來實現他們與草圖的交互的。在汽車造型設計概念草圖階段，引入好的交互機制來連接想法，通過設計者與草圖更好交互和運用案例，可以提升設計者的概念生成能力。與傳統的手工方法相比， 采用CAD 技術在計算機上直接進行車身建模， 不僅縮短了大量模型制

31、作和圖形手工繪制的時間， 還大大提高了設計和的精度， 從而最大限度地縮短設計周期， 特別是所得汽車車身的CAD 數學模型可等提供直接數據27。為后續工程分析、工藝設計、本文中，在汽車造型設計的CAD階段，是通過分析2D圖象中的造型特征，分步的在Alias中建立CAD模型?？梢钥偨Y出，在CAD階段，是通過線特征來表現輸入的2D圖象信息的特征，然后由線特征輸出。曲面特征，而實現汽車造型3D模型的圖 1.63D 模型的造型特征生成過程如圖1.6，從概念草圖階段開始，設計師與草圖的交互而生成概念特征，然后在CAD建模型中被分解成線特征，再由線特征轉換為曲面特征，從而實現數字3D汽車造型特征的生成。線特

32、征是指主要曲面塊的構造曲線。線特征的光順性、連續性對構造特征曲面具有決定性的作用。通常要求曲線端部的切矢與曲線的總趨勢一致，以保證曲線之間的光順連續; 曲線在連接點應保證連續; 相對的兩條曲面特征線應保證參數的對應性，以保證構造的曲面不扭曲。在Alias中借助對點的操作來構建曲線， 根據實際情況來生成型值點。所得型值點再生成自由特征曲線，然后借助Alias曲線分析功能對所生成曲線特征進行分析重建。一般要求重建好的曲線和實際曲線的偏差不大于0.25mm， 曲線要求光順即曲率變化連續。車身曲面是由不同曲率空間曲面， 要求相互連接， 光滑過渡， 造型過不可能僅由一曲面完成， 因此需要將車身曲面劃分成

33、曲面特征塊， 然后將這些曲面特征塊拼接成整車曲面。這就需要合理的劃分曲面特征塊。劃分遵循幾個基本原則:在曲面曲率變化小或比較均勻的地方， 曲面塊可以劃分的少一些；9交互環境下的汽車造型特征生成在曲率變化較大或曲率變化不均勻的地方，型， 然后進行拼接；曲面分解為幾個曲面分別造劃分后的曲面塊型值點分布要均勻， 但要保證型值點能夠劃分后的曲面塊盡量為四邊形域曲面， 減少三角形曲面塊。曲面的形狀；1.4 課題來源主持的，重點基礎研究計劃，973計劃項目本研究課題來源于由現代設計大型應用軟件的共性基礎（項目編號：2004CB719400），其中湖南大學負責子課題工業（造型）設計專門知識輔助設計系統（課題

34、編號： 2004CB 719401）?！笆濉笨萍脊リP計劃項目基于設計知識和用戶知識的網絡化數控機在床造型設計與人性化界面技術及運用研究（編號：2001BA203B13-03）和高技術研究發展863計劃項目基于案例的工業設計技術與輔助設計系統及應用研究（編號：2004AA424530）的基礎上，“工業設計專門知識輔助設計系統”研究，以創新概念生成的啟發式思維機制為基本思路，以典型的大型工業-汽造車為重點研究對象，在特定造型設計領域，通過建立面向設計對象的型設計理論模型，以造型專門知識為基礎，研究并構建具有激發創新設計功能的造型設計知識管理和應用系統，并使之成為造型設計技術在制造業推廣應用的技術

35、平臺。課題從2006年2月開始，采用認知心理學和設計研究的理論和方法，清華大學計算機學院，北京61所，對汽車造型設計的相關問題進行深入研究。到2007年初課題組已完成了100個汽車造型設計案例（造型特征集）的獲取、20個汽車造型計情境的構建、相關汽車造型意象例情境的汽車造型計算機輔助設計系統。算法，并在此基礎上建立了基于案1.5 研究方法和途徑通過對設計流程的分析研究，采用認知心理學、造型特征表達方法、任務分析實驗、計算機技術和設計研究的理論和方法，建立設計交互環境來實現汽車造型設計中特征生成系統結構的研究。后面的研究可以分為四個步驟，第一步是對汽車造型基本特征進行分析、提取，并建立汽車造型特

