仿生设计产品DNA视觉化方法研究

侯幸刚 杨梅 李雪瑞

摘要：为更好地适应设计人员对仿生产品造型的认知与三维数字模型构建过程，提出一种仿生设计产品设计DNA的视觉化方法。在借助matlab边缘检测算法分析产品造型的基础上，提出曲线外形、曲线圆角、曲线角度3种视觉化规则，并结合一个实际的仿生设计案例进行使用说明。通过上述方法进行了多旋翼快递无人机设计，经过综合模糊评价结果是非常符合，验证了此方法的可行性。

关键词：产品DNA无人机感性工学模糊综合评价产品设计

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）02-0011-03

引言

伴随着2020年新冠疫情的到来，新一轮关于人与自然和谐的思想争辩展开，仿生设计以自然界万物的形态、色彩、声音、功能和结构为研究对象，为产品的创新性设计提供了新的思路、原则、方法与途径。在人类社会生产活动与自然的结合过程中，仿生设计使人类社会与自然高度统一，逐渐成为新的设计发展过程中的亮点，在这次疫情的爆发期间是值得思考与引起高度重视的。

产品的设计作为一个持续的，反复迭代的过程，类似于生物种族的种群之间的繁衍生殖过程。基于此，产品DNA概念也被相应提出。将基因遗传与变异的特质应用于工业设计领域，提高产品的系统性，探讨新的工业设计方法。在更新迭代过程中保证父代特征的情况下增加产品的创意性。

目前已有不少学者对产品外观设计进行了研究，并取得了可观的成绩。在仿生设计领域，主要有以下具有代表性的研究：罗仕鉴团队【1】对产品设计基因进行了一系列相关的研究提出了产品族设计DNA的表达方法;朱上上等【2】提出支持产品视觉识别的产品族设计DNA研究方法;BEMSEN【3】阐述了摩托罗拉手机设计过程中，基因的提取、表达和应用上述的一些研究多数利用某种理论或者方法以及某种数学模型进行研究，但是在日常的产品设计过程中，设计师更多的会用自身的设计认知、设计思维、设计情感对产品进行形态设计创新，因此所设计的产品不但具有外在的形态属性，还蕴含着设计师赋予产品形态的感性属性。为了准确描述和量化这类感性属性，研究选用感性意象进行产品描述，例如：传统的、时尚的、精致的、高雅的、科技的等。鉴于此，本文选用感性意象作为概念思维载体对概念设计阶段中的启发类设计意图进行模糊描述，基于感性工学造型结构理论提出一种仿生设计产品DNA的视觉化方法并应用一个实际的设计案例进行方法说明，最后对设计产品进行模糊综合评价以鉴别该方法的可行性与科学性。

一、仿生设计产品的DNA表达

产品都是由若干的形状特征，按照一定的设计方法组织而成的。仿生设计产品的表达最重要的就是形成产品外形与生物本征之间的映射模型。改为用户对于产品的主观感受来自对于产品本身定义的理解，并乐于将其与已知的某种事物进行联系。用户对于产品的造型意像视觉冲击来源于产品本身的整体造型特征及各部分之间比例关系4。对于仿生产品的表达要提取所仿生动物最重要的特征进行操作。

（一）仿生产品DNA的提取：文章提出将产品的DNA分类为整体造型DNA及部分造型DNA，其中整体造型DNA也可以表达为通用DNA，即在下次更迭时所保留的父辈特征，但如果是第一代设计产品，则整体DNA亦作为个性DNA进行设计。部分造型DNA可分为通用DNA及个性DNA，在下一代的更新中作为个性特征进行增强或者更换。仿生设计产品DNA关系表示如图1所示：

（二）产品DNA的表达方法：本文采用在Matlab软件中应用多级边缘检测算法（Canny边缘检测算子），提取图片外观形态特征并借助Coreldraw二维矢量图设计软件工具对提取的外观特征曲线进行优化和重构的方法来得到特征线样本。其操作过程如图2所示：

二、仿生设计产品的DNA视觉化规则

依据产品建模的一般方法，以建模软件Rhino为研究对象，任何产品都是由不同的面所构成的，而不同的面是由数条贝塞尔曲线经过一系列操作形成，每条线都是由数目不同的控制点所构成。在上文仿生设计DNA的表达中已经提出得到特征线样本的操作方法。由于该方法所形成的主要元素是曲线，因此提出将曲线作为产品DNA表达的视觉化要素。曲线作为视觉表达因素需要考虑形状，角度，连接之间的关系，基于此提出三种因素的视觉化规则。

