材料－工藝計(jì)算機(jī)仿真的交互式表達(dá)研究

鐘 廈,陳俊浩,曹曉麗（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇徐州， 221116)

材料－工藝計(jì)算機(jī)仿真的交互式表達(dá)研究

鐘 廈,陳俊浩,曹曉麗
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇徐州， 221116)

材料-工藝與計(jì)算機(jī)仿真間形成交互式的工作方式是仿真工作的關(guān)鍵。文章梳理了工業(yè)產(chǎn)品材料-工藝計(jì)算機(jī)仿真中存在的問題，提出了材料-工藝計(jì)算機(jī)仿真的交互式工作架構(gòu)，并以汽車鈑噴工藝、車漆材質(zhì)渲染為例，展示了其計(jì)算機(jī)仿真的交互式工作方法，之后對(duì)仿真效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出了材料-工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的交互式原則。

材料工藝；交互；仿真表達(dá)

1 工業(yè)產(chǎn)品的材料-工藝計(jì)算機(jī)仿真存在的問題

在工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的過程中，其方案的表達(dá)需要將所采用的工藝效果用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件把匹配的材料、工藝及最終的工藝效果用計(jì)算機(jī)仿真的方式表達(dá)出來。材料工藝仿真表達(dá)的目的是再現(xiàn)真實(shí)的材料-工藝，往往需要在材料、工藝觀察與理解的基礎(chǔ)上，在方案表達(dá)中展示對(duì)材料、工藝規(guī)劃的效果，因此對(duì)材料工藝的計(jì)算機(jī)仿真需要與材料選擇、工藝選擇和工藝效果建立起交互的思維方式，采用交互的表達(dá)工作流程。那么，材料工藝的計(jì)算機(jī)仿真過程存在的問題主要是：

1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、CMF設(shè)計(jì)師在意識(shí)上把材料-工藝與計(jì)算機(jī)仿真分屬不同的工作領(lǐng)域。通常情況下會(huì)把材料工藝與生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)相對(duì)應(yīng)，而把計(jì)算機(jī)仿真看作是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容，彼此間有效的聯(lián)系較弱，使得他們用想象替代了現(xiàn)實(shí)，過度沉浸在軟件使用的過程及追求軟件制作效果的“美”感中。故計(jì)算機(jī)仿真失去了再現(xiàn)真實(shí)材料-工藝的作用。

2）在計(jì)算機(jī)仿真渲染時(shí)，過度依賴默認(rèn)材質(zhì)庫，忽視積累多圖層參數(shù)化調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)。事實(shí)上，默認(rèn)材質(zhì)不能反映真實(shí)的材料-工藝效果，需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)師積累起軟件渲染模塊中各項(xiàng)指標(biāo)的參數(shù)調(diào)整與真實(shí)材料-工藝效果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以養(yǎng)成材料-工序-工序效果多圖層疊加的材質(zhì)渲染經(jīng)驗(yàn)。

綜上所述，設(shè)計(jì)師需要養(yǎng)成與真實(shí)的材料工藝過程相匹配的思維方式和仿真工作流程。

2 材料-工藝計(jì)算機(jī)仿真的交互式工作架構(gòu)

既然計(jì)算機(jī)表達(dá)工作與材料-工藝過程間的仿真過程存在問題，就需要建立交互式的工作思路，如圖1展示了工業(yè)產(chǎn)品材料－工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容（A區(qū)）為材料工藝考察、分析及規(guī)劃，其中表面裝飾材料、工藝效果是CMF設(shè)計(jì)師、產(chǎn)品設(shè)計(jì)師工作的主要內(nèi)容（B區(qū)），而計(jì)算機(jī)仿真表達(dá)的主要內(nèi)容如C區(qū)所示，通常情況下B區(qū)與C區(qū)的工作關(guān)聯(lián)性會(huì)被設(shè)計(jì)師人為的忽略。

文章將以Cinema 4D為計(jì)算機(jī)輔助表達(dá)工具，以汽車表面裝飾的鈑噴工藝過程——使用的裝飾材料、工序過程、工序效果為觀察對(duì)象，來展示車漆材質(zhì)-工藝計(jì)算機(jī)仿真的交互式工作過程，以建立多圖層應(yīng)用的計(jì)算機(jī)仿真過程，實(shí)現(xiàn)渲染表達(dá)與真實(shí)材料-工藝效果高度融合的交互式工作方法，合理建構(gòu)材料工藝計(jì)算機(jī)仿真的思維習(xí)慣（D區(qū)）。