36、征的層級結構。這是本的基礎研究。第二步是單一環境和交互環境下特征生成實例的分析研究，得出后面研究的對象和依據。第三交互環境與演化生成之間關系的研究，研究在草圖和CAD階段特征的演化生成。建立起交互環境下的特征生成認知模型，為后面的系統的建立提供理論支撐。第四較完善的汽車造型生成交互環境的10建立，通過運用基于案例的分類交互結構，來實現我們提出的交互環境下特征生成模型。這個過引入了動態連接、扮演、基于案例等方法，并運用DARIS計算機技術的機制和結構來逼近認知模型。11交互環境下的汽車造型特征生成第 2 章汽車造型特征分析與提取2.1 汽車造型基本類別層：特征線從認知心理學的角度，通過一件復雜的

37、事物的幾個突出標記或特征，就可以識別此事物，還能喚起人對此復雜事物的回憶。特征不僅足以使人把事物識別出來，而且能夠傳達一種生動的印象，使人覺得這就是那個真實的事物的完整形象。Selfridg曾提出以特征識別的認知過程，分為三個階段：第一階段是影象魔，以外來的刺激，并將其轉換為內在表征。然后由第二階段的特征魔執行分析、尋出特征，如造型上的要素：直線、角度、曲線等。這些信息在傳到第三階段的認知魔后，每一個認知魔負責識別一個形態，當一個認識魔找到一個符合它的造型特征，就由決策魔選擇最符合的認知魔，代表外來的刺激，以此確認造型特征。在造型設計中，任何形態都是由點、線、面、體這些基本元素的。點，在幾何學

38、上被界定為沒有長、寬、厚度而只有位置的幾何圖形；線，可以看作是一個點任意移動所面圍成的。的圖形；面是線的集合；體則是由面運動而形成的或是由汽車造型是一個高度復雜的系統，為了更好的獲取和表達汽車造型專門知識， 需要汽車在造型特征的層次結構中確定基本類別層（basic level）。在以點構線、以線構面、以面構體的造型規則中，線是本身具有特征而又能影響整體的最小單位。即是說，我們可以把汽車特征的考慮簡化為對線的特點的考慮。把線特征作為汽車造型的基本元素，在數量上和信息量上最為合理，符合“最小的代價包括最多的信息”的原則。分析汽車造型設計過程，不論是在草圖階段還是CAD階段，線特征都是作為實體而存在

39、并被運用的。在對汽車造型的定量描述（如長度、寬度、圓角、曲率等）過，也是以線為基準來測量的。本文研究中將線特征確定為汽車造型層級結構中的基本類別層，將其特別命名為“特征線”，并且把“特征線”定義為：是與整車造型相關的實體，由相應的實體名稱（汽車造型特征名）標記（如腰線，Belt Line），有特定結構約束和形態內涵。在造型中，對特征形態、表達意象產生重要影響的線條，影響特征與造。（實體，Entity：實際并型情境的存在的事物）。122.2 汽車造型的層級結構：特征集在汽車造型設計中，通常將車身特征分成頂曲面特征、左側圍曲面特征、右側圍曲面特征、前圍曲面特征、后圍曲面特征。這樣的將特征劃分和歸類

40、，在汽車造型設計的草圖階段和CAD階段都有實際而有效的運用。可以把作為表達汽車造型特征的基本類別層的特征線劃分和歸類到不同的特征集合中。本中，特征線分別組成為前圍特征線集、側圍特征線集（左右側圍為對稱）、后圍特征線集和頂特征線集，各個特征線集包含一定數量的特征線； 而這些特征線集分別組成前圍特征集、側圍特征集、后圍特征集和頂特征集，各個特征集由對應的特征線集具現化；最后由這4個劃分出來的特征集組成整個汽車造型。自下而上組成一個汽車造型特征的層級結構。如圖2.1。圖 2.1 汽車造型特征的層級結構特征集是一個由若干特征線的特征概念。的特征的集合，在層級結構中是比特征線更2.3 基本特征線的提取確

