材料－工艺计算机仿真的交互式表达研究

钟 厦,陈俊浩,曹晓丽（中国矿业大学艺术与设计学院，江苏徐州， 221116)

材料－工艺计算机仿真的交互式表达研究

钟 厦,陈俊浩,曹晓丽
（中国矿业大学艺术与设计学院，江苏徐州， 221116)

材料-工艺与计算机仿真间形成交互式的工作方式是仿真工作的关键。文章梳理了工业产品材料-工艺计算机仿真中存在的问题，提出了材料-工艺计算机仿真的交互式工作架构，并以汽车钣喷工艺、车漆材质渲染为例，展示了其计算机仿真的交互式工作方法，之后对仿真效果进行评价，得出了材料-工艺进行计算机仿真的交互式原则。

材料工艺；交互；仿真表达

1 工业产品的材料-工艺计算机仿真存在的问题

在工业产品造型设计的过程中，其方案的表达需要将所采用的工艺效果用计算机辅助设计的相关软件把匹配的材料、工艺及最终的工艺效果用计算机仿真的方式表达出来。材料工艺仿真表达的目的是再现真实的材料-工艺，往往需要在材料、工艺观察与理解的基础上，在方案表达中展示对材料、工艺规划的效果，因此对材料工艺的计算机仿真需要与材料选择、工艺选择和工艺效果建立起交互的思维方式，采用交互的表达工作流程。那么，材料工艺的计算机仿真过程存在的问题主要是：

1）产品设计师、CMF设计师在意识上把材料-工艺与计算机仿真分属不同的工作领域。通常情况下会把材料工艺与生产制造环节相对应，而把计算机仿真看作是计算机辅助设计的工作内容，彼此间有效的联系较弱，使得他们用想象替代了现实，过度沉浸在软件使用的过程及追求软件制作效果的“美”感中。故计算机仿真失去了再现真实材料-工艺的作用。

2）在计算机仿真渲染时，过度依赖默认材质库，忽视积累多图层参数化调整的经验。事实上，默认材质不能反映真实的材料-工艺效果，需要产品设计师积累起软件渲染模块中各项指标的参数调整与真实材料-工艺效果的对应关系，以养成材料-工序-工序效果多图层叠加的材质渲染经验。

综上所述，设计师需要养成与真实的材料工艺过程相匹配的思维方式和仿真工作流程。

2 材料-工艺计算机仿真的交互式工作架构

既然计算机表达工作与材料-工艺过程间的仿真过程存在问题，就需要建立交互式的工作思路，如图1展示了工业产品材料－工艺规划设计的主要工作内容（A区）为材料工艺考察、分析及规划，其中表面装饰材料、工艺效果是CMF设计师、产品设计师工作的主要内容（B区），而计算机仿真表达的主要内容如C区所示，通常情况下B区与C区的工作关联性会被设计师人为的忽略。

文章将以Cinema 4D为计算机辅助表达工具，以汽车表面装饰的钣喷工艺过程——使用的装饰材料、工序过程、工序效果为观察对象，来展示车漆材质-工艺计算机仿真的交互式工作过程，以建立多图层应用的计算机仿真过程，实现渲染表达与真实材料-工艺效果高度融合的交互式工作方法，合理建构材料工艺计算机仿真的思维习惯（D区）。

3 案例研究——汽车表面装饰钣喷工艺的计算机仿真交互式表达

3.1 汽车表面装饰钣喷工艺的仿真工作流程

图2为汽车表面装饰钣喷工艺的计算机仿真交互式工作架构。要求设计师到汽车钣喷车间，在工艺人员介绍钣喷工艺流程的基础上，将汽车钣喷的材料、工序、工艺过程、工艺效果作为观察、记录的对象，重点观察记录钣喷工艺使用的表面装饰材料、各工序的工艺效果及工艺叠加后的色彩、肌理、透明度、光滑度、反射性等视觉效果，形成计算机仿真表达的工作任务，通过图层材质的色彩、凹凸、折射、反射等参数的合理设置，模拟每一道工序的视觉效果，最后通过图层叠加渲染，建立多图层工作的意识，合理调整材质参数，完成对汽车钣喷工艺效果的真实再现。具体工作如下：