（一）曲线外形的视觉化规则：对于任意产品外观造型，可分为直线、曲线或二者的结合，且在视觉化过程中可任意修改。贝塞尔曲线依据位置不同的点描绘出光滑的曲线，并且其形状可通过控制点位置的变化而变化【5】。符合上述的视觉化要求。因此引入贝塞尔方程作为描述曲线外形的视觉化规律，其通用数学表达式如下：

由于目前市面上的产品建模工具的精度一般为3次贝塞尔曲线（如图3所示），其数学表达式为：

式中：Po，P，P2，P3為曲线的四个控制点;t为从点P。到Pg的时间变量，tE【0，1】;该曲线从P。出发，结束于P3，其中P，P2是控制曲线走向的控制点。

（二）曲线圆角视觉化规则：每一个产品的造型都包含数目不一的圆角，圆角的大小及多少会给用户不同的的视觉感受，因此为了增加产品的圆滑程度，在进行曲线之间圆角时候让衔接曲线尽可能实现与外观曲线的相切甚至更高的曲率，本文采取满足以下条件的数学表达式：

式中x，y分别代表圆角曲线上点的横纵坐标;r代表圆角半径，且r的大小由公式（4）决定，实现衔接曲线的相切。

（三）曲线角度的视觉化规则：由于造型中的每一个曲面是相对独立的存在，因此可以把每个曲面有微积分思想转化为闭合的n边形，通过该n边形内各曲线的位置改变其造型意象，因此用如下数学式表达：

式中i为贝塞尔曲线的阶数，本文中取i=3;n为围成一个封闭多边形的曲线数目;B（前代表贝塞尔曲线的单位切向量5。

（三）模糊综合评价计算

由最大隶属原则可知，最高得分为10.4，属于非常符合的范畴，此次设计基本达到设计目标。

结论

提出了一种进行仿生设计DNA视觉化方法，以一个多旋翼快递无人机设计的实际案例的设计过程进行方法的展示，并对所设计产品进行了模糊综合评价。结果表明：所设计产品完全符合最初的设计需求，证明了此方法的可行性。文章也存在一些不足之处：文中方法需要大量的数据收集以及计算，并对设计师的个人设计能力有所依賴，所以在后续的改进中考虑以此方法为基础引入在线数据收集评价等功能，提高效率;建立仿生设计在线协同网络数据库，减少前期数据图片收集难度，集思广益，提高仿生设计的创造性。

基金项目：山东省重点研发计划（软科学项目）：工业设计推动山东制造企业自主创新发展的路径与对策研究（2019RKB01395）;青岛市哲学社会科学规划项目：青岛特色海洋文化创意产业发展策略研究（QDSKL1901141）;山东省艺术科学重点课题：山东省文化创意与设计服务云平台构建策略研究（QN201906118）。

参考文献

【1】罗仕鉴，张宇飞，边泽，等产品外形仿生设计研究现状与进展【J】.机械工程学报，2018，54（21）：138-155.

【2】朱上上，罗仕鉴，应放天，等.支持产品视觉识别的产品族设计DNA【J】.浙江大学学报，2010，44（4）：715-721.

[3]BEMSENJ.Bionicsinaction：ThedesignworkofFrancoLodato，Motorola[M】.Denmark：StoryWorks，2004.

【4】刘晓菲中国传统文化元素在3C中产品设计中的应用研究【D】.山东：山东建筑大学，2014.

【5】鲜洁宇，钱筱琳，江国珍，等.拖拉机产品族设计DNA视觉化方法【J】.机械设计，2018，35（8）：111-115.

【6】李永锋，朱丽萍.基于模糊层次分析法的产品可用性评价方法【J】.机械工程学报，2012，48（14）：183-191.

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【8】刘伟，曹国忠，檀润华，等多生物效应技术实现方法研究【J】.机械工程学报，2016，52（9）：129-140.

[9]PETERST.Natureasmeasurethebiomimicryguild【J].ArticleinArchitecturalDesign，2011（11）：44-47

【10】姜娜，杨君顺.仿生在产品造型设计中的应用【J】.包装工程，2008，29（1）：146-147，153.