41、定了汽車造型特征的層級結構，就可以把具體汽車造型的特征線提取出來。方式是通過10個被試各自提取不同汽車的特征線，分別從側圍特征集、前圍特征集、后圍特征集和頂特征集中提取數量不定的特征線。為一個自上而下的形態過程。為了方便提取和運用特征線，運用“準三維”造型評價的技術，從若干維圖像中提取特征28-29。先把特征投影到側視圖、前視圖、后視圖和頂視圖，再13交互環境下的汽車造型特征生成從這四個視圖中提取特征線。雖然有部分特征線經過投影會產生變形，但是經過分析發現特征線的信息量基本沒有被減少，為了相對直觀和簡便的提取和運用特征線，本研究采取了這種逼近的辦法。在側視圖平面中被提取的特征線，被視為側圍特征

42、集中的特征線；在前視圖平面中被提取的特征線，被視為前圍特征集中的特征線；以次類推。不論從制造工藝還是從視覺感受來看，這4個特征集是相對的，因此以四部分的二維圖形組成汽車車身的準三維模型是符合實際的。統計10個人分別對汽車特征線的提取，總共有41根特征線被提取出，如表2.1。其中在單個特征線集中被提取3次以上的特征線被確認為征線。表中的征線。數字代表其為該特征線集中的征線，總共有28根表 2.1 特征線的提取圖2.2為被提取的41根的特征線在不同特征集中的總示意圖，紅色的線代表為征線。所有被提取的特征線汽車造型特征詞表：圖象中勾畫出，并且將其命名，一個1（側視引擎蓋） 2（側視頂棚線） 3（側視

43、尾箱線） 4（側視車窗上沿線）5（側視車窗下沿線）6（側視翼子板）7（側視輪轂線）8（腰線）9（前視頂線） 10（前窗下沿線）11（前視側輪廓）12（后窗下沿線）13（車窗內沿線）14（側翼突起） 15（內側引擎蓋折線） 16（外側引擎蓋折線） 17（ A柱掃描線） 18（ C 柱掃描線）19（側視保險杠前）20（側視保險杠后）21（前燈）22（進氣格柵）23（后燈）24（俯視保險杠形狀前）25（俯視保險杠形狀后）26（側視引擎蓋折線）27（下部進氣格柵）28（后窗）29（后部門形狀）30（俯視前窗邊線）31（尾部最高線）32（后窗形狀）33（最低部后燈）34（車門下線）35（引擎蓋附加線）3

44、6（側輪廓底部線）37（前輪廓底部線）38（后輪廓底部線）39（俯視兩側輪廓）40（后尾箱邊界線）41（C柱后側延長線）。其中特征線33、37、41出現在具有其他造型特點的汽車中，本示意圖中的汽車造型沒有這3根特征線，所以未被勾畫出。14圖 2.2特征線圖示15交互環境下的汽車造型特征生成第 3 章造型生成實例分析3.1 單一環境下的特征生成實例實例的目的：更好的了解汽車設計者在單一環境下，進行車身造型設計的思維模式和特征生成過程。實例的過程：時間：2006年09月12日地點：長沙，湖南大學，汽車車身先進設計制造研究部實例對象：7名不同設計背景的汽車設計者，汽車造型實例內容：被試根據設計任務書

45、、實驗問卷，自由選擇電腦里面的汽車造型圖片作為參考，用紙和筆設計一款汽車造型，設計方案能夠清晰的反映出設計概念，以及細部的處理，以手繪圖的形式進行提交。總共由7個設計者提供7個設計方案。我們對實例過程進行錄象和和手部動作，另外一個攝像頭。其中一個攝像頭設計者草圖繪制過程設計者整體的行為過程，設計者被要求敘述自己的設計思考過程，用器下來。并下設計者所選擇參考的汽車造型圖片。設計者通過填寫設計問卷下工作背景包括：所從事設計工作的時間、是否從事過汽車造型設計、從事過的設計工作內容。評分：通過4位評審，汽車造型設計問題是典型的工業設計問題，涉及藝術學、心理學、美學及人機工程學等的各種復雜問題。評審設計