图1 材料-工艺计算机仿真的交互式工作架构（作者整理）

图2 汽车表面装饰的钣喷工艺计算机仿真交互式工作架构图（作者整理）

表1 汽车钣喷工艺观察任务列表（作者整理）

表2 汽车钣喷工艺记录任务列表（作者整理）

图3 计算机仿真交互式表达思维（作者整理）

Step1观察任务：

表1为材料工艺的观察任务的设计。通过相关讲解对所观察的表面处理工序进行初步的认识，获得进入车间的许可，对工件的表面处理工序进行跟踪观察与理解。

Step2记录任务：

表2 为汽车钣喷材料-工艺效果记录任务的设计。对技师的操作进行拍照和记录经验丰富的技术员对每道工序效果的处理，理解表面装饰细节与工序的对应关系，及时对所获信息、资料进行整理。

Step3仿真任务：

表3为在汽车钣喷工艺效果的计算机仿真任务。

3.2 运用计算机软件（Cinema 4D）对汽车钣喷工艺效果的仿真过程

3.2.1 计算机仿真的交互式表达思维

图3是建立在汽车钣喷工艺观察记录基础上的计算机仿真表达思维的形成：1）了解所选用的渲染模块（如Cinema 4D的渲染模块），2）应根据工艺效果（如汽车的钣喷工艺效果）整理出计算机仿真的任务和步骤（如Cinema 4D仿真的任务和步骤），3）根据上述任务与步骤，用多图层与多工序效果相对应，4）把工艺叠加的效果最真实的反映出来。

3.2.2 Cinema 4D计算机仿真表达的过程

1）了解Cinema 4D的渲染模块

表4 Cinema 4D渲染模块认识（作者整理）

表5 导入汽车模型（作者整理）

2）根据钣喷工艺效果整理出仿真任务和步骤，见表3。

3）根据任务与步骤，对应表面处理的工序效果，用软件建立对应工序的材质层。

步骤1：导入汽车模型

表6 对抹腻子工序的观察（作者整理）

表7 对抹腻子工序的仿真（作者整理）

为了突出仿真汽车表面装饰的计算机仿真实验，如表5所示；有必要将预先期先准备好的汽车模型导入Cinema 4D之中并打好灯光与摄影机，建立起一个模型渲染所需要的场景。步骤2：对抹腻子工序的观察与仿真

表8 对底漆工序的观察（作者整理）

表9 对底漆工序的仿真（作者整理）

Cinema 4D要对汽车钣喷工艺中抺腻子工序的效果进行仿真表达，就有需要把钣喷工艺抹腻子工序的效果记录呈现出来。

如表6所示，抹腻子工序的目的是为了填补被装饰工件表面的凹坑，使工件表面整体恢复平整，腻子在工件表面干燥以后呈浅米色，走近触摸，在平滑的表面上有少量针孔式的凹坑存在，而远看时视觉却辩认不出。作为车漆的首道工序，对腻子层的仿真有可能在对老旧汽车的表达过程中需要，特别是动漫、游戏中会对此有所需求。因此，应用Cinema 4D进行对抹腻子工序的仿真表达如表7所示：

步骤3：对底漆工序的观察与仿真

如表8所示，底漆工序的目的是为了彻底填补腻子层的针眼，使工件表面达到相当平滑的状态，为底色漆与清漆的喷涂做准备。底漆在干燥以后其表面为浅灰色，其表面已经相当光滑。作为车漆的第二道工序，对底漆层的仿真同样有可能在对老旧汽车的表达过程中需要，特别是动漫、游戏中会对此有所需求。

表10 对底色漆工序的观察（作者整理）

表12 对底色漆工序的观察（作者整理）

因此，应用Cinema 4D进行对底漆层的仿真表达步骤如表9所示：

步骤4：对底色漆材质的仿真

如表10所示，车漆根据成分与效果的不同大致可以分为两种：素色漆与银粉漆，其中主要是底色漆的成分与特性有所区别。两种底色漆中，素色漆不含闪光颜料，以红色为例，喷完后表现为表面红色，无明显高光，视觉正面较视觉侧面颜色深浅对比较弱；金属漆内含闪光颜料，在底色漆层的制作中比素色漆较为复杂，以银粉漆为例，喷完后表现为表面银色，高光较亮，视觉下面较视觉侧面颜色深浅对比较强，表面颗粒感较强。因此，应用Cinema 4D进行对底漆层的仿真表达步骤如表11所示：

步骤5：对清漆材质的观察与仿真

如表12所示，清漆是附着于底色漆表面的一层具有高亮、高反射的透明物质，它表面并非光滑而是具有轻微桔皮肌理的属性，为汽车钣喷工艺的最后一道工序，起到提高车漆光泽度、抗氧化的作用。相对应的材质参数设置应如表13。

