基于虛擬現(xiàn)實的人機交互下協(xié)同式產(chǎn)品外觀設(shè)計

劉蘭蘭

摘 要： 為了解決當(dāng)前產(chǎn)品外觀設(shè)計方法很難完全模擬人類智能對產(chǎn)品外觀進(jìn)行設(shè)計的問題，提出一種新的基于虛擬現(xiàn)實的人機交互下協(xié)同式產(chǎn)品外觀設(shè)計方法，給出虛擬現(xiàn)實設(shè)計環(huán)境總體結(jié)構(gòu)，在虛擬環(huán)境下，計算機主要負(fù)責(zé)對符合約束的方案進(jìn)行求解，而設(shè)計者主要負(fù)責(zé)確定產(chǎn)品外觀設(shè)計過程中的變量、約束條件及設(shè)計目標(biāo)等，令二者協(xié)同設(shè)計產(chǎn)品外觀，獲取最佳設(shè)計方案。為了更好地實現(xiàn)人機交互，對設(shè)計者知識描述進(jìn)行轉(zhuǎn)換，依據(jù)創(chuàng)新元對設(shè)計者決策信息進(jìn)行分類、描述以及保存。通過再次轉(zhuǎn)換將參數(shù)確定問題變成基本參數(shù)描述問題，以確定設(shè)計參數(shù)。實驗結(jié)果表明，所提方法魯棒性和多樣性高，且設(shè)計的產(chǎn)品外觀普遍評價較高。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實； 人機交互； 協(xié)同式； 產(chǎn)品外觀設(shè)計； 魯棒性； 多樣性

中圖分類號： TN98?34； TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0111?04

Virtual reality based collaborative product appearance design

under human?computer interaction

LIU Lanlan

（School of Mechanical Engineering， Wuchang Institute of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： Since it is difficult for current product appearance design method to design the product appearance by means of complete simulation of human intelligence， a virtual reality based new collaborative product appearance design method under human?computer interaction is proposed. The overall structure of virtual reality design environment is given. The computer in virtual environment solves the scheme conforming to the constrain， and the designer determines the variable， constraint conditions and design goals in product appearance design process. The above two items are collaborated to design the product appea?rance， and obtain the optimal design scheme. In order to realize the human?computer interaction better， the knowledge description of the designer is transformed， and the decision information of the designer is classified， described and saved according to innovation element. The parameter identification problem is transformed into a basic parameter description problem for a second time to determine the design parameters. The experimental results show that the proposed method has strong robustness and perfect diversity， and its evaluation of product appearance is generally high.

Keywords： virtual reality； human?computer interaction； collaboration； product appearance design； robustness； diversity

0 引 言

產(chǎn)品設(shè)計過程是一個復(fù)雜的、不確定性高的推理過程，應(yīng)用廣泛，涉及大部分領(lǐng)域[1]。近年來，人們對產(chǎn)品外觀設(shè)計的要求越來越高，為了有效實現(xiàn)個性化的產(chǎn)品外觀設(shè)計，需采用一種便于更改的設(shè)計方法[2?3]。

文獻(xiàn)[4]提出一種基于特征部件的產(chǎn)品外觀設(shè)計方法，按照功能對產(chǎn)品外觀進(jìn)行劃分，利用CAD把不同功能單元聚集在一起，實現(xiàn)產(chǎn)品外觀設(shè)計的多樣性，對不同外觀進(jìn)行評價，得到滿足設(shè)計者需求的設(shè)計方案。該方法雖然實現(xiàn)過程簡單，但不易實現(xiàn)；文獻(xiàn)[5]從知識重用方面對產(chǎn)品外觀設(shè)計過程中的知識進(jìn)行劃分，以獲取設(shè)計者設(shè)計知識及用戶需求知識。在此基礎(chǔ)上塑造產(chǎn)品外觀知識重用原型系統(tǒng)，獲取設(shè)計方案。該方法設(shè)計效率高，然而過于依賴先驗知識，獲取的結(jié)果無法達(dá)到用戶要求；文獻(xiàn)[6]提出一種基于Java的產(chǎn)品外觀設(shè)計方法，在產(chǎn)品外觀設(shè)計系統(tǒng)中引入能夠改變皮膚的外觀Synth，其無需編程即可實現(xiàn)產(chǎn)品外觀設(shè)計。該方法設(shè)計效果好，但成本較高。