46、方案本身和其在設計實踐中典型相關因素，從工程、技術因素、美學因素、商業因素、創新性和總體評價來對以上的7個設計方案打分。評審者瀏覽所有的設計方案，每個15秒，并每個方案由設計過方案錄制下來的設計者的一句話進行設計說明（a one-sentence summary）。打分在1至10之內，1分為最低分，10為最高分，分數精確到數點后一位。然后再瀏覽每個方案所參考的汽車造型圖片，對方案和參考造型的相似性打分，每個方案對比觀察5秒。采用7分量表打分，-3為最不相似，+3為非常相似，0為中常。相似性評價量值精確到整數。實例的分析：對實例結果進行分析發現，設計的方案草圖部分保留了參考造型圖片中的特征，方案

47、草圖在意向尺度上與參考造型基本一致，參考造型對設計的方案草圖有重要直接影響。對汽車造型特征和結構熟悉的設計者在草圖中表現的特征得分較高。而得分高的草圖，在繪畫步驟上與得分低的草圖有不同。得分16高的設計者對特征提取和抽象的能力更強，再現得更加精確，特征表現得也更加確定。表 3.1對 7 個方案的各因數和總體打分如表3.1，對每個方案各因素中的打分代表方案在各個方面的表現。設計方案6除了商業因素，其他得分都為最高；而方案3除了工程，其他得分都為最低。評價結果中也有不規則性，如總體評價得分比所有的單項打分都低（方案2、3、5、7），這說明總體評價和單項打分是相的。相似性打分可以從一個方面反映案例借

48、鑒的程度。如表3.2，是對7個方案的（-2、0），為不相似或中常。說明不是每相似性打分。評分中出現了負分或個方案都是完全參照參考造型設計的。相似性打分均值最高的方案1也是總體評價得分最高的方案之一。而相似性打分均值最低的方案2是總體評價得分倒數第2。結合圖3.1的散布圖所顯示出的，從總體上，相似性評價更高的方案，總體評價都更好。這說明案例運用的更好，對設計總體的幫助更大。表 3.2對 7 個方案的 4 組相似性打分和均值17交互環境下的汽車造型特征生成圖 3.1 相似性與總體評價的關系散布圖進一步分析造型借鑒與創新性的關系。如圖3.2，從散點圖中的總體趨勢上看， 與參考圖片相似性評價更高的方案

49、，創新性評價更好。是因為經過特征的重組和發展后，創新上走得更遠，但在意象上保持相似。這說明案例的運用不但像通常認為的那樣影響創新性，反而是促進創新的。圖 3.2相似性與創新性評價的關系散布圖3.2 選取研究案例從表3.1中分析所得，方案6除了創新性打分為第2高分以外，其他單項打分和總體打分都是最高。而方案6的相似性打分正好處于7個方案的中間位置。把方案6選取出來，作為最優的設計方案典型，又是一個案例運用程度為適中的代表。通過攝像頭所方案6的設計者的草圖繪制過程，和對器下來的錄音進行口語分析設計者的設計思考過程，可以得出優化設計方案中的汽車造型特征生成的流程。結合建立的汽車造型層級結構、提取出的

50、特征線和造型特征詞表，通過分析18草圖繪制過程，可以得出下面的圖3.3。設計者通過4個視圖的草圖繪制來完成對汽車造型特征的設計，并且先后從前45度圖、前視圖、側視圖和后45度圖，按順序分別繪制，不同視圖之間沒有跳躍交叉。圖 3.3汽車造型草圖特征生成過程3.3 交互環境下的特征生成實例實例的目的：運用多個交互方式，研究設計者在一定的交互的環境，車身造型設計的思維模式，特征生成和設計的過程和質量、效率。實例的過程：時間：2006年09月13日-20日地點：長沙，湖南大學，汽車車身先進設計制造研究部實例對象：10名不同設計背景的汽車設計者，汽車造型實例內容： 這個實例為一個實際設計項目，是對一款微