步骤6：真实车漆效果与最终渲染仿真

最终反映汽车钣喷工艺的底色漆层与清漆层想叠加的表面效果，设置好相关渲染参数后，得到了高仿真的车漆效果（如图4、图5）。

图4 素色红漆效果（作者自绘）

图5 银粉漆效果（作者自绘）

4 材料-工艺交互式计算机仿真效果的评价

表14 被测人员组成

汽车表面装饰钣喷工艺的交互式计算机仿真效果已经呈现，但是其视觉效果还需进行视觉评测，方可说明交互式计算机仿真方式的有效性，故组织了仿真效果的评价实验。如表14所示，以汽车4S店售后服务工作人员（包括工艺主管、工艺技师、营销主管和服务顾问）和汽车消费者为实验对象，共50人，对A采用了交互式计算机仿真方法制作的车漆效果图、B未采用交互式计算机仿真方法制作的车漆效果图进行语意差分法的对比测评，具体评测内容见表15。

表15 材料工艺计算机仿真效果评价（作者整理）

测评结果如图6：受试的22名售后服务人员中，54.5%认为对腻子工序的计算机交互式仿真效果非常真实， 41.0%认为真实；54.5%认为对底漆工序的计算机交互式仿真效果非常真实， 36.4%认为真实；72.7%认为最终的车漆效果仿真非常真实，22.7%认为真实。说明了交互式的计算机仿真实现了对车漆各工序的逼真表达。

表13 对清漆工序的仿真（作者整理）

如图7：所有受试人员（50人）中，50%认为A仿真效果非常真实，38%认为真实；26%认为B仿真效果非常真实，42%认为真实。说明了A比B的仿真度更高。

5 小结

通过汽车表面装饰钣喷工艺的计算机交互式仿真表达，说明了针对材料-工艺进行计算机仿真时应遵循：

1）结合企业生产工艺的实际情况，在理解材料、工序、工艺及最终视觉效果的基础上，明确计算机软件仿真工作的目的，以实现对材料-工艺效果的真实再现。

2）注重对材料-工艺的生产观察，养成观察行为与计算机仿真间交互的表达习惯，形成与材料-工艺现实相结合的软件工作思维，才能建构起适应企业现实的表达工作习惯。

3）计算机仿真应多图层表达，与材料-工艺过程一一对应，相互渗透，交互进行。

[1] 将晓.浅谈工业设计[J].CAD/CAM与制造业信息化.2014. Z1:48-49.

[2] 熊光楞.计算机住址技术在轿车工业中的应用与发展[J].系统仿真学报.2004.01:73-78.

[3] 吴涛.汽车涂装的国内外发展动态[J].汽车工艺与材料.2006.09:29-34+36.

[4] 曹祥哲.做有“材”的产品设计——谈材料在产品设计中的重要作用[J].天津美术学院学报.2013.01:88-89.

钟厦 （1967－）中国矿业大学艺术与设计学院副教授，主要研究方向：新产品开发设计的教学法研究

陈俊浩 （1991－）中国矿业大学艺术与设计学院研究生，主要研究方向：新产品开发设计

曹晓丽 （1987－）中国矿业大学艺术与设计学院研究生，主要研究方向：新产品开发设计

Research on Computer Interactive Simulation Expression of Material- Process

Zhong Sha,Chen Junhao,Cao Xiaoli
（Institute of Art and Design, China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou，221116）

The interactive working mode formed between material-process and computer simulation is the goal of simulation.The paper summarizes the existing problems of industrial products in materialprocess computer simulation,proposes the working architecture of materials- process interactive computer simulation,on the basis,takes interactive work method of sheet spray process and paint texture rendering of automobiles as an example,makes evaluation on the interactive simulation effect of sheet spray process of automobiles, and obtains the interactive principles that material- process carries on computer simulation.

Material Process;Interaction;Simulation Expression

图 6 采用交互方式对各工序仿真效果评价统计

图 7 采用与未采用交互方式对各工序仿真效果评价统计

项目名称：中国矿业大学社会科学基金项目“理工科高校大学生艺术教育研究”（2012w44）；中国矿业大学课程建设与教学法改革项目“产品造型基础教学法改革”（200446）；“产品设计分析教学法改革与实践”（200748）项目阶段成果