3 案例研究——汽車表面裝飾鈑噴工藝的計(jì)算機(jī)仿真交互式表達(dá)

3.1 汽車表面裝飾鈑噴工藝的仿真工作流程

圖2為汽車表面裝飾鈑噴工藝的計(jì)算機(jī)仿真交互式工作架構(gòu)。要求設(shè)計(jì)師到汽車鈑噴車間，在工藝人員介紹鈑噴工藝流程的基礎(chǔ)上，將汽車鈑噴的材料、工序、工藝過程、工藝效果作為觀察、記錄的對(duì)象，重點(diǎn)觀察記錄鈑噴工藝使用的表面裝飾材料、各工序的工藝效果及工藝疊加后的色彩、肌理、透明度、光滑度、反射性等視覺效果，形成計(jì)算機(jī)仿真表達(dá)的工作任務(wù)，通過圖層材質(zhì)的色彩、凹凸、折射、反射等參數(shù)的合理設(shè)置，模擬每一道工序的視覺效果，最后通過圖層疊加渲染，建立多圖層工作的意識(shí)，合理調(diào)整材質(zhì)參數(shù)，完成對(duì)汽車鈑噴工藝效果的真實(shí)再現(xiàn)。具體工作如下：

圖1 材料-工藝計(jì)算機(jī)仿真的交互式工作架構(gòu)（作者整理）

圖2 汽車表面裝飾的鈑噴工藝計(jì)算機(jī)仿真交互式工作架構(gòu)圖（作者整理）

表1 汽車鈑噴工藝觀察任務(wù)列表（作者整理）

表2 汽車鈑噴工藝記錄任務(wù)列表（作者整理）

圖3 計(jì)算機(jī)仿真交互式表達(dá)思維（作者整理）

Step1觀察任務(wù)：

表1為材料工藝的觀察任務(wù)的設(shè)計(jì)。通過相關(guān)講解對(duì)所觀察的表面處理工序進(jìn)行初步的認(rèn)識(shí)，獲得進(jìn)入車間的許可，對(duì)工件的表面處理工序進(jìn)行跟蹤觀察與理解。

Step2記錄任務(wù)：

表2 為汽車鈑噴材料-工藝效果記錄任務(wù)的設(shè)計(jì)。對(duì)技師的操作進(jìn)行拍照和記錄經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)員對(duì)每道工序效果的處理，理解表面裝飾細(xì)節(jié)與工序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，及時(shí)對(duì)所獲信息、資料進(jìn)行整理。

Step3仿真任務(wù)：

表3為在汽車鈑噴工藝效果的計(jì)算機(jī)仿真任務(wù)。

3.2 運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件（Cinema 4D）對(duì)汽車鈑噴工藝效果的仿真過程

3.2.1 計(jì)算機(jī)仿真的交互式表達(dá)思維

圖3是建立在汽車鈑噴工藝觀察記錄基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)仿真表達(dá)思維的形成：1）了解所選用的渲染模塊（如Cinema 4D的渲染模塊），2）應(yīng)根據(jù)工藝效果（如汽車的鈑噴工藝效果）整理出計(jì)算機(jī)仿真的任務(wù)和步驟（如Cinema 4D仿真的任務(wù)和步驟），3）根據(jù)上述任務(wù)與步驟，用多圖層與多工序效果相對(duì)應(yīng)，4）把工藝疊加的效果最真實(shí)的反映出來。

3.2.2 Cinema 4D計(jì)算機(jī)仿真表達(dá)的過程

1）了解Cinema 4D的渲染模塊

表4 Cinema 4D渲染模塊認(rèn)識(shí)（作者整理）

表5 導(dǎo)入汽車模型（作者整理）

2）根據(jù)鈑噴工藝效果整理出仿真任務(wù)和步驟，見表3。

3）根據(jù)任務(wù)與步驟，對(duì)應(yīng)表面處理的工序效果，用軟件建立對(duì)應(yīng)工序的材質(zhì)層。

步驟1：導(dǎo)入汽車模型

表6 對(duì)抹膩?zhàn)庸ば虻挠^察（作者整理）

表7 對(duì)抹膩?zhàn)庸ば虻姆抡妫ㄗ髡哒恚?/p>

為了突出仿真汽車表面裝飾的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，如表5所示；有必要將預(yù)先期先準(zhǔn)備好的汽車模型導(dǎo)入Cinema 4D之中并打好燈光與攝影機(jī)，建立起一個(gè)模型渲染所需要的場(chǎng)景。步驟2：對(duì)抹膩?zhàn)庸ば虻挠^察與仿真