針對上述方法的弊端，提出一種新的基于虛擬現(xiàn)實的人機交互下協(xié)同式產(chǎn)品外觀設(shè)計方法，給出虛擬現(xiàn)實設(shè)計環(huán)境總體結(jié)構(gòu)，在虛擬環(huán)境下通過人機交互獲取最佳設(shè)計方案，通過知識描述再次轉(zhuǎn)換確定設(shè)計參數(shù)。實驗結(jié)果表明，所提方法魯棒性和多樣性高，且設(shè)計的產(chǎn)品外觀普遍評價較高。

1 基于虛擬現(xiàn)實的人機交互下協(xié)同式產(chǎn)品外觀

設(shè)計

1.1 虛擬現(xiàn)實設(shè)計環(huán)境總體構(gòu)架

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品外觀設(shè)計的關(guān)鍵是塑造產(chǎn)品模型工作的虛擬環(huán)境，本節(jié)設(shè)計的虛擬現(xiàn)實環(huán)境總體結(jié)構(gòu)用圖1進(jìn)行描述。

虛擬現(xiàn)實環(huán)境通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)塑造三維環(huán)境，在通過CAD技術(shù)對產(chǎn)品外觀進(jìn)行設(shè)計時，可把設(shè)計模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實環(huán)境中[7]，對產(chǎn)品外觀相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計者得到滿意的設(shè)計方案后，即可退出虛擬現(xiàn)實環(huán)境，將最終的設(shè)計數(shù)據(jù)反饋至CAD系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)產(chǎn)品外觀設(shè)計[8]。

1.2 人機交互下協(xié)同式產(chǎn)品外觀設(shè)計

在虛擬環(huán)境下，當(dāng)計算機不能有效模擬人類智能時，需將人機結(jié)合在一起，協(xié)同實現(xiàn)產(chǎn)品外觀的設(shè)計[9?10]。為此，本節(jié)提出一種人機交互下協(xié)同式產(chǎn)品外觀設(shè)計方法，把產(chǎn)品外觀設(shè)計過程看作一個約束判斷與求解過程，其功能模型用圖2進(jìn)行描述。

在對產(chǎn)品外觀進(jìn)行設(shè)計時，計算機主要負(fù)責(zé)對符合約束的方案進(jìn)行求解，將繁雜的計算工作交給計算機處理，將決策工作交給設(shè)計者，令二者協(xié)同設(shè)計產(chǎn)品外觀，獲取最佳設(shè)計方案。

1.3 產(chǎn)品外觀設(shè)計

1.3.1 設(shè)計者知識的描述轉(zhuǎn)換

假設(shè)用[eij1

式中[Ei=ei1，ei2，…，eij，…，eik]。依據(jù)設(shè)計者知識類別，通過各種描述轉(zhuǎn)換方式和規(guī)則，利用數(shù)據(jù)挖掘法實現(xiàn)設(shè)計者知識描述轉(zhuǎn)換。

1.3.2 設(shè)計參數(shù)確定

產(chǎn)品外觀設(shè)計過程中涉及的參數(shù)均可通過再次轉(zhuǎn)換變成基本參數(shù)描述問題，公式可描述為：

式中，[X0=x10，x20，…，xj0，…，xn0T，][X0∈Rn，][xj0]描述產(chǎn)品外觀設(shè)計中的功能參數(shù)；[A]描述參數(shù)轉(zhuǎn)換矩陣，其計算公式如下：

因為不同產(chǎn)品外觀設(shè)計參數(shù)之間存在一定的關(guān)系，所以它們之間有矛盾沖突，產(chǎn)品外觀設(shè)計過程即解決參數(shù)沖突的過程。整個解決過程可通過產(chǎn)品設(shè)計問題求解狀態(tài)空間實現(xiàn)：

式中，[-xi，xj]用于描述參數(shù)[xi]和[xj]之間的沖突解決矩陣；[FX]用于描述產(chǎn)生沖突解決與問題狀態(tài)轉(zhuǎn)化的操作。