51、型汽車進行造型設計， 生成方案數不限制。10名被試根據事先制訂的整個設計的計劃，包括時間表、團隊合作的方式、制定情境板、草圖重釋方法等。通過這些交互方法，在交互環境中用紙和筆設計汽車造型，生成汽車造型特征，設計方案能夠清晰的反映出設計概念，以及細部的處理，以手繪圖的形式進行提交。并通過文字和圖象下過程。情境板就是收集和設計Theme相關的圖片、實物等等一切對設計師有“刺激作用”的視覺材料。情境板可以稱為對設計的限定性描述，在設計師的設計過時起到引導和提示作用。隨實例具體過程和交互的環境如圖3.4。前期國內外的相關信息、用戶需求和這款車的特點進行了調研，制作成調研報告。并且根據預期的設計目標制作

52、情境板。然后設計者根據調研報告和情境板所提供的設計信息進行設計，即由調研報告、情境板和設計者形成外部交互環境。設計者既與調研報告和情境板進行想法連接而交互又與其他設計者提供的設計信息想法連接而進行交互；而設計信19交互環境下的汽車造型特征生成息和設計者的長時記憶和設計知識形成內部的想法連接而進行內部交互。在此交互環境下，設計者畫出設計草圖對交互產生的設計概念進行表達，具體的表現各自的造型特征。進入下一階段的外部交互環境時，設計草圖之間進行交互，演化生成新特征。然后由對設計草圖進行評估，進一步演化設計概念生成下一階段的草圖修改。評估，最終輸出的方案草圖，為CAD草圖修改之間再演化生成后，再次進行

53、階段提供設計方案。在此階段的交互環境下，草圖之間既相互想法連接形成交互，又與設計評估交互即與意見進行交互。圖 3.4 交互環境的實例，開始形成了大量的設計草圖，通過兩次設計評審以后，保留了3在此過個較優的設計方案。這3個設計方案，因為是相同的調研報告和情境板而產生的，在造型特征上有共通點，又具有不同的造型特征。實例的分析：實例過程的重點在于形成多種分類交互的環境，形成一個不斷演化生成造型特征的過程，使設計概念更加符合設計目標和設計要求，并且在不斷的演化中得到優化。在分類交互中，設計者通過分的利用產生的設計信息和設計者的設計知識。扮演來進行想法連接，充在現實世界中，人總是扮演多重實例中，參與者在

54、回歸他們設計者的首要計可能性之前，設計者通過扮演各種的，在不同場合下以不同的出現。在并通過其設計經驗來發掘更遠的設以用各種情境來連接所持有的想法，如在制作調研報告過扮演用戶、或設計者、被評審者等，來進行想法連接。想法聯結通過設計計劃所構建的連接被包含在參與者的內部和外部交互中，并且利用不同的連接原則來連接和生成各種想法。在概念設計階段，利用扮演可以獲取大量的對想法連接過程的認識，并通過想法連接的過程來研究交互本身。在認知心理學里，扮演的理論提供了扮演可以認為是一種一個對分類交互的重要觀點。在動作和反應的過，近似“現實生活”情節或經驗的方法。在情境中，想法連接可以被分散到一系列在內部和外部知識的扮演和交互中。這導致了基于情境的交互，這個交互將被用作20描述想法連接程序的模型。連接想法，與扮演相似，通常參與到一個“as-if”逼近的過程和依據內部設計知識和外部設計情境而動作/反應的過程。這樣，每個可以通過與別的和設計環境相互交互，而定義扮演之間的兩個交互：內部交互和外部交互。通過連接策略，參與者可以在兩個交互中連接想法。內部交互：在內部相互交互中，每參與者扮演不同并用不同的設計知識來將想法連接到長時記憶。然后會出現許多連接，主要的扮演者將通常選擇被連接得最多的想法作為輸出。外部交互：通過在那些與其他參與