表8 對(duì)底漆工序的觀察（作者整理）

表9 對(duì)底漆工序的仿真（作者整理）

Cinema 4D要對(duì)汽車鈑噴工藝中抺膩?zhàn)庸ば虻男ЧM(jìn)行仿真表達(dá)，就有需要把鈑噴工藝抹膩?zhàn)庸ば虻男Ч涗洺尸F(xiàn)出來。

如表6所示，抹膩?zhàn)庸ば虻哪康氖菫榱颂钛a(bǔ)被裝飾工件表面的凹坑，使工件表面整體恢復(fù)平整，膩?zhàn)釉诠ぜ砻娓稍镆院蟪蕼\米色，走近觸摸，在平滑的表面上有少量針孔式的凹坑存在，而遠(yuǎn)看時(shí)視覺卻辯認(rèn)不出。作為車漆的首道工序，對(duì)膩?zhàn)訉拥姆抡嬗锌赡茉趯?duì)老舊汽車的表達(dá)過程中需要，特別是動(dòng)漫、游戲中會(huì)對(duì)此有所需求。因此，應(yīng)用Cinema 4D進(jìn)行對(duì)抹膩?zhàn)庸ば虻姆抡姹磉_(dá)如表7所示：

步驟3：對(duì)底漆工序的觀察與仿真

如表8所示，底漆工序的目的是為了徹底填補(bǔ)膩?zhàn)訉拥尼樠郏构ぜ砻孢_(dá)到相當(dāng)平滑的狀態(tài)，為底色漆與清漆的噴涂做準(zhǔn)備。底漆在干燥以后其表面為淺灰色，其表面已經(jīng)相當(dāng)光滑。作為車漆的第二道工序，對(duì)底漆層的仿真同樣有可能在對(duì)老舊汽車的表達(dá)過程中需要，特別是動(dòng)漫、游戲中會(huì)對(duì)此有所需求。

表10 對(duì)底色漆工序的觀察（作者整理）

表12 對(duì)底色漆工序的觀察（作者整理）

因此，應(yīng)用Cinema 4D進(jìn)行對(duì)底漆層的仿真表達(dá)步驟如表9所示：

步驟4：對(duì)底色漆材質(zhì)的仿真

如表10所示，車漆根據(jù)成分與效果的不同大致可以分為兩種：素色漆與銀粉漆，其中主要是底色漆的成分與特性有所區(qū)別。兩種底色漆中，素色漆不含閃光顏料，以紅色為例，噴完后表現(xiàn)為表面紅色，無明顯高光，視覺正面較視覺側(cè)面顏色深淺對(duì)比較弱；金屬漆內(nèi)含閃光顏料，在底色漆層的制作中比素色漆較為復(fù)雜，以銀粉漆為例，噴完后表現(xiàn)為表面銀色，高光較亮，視覺下面較視覺側(cè)面顏色深淺對(duì)比較強(qiáng)，表面顆粒感較強(qiáng)。因此，應(yīng)用Cinema 4D進(jìn)行對(duì)底漆層的仿真表達(dá)步驟如表11所示：

步驟5：對(duì)清漆材質(zhì)的觀察與仿真

如表12所示，清漆是附著于底色漆表面的一層具有高亮、高反射的透明物質(zhì)，它表面并非光滑而是具有輕微桔皮肌理的屬性，為汽車鈑噴工藝的最后一道工序，起到提高車漆光澤度、抗氧化的作用。相對(duì)應(yīng)的材質(zhì)參數(shù)設(shè)置應(yīng)如表13。

步驟6：真實(shí)車漆效果與最終渲染仿真

最終反映汽車鈑噴工藝的底色漆層與清漆層想疊加的表面效果，設(shè)置好相關(guān)渲染參數(shù)后，得到了高仿真的車漆效果（如圖4、圖5）。

圖4 素色紅漆效果（作者自繪）

圖5 銀粉漆效果（作者自繪）

4 材料-工藝交互式計(jì)算機(jī)仿真效果的評(píng)價(jià)