通過上述分析可獲取下述針對創(chuàng)新設(shè)計問題的解決狀態(tài)空間，可用以下兩元組進(jìn)行描述：[P：Xs，Xr，]其中[Xs]用于描述初始問題狀態(tài)矢量：

也就是設(shè)計者最初對產(chǎn)品設(shè)計求解的期望。[Xr]代表通過TRIZ矛盾關(guān)系矩陣解決設(shè)計問題，公式如下：

依據(jù)上述分析，可通過兩元組[Xs，Xr]對設(shè)計者知識語義模型進(jìn)行描述，通過評價器獲取產(chǎn)品外觀評估結(jié)果，得到最佳設(shè)計方案。

2 實驗結(jié)果分析

實驗首先通過問卷調(diào)查的方式對本文設(shè)計方法的有效性進(jìn)行評價，然后通過魯棒性和多樣性對本文方法的設(shè)計性能進(jìn)行量化評價。

2.1 設(shè)計評價結(jié)果

本文問卷調(diào)查對象主要包括在校設(shè)計專業(yè)本科、碩士、博士生、專業(yè)設(shè)計師以及用戶，詳細(xì)信息用表1進(jìn)行描述。問卷一共發(fā)放400份，收回有效問卷392份，回收率高達(dá)98.00%。

分析表2可以看出，針對產(chǎn)品外觀創(chuàng)新性、產(chǎn)品外觀色彩協(xié)調(diào)性、標(biāo)識可視性、操作舒適性、產(chǎn)品外觀可識別性、結(jié)構(gòu)簡單度、工藝簡單度、成本及節(jié)約原則的評價，本文方法評分結(jié)果明顯高于知識重用方法和Java方法，說明通過本文方法設(shè)計產(chǎn)品外觀的美觀、操作性、結(jié)構(gòu)工藝及經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于知識重用方法和Java方法，且本文方法的總分為4.64分，也高于其他兩種方法，進(jìn)一步驗證了本文方法的有效性。

在競爭日益激烈的產(chǎn)品外觀設(shè)計領(lǐng)域，創(chuàng)新性是影響產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵因素，下面針對產(chǎn)品外觀設(shè)計的創(chuàng)新性進(jìn)行詳細(xì)的測試。將知識重用方法和Java方法作為對比，將創(chuàng)新度作為衡量指標(biāo)，對本文方法創(chuàng)新性進(jìn)行評價，結(jié)果用圖3進(jìn)行描述。

分析圖3可以看出，通過本文方法設(shè)計的產(chǎn)品外觀創(chuàng)新度曲線一直高于知識重用方法和Java方法，說明本文方法更有利于產(chǎn)品外觀創(chuàng)新性的設(shè)計，為產(chǎn)品外觀設(shè)計提供了很好的創(chuàng)造環(huán)境。

2.2 魯棒性測試

本節(jié)將魯棒性和多樣性作為衡量指標(biāo)對本文方法設(shè)計性能進(jìn)行測試。

性能魯棒性是產(chǎn)品外觀設(shè)計性能對性能因素變化敏感程度的體現(xiàn)，當(dāng)性能因素改變幅度一樣時，性能波動區(qū)間越大，則設(shè)計方法的性能魯棒性越低，本節(jié)通過性能魯棒因子對性能魯棒性進(jìn)行衡量。

用[x]描述性能指標(biāo)因素，[y]用于描述設(shè)計性能，用[Δx]描述允許的性能因素改變區(qū)間。針對[x]隨機將其取為[x1，]用[σy]描述[y]在[Δx]下的擾動方差，則[σy]即為[y]在[x=x1]處的性能魯棒因子。

本文方法、知識重用方法和Java方法的性能魯棒性因子比較結(jié)果用圖4進(jìn)行描述。圖4中，[x]的變化區(qū)間是相同的，也就是[Δx1=Δx2=][Δx3，]但其引起的性能波動卻有很大差異，[σy1<σy3<σy2，]所以本文方法的魯棒性高于知識重用方法和Java方法。除此之外，還可以看出[y1>y2>y3，]說明本文方法性能優(yōu)于知識重用方法和Java方法，整體性能高。

一般情況下，用戶對產(chǎn)品外形的要求呈多樣性，本節(jié)將多樣性指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對本文方法的多樣性進(jìn)行評價。