表14 被測(cè)人員組成

汽車表面裝飾鈑噴工藝的交互式計(jì)算機(jī)仿真效果已經(jīng)呈現(xiàn)，但是其視覺效果還需進(jìn)行視覺評(píng)測(cè)，方可說明交互式計(jì)算機(jī)仿真方式的有效性，故組織了仿真效果的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。如表14所示，以汽車4S店售后服務(wù)工作人員（包括工藝主管、工藝技師、營(yíng)銷主管和服務(wù)顧問）和汽車消費(fèi)者為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，共50人，對(duì)A采用了交互式計(jì)算機(jī)仿真方法制作的車漆效果圖、B未采用交互式計(jì)算機(jī)仿真方法制作的車漆效果圖進(jìn)行語意差分法的對(duì)比測(cè)評(píng)，具體評(píng)測(cè)內(nèi)容見表15。

表15 材料工藝計(jì)算機(jī)仿真效果評(píng)價(jià)（作者整理）

測(cè)評(píng)結(jié)果如圖6：受試的22名售后服務(wù)人員中，54.5%認(rèn)為對(duì)膩?zhàn)庸ば虻挠?jì)算機(jī)交互式仿真效果非常真實(shí)， 41.0%認(rèn)為真實(shí)；54.5%認(rèn)為對(duì)底漆工序的計(jì)算機(jī)交互式仿真效果非常真實(shí)， 36.4%認(rèn)為真實(shí)；72.7%認(rèn)為最終的車漆效果仿真非常真實(shí)，22.7%認(rèn)為真實(shí)。說明了交互式的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)了對(duì)車漆各工序的逼真表達(dá)。

表13 對(duì)清漆工序的仿真（作者整理）

如圖7：所有受試人員（50人）中，50%認(rèn)為A仿真效果非常真實(shí)，38%認(rèn)為真實(shí)；26%認(rèn)為B仿真效果非常真實(shí)，42%認(rèn)為真實(shí)。說明了A比B的仿真度更高。

5 小結(jié)

通過汽車表面裝飾鈑噴工藝的計(jì)算機(jī)交互式仿真表達(dá)，說明了針對(duì)材料-工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真時(shí)應(yīng)遵循：

1）結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況，在理解材料、工序、工藝及最終視覺效果的基礎(chǔ)上，明確計(jì)算機(jī)軟件仿真工作的目的，以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料-工藝效果的真實(shí)再現(xiàn)。

2）注重對(duì)材料-工藝的生產(chǎn)觀察，養(yǎng)成觀察行為與計(jì)算機(jī)仿真間交互的表達(dá)習(xí)慣，形成與材料-工藝現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的軟件工作思維，才能建構(gòu)起適應(yīng)企業(yè)現(xiàn)實(shí)的表達(dá)工作習(xí)慣。

3）計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)多圖層表達(dá)，與材料-工藝過程一一對(duì)應(yīng)，相互滲透，交互進(jìn)行。

[1] 將曉.淺談工業(yè)設(shè)計(jì)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化.2014. Z1:48-49.

[2] 熊光楞.計(jì)算機(jī)住址技術(shù)在轎車工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004.01:73-78.

[3] 吳濤.汽車涂裝的國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].汽車工藝與材料.2006.09:29-34+36.

[4] 曹祥哲.做有“材”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)——談材料在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要作用[J].天津美術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2013.01:88-89.

鐘廈 （1967－）中國(guó)礦業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院副教授，主要研究方向：新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的教學(xué)法研究

陳俊浩 （1991－）中國(guó)礦業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院研究生，主要研究方向：新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)

曹曉麗 （1987－）中國(guó)礦業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院研究生，主要研究方向：新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)

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

圖 6 采用交互方式對(duì)各工序仿真效果評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

圖 7 采用與未采用交互方式對(duì)各工序仿真效果評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

項(xiàng)目名稱：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“理工科高校大學(xué)生藝術(shù)教育研究”（2012w44）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)法改革項(xiàng)目“產(chǎn)品造型基礎(chǔ)教學(xué)法改革”（200446）；“產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析教學(xué)法改革與實(shí)踐”（200748）項(xiàng)目階段成果