多樣性指標(biāo)計算公式如下：

式中：[si，j]表示設(shè)計產(chǎn)品外觀[i]和理想產(chǎn)品外觀[j]之間的相似度；[Ru]表示設(shè)計方法[u]的設(shè)計方案列表。

對本文方法、知識重用方法和Java方法的多樣性值進(jìn)行比較，結(jié)果用圖5進(jìn)行描述。

分析圖5可以看出，本文方法多樣性曲線較高，且波動平穩(wěn)，明顯優(yōu)于知識重用方法和Java方法，說明本文方法的多樣性強。

3 結(jié) 論

本文提出一種新的基于虛擬現(xiàn)實的人機交互下協(xié)同式產(chǎn)品外觀設(shè)計方法，給出虛擬現(xiàn)實設(shè)計環(huán)境總體結(jié)構(gòu)，在虛擬環(huán)境下，把產(chǎn)品外觀設(shè)計過程看作一個約束判斷與求解過程，將人機結(jié)合在一起，協(xié)同實現(xiàn)產(chǎn)品外觀設(shè)計。對設(shè)計者知識描述進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過再次轉(zhuǎn)換確定設(shè)計參數(shù)。實驗結(jié)果表明，所提方法魯棒性和多樣性高，且設(shè)計的產(chǎn)品外觀普遍評價較高。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁媚.基于三維虛擬現(xiàn)實的便攜式3C產(chǎn)品外觀仿真設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（22）：85?88.

YUAN Mei. Design and implementation of， portable 3C product appearance simulation based on 3D virtual reality technology [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（22）： 85?88.

[2] VIOLANTE M G， VEZZETTI E. A methodology for supporting requirement management tools （RMt） design in the PLM scenario： an user?based strategy [J]. Computers in industry， 2014， 65（7）： 1065?1075.

[3] 林一，陳靖，劉越，等.基于心智模型的虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實混合式移動導(dǎo)覽系統(tǒng)的用戶體驗設(shè)計[J].計算機學(xué)報，2015，38（2）：408?422.

LIN Yi， CHEN Jing， LIU Yue， et al. User experience design of VR?AR hybrid mobile browsing system based on mental model [J]. Chinese journal of computers， 2015， 38（2）： 408?422.

[4] 馬海明，史越，楊俊超，等.無人機通用地面站人機協(xié)同控制決策模型研究[J].計算機仿真，2015，32（8）：136?140.

MA Haiming， SHI Yue， YANG Junchao， et al. Human?computer collaboration decision?making method of UAV common ground station [J]. Computer simulation， 2015， 32（8）： 136?140.

[5] ESSABBAH M， BOUYER G， OTMANE S， et al. A framework to design 3D interaction assistance in constraints?based virtual environments [J]. Virtual reality， 2014， 18（3）： 219?234.

[6] 楊建輝，劉箴，陳浩.基于深度相機的自主虛擬化身情感交互技術(shù)[J].計算機工程，2016，42（6）：293?298.

YANG Jianhui， LIU Zhen， CHEN Hao. Autonomous virtual avatar emotional interaction technology based on depth camera [J]. Computer engineering， 2016， 42（6）： 293?298.

[7] 楊曉文，張志純，況立群，等.基于虛擬手的人機交互關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機應(yīng)用，2015，35（10）：2945?2949.

YANG Xiaowen， ZHANG Zhichun， KUANG Liqun， et al. Key technologies of human?computer interaction based on virtual hand [J]. Journal of computer applications， 2015， 35（10）： 2945?2949.

[8] KHANAL P， VANKIPURAM A， ASHBY A， et al. Collaborative virtual reality based advanced cardiac life support training simulator using virtual reality principles [J]. Journal of biomedical informatics， 2014， 51（C）： 49?59.

[9] KE F， LEE S. Virtual reality based collaborative design by children with high?functioning autism： design?based flexibility， identity， and norm construction [J]. Interactive learning environments， 2015， 24（7）： 1?23.

[10] LYTRAS M D， DAMIANI E， MATHKOUR H. Virtual reality in learning， collaboration and behaviour： content， systems， strategies， context designs [J]. Behaviour & information technology， 2016， 35（11）： 877?878.