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設計研究

基于遺傳算法的人機交互式產品形態創新設計研究

瀏覽:2274 日期:2012-12-10

產品形態是表達產品設計思想與實現產品功能的語言和媒介,通過形態的設計不僅要實現產品的使用功能還要傳達精神、文化等層面的意義與象征性,所以產品形態是產品自身的功能、結構、材料以及工藝技術等客觀因素,與設計者和消費者在審美、價值判斷等主觀因素相互作用的綜合結果。在現代的消費市場,特別是在日用產品中,產品的審美功能已經成為影響消費者的重要因素之一。由于現代科技的系統性和復雜性以及技術擴散的影響,一種產品的技術水平遠遠超出競爭對手的情況并不多見,在成熟的市場競爭中,往往是多種參與競爭的產品技術水平和使用功能相當,那么在這種情況下,個性化和時尚化就成為消費者是否購買該產品的決定性因素,而產品外觀形態則是體現個性的最直接方式。在產品的設計過程中,單獨靠設計師或計算機完成設計任務所得設計結果很有可能有較大的局限性,而將設計師的評判與計算機強大的圖形演化能力相結合效果會比較好。基于此,本研究在人-機特性分析基礎上,提出一種應用于產品形態創新的人機交互設計方法。

1 創新過程中人機特性分析

傳統的工業設計中,產品的形態設計主要依賴于設計師的創造性思維。設計師需要運用發散思維探尋不同的方案,同時也需要運用收斂思維進行評價、總結,發散與收斂思維在形態設計過程中是相互滲透、相互影響、相互協調的,只有把兩者很好的結合起來,才能得到良好的結果。形態設計的發散思維作為一種設計思維方法,本身也是各種思維方法的綜合,在形態設計的發散過程中可充分調動思維的活躍性,采用意識流、聯想、逆向等各種思維方法獲得盡可能多的人性化的形態設計方案。但是,設計師具有自身的社會、文化、民族等背景,其設計思維往往會受到這些因素的影響而具有一定的局限性。現代工業設計中,計算機軟件邏輯運算能力和圖形衍化功能被廣泛應用,使得產品設計效率得以很大程度的提高。其設計手法與表現效果是其它設計語言所無法比擬的。計算機設計對產品形態的創作在表現技法上有諸多的便利性,無數新的可能性等待設計師去選擇與運用,手法與風格的多樣性可以讓設計者展開思維空間與拓展設計理念,極大地豐富了產品的形態,并使其更具個性化和時尚化。但是,計算機設計由于技術的問題很有可能陷入局部最優。為此,單純地依靠計算機進行形態衍化所得結果和設計師的期望很有可能存在較大的偏差。本文旨在將設計師和計算機的優勢相結合而應用于產品形態創新設計。

在產品形態設計過程中人起到主要作用?蛻魧τ诋a品的認知涉及到復雜的心理因素,包括客戶視覺、聽覺、觸覺以及其它心理認知。而諸多心理認知中尤其以視覺沖擊最為強烈。這些感知很難以理性的手段分解為創新設計中對應的產品構成元素與造型法則。而設計師通常憑借自身的經驗、直覺和靈感獲取產品外形特征,并直接將其反映到新設計中,但這種感性的操作方式缺乏理性的支持。難以形成一套切實可行的客戶主導的產品設計方法。所以,設計師應該充分利用消費者的認知來實現產品外形特征元素的創新。設計師的信息接受及分析能力、計劃制定、決策執行能力將至關重要。

研究將人的認知模型引入到產品形態設計并與計算機技術相結合構成人-機交互模型,如圖1所示。在此模型中人被看做一個信息處理系統,首先從外界獲取信息,然后對信息進行過濾分析,以此為基礎做出決策、制定計劃,并對計算機發出操作指令,計算機在執行完操作后將信息反饋給人。

2 基于遺傳算法的產品形態創新設計模式

遺傳算法同時搜索解空間中的許多點,可以有效防止搜索過程過早收斂于局部最優解,有較大把握求得全局最優解。遺傳算法實施步驟包括基因編碼、生成初始種群、適應度評估、選擇、交叉和變異。本文中應用其輔助設計者完成產品形態的創新設計,所運用的關于遺傳算法的幾個關鍵問題包括基因編碼、初始群體生成、交叉運算和變異運算。

    1產品形態的基因編碼,將產品形態的表現型轉換為基因編碼串,使之能反映出產品形態,同時具備遺傳算法運算的可行性。

    2選擇初始種群,將變量等分而產生的初始種群在整個解空間均勻分布,便便于問題的求解。設計師根據課題的需要,在收集大量的產品并應用上述方法對其進行分析的基礎上,選出數量合適的初始種群。

3 基于遺傳算法的人機交互式產品形態創新設計流程,基于遺傳算法的人機交互式產品形態創新設計過程中,人和機各有分工。遺傳算法的操作主要包括交叉和變異,操作對象并非是所求解問題的實際變量,而是可行解的個體編碼。而選擇評判的工作則由設計師來完成。其具體流程如圖2所示。

3 應用實例

以高腳杯的形態創新設計為例來說明本方法的具體應用。

1確定點集A及編碼,通過調整點1、點2、點3、點4、5、點67的位置設計高腳杯的造型。其中點1沿x軸和y軸移動,控制杯口的直徑和高度;點2和點3沿x軸和y軸移動,控制杯體的形態;點4、56沿x軸和y軸移動,控制杯體和杯腿形態,如圖3所示。應用二進制編碼便可描述出高腳杯的總體輪廓。

2初始種群,初始種群由設計者根據設計需求來確定。本文中初始種群的數量為4。

3)遺傳算法操作,設置交叉概率變異概率,進行遺傳運算,得到種群規模為28的子代種群(包括父代種群、交叉所得種群及變異所得種群)。設計師根據設計需求從子代種群選擇4個個體作為父代,重復上述操作。如果28個子代個體中沒有設計師心儀的形態則可以對原初始群體反復進行遺傳運算。以S型杯身短腿為設計目標經數次演化所得結果如圖4所示.。

                                     圖4

4 結束語

    本研究在分析人機特性的基礎上,提出了人機交互式產品形態創新設計的方法。該方法中設計師發揮對產品形態直觀評價的優勢,計算機通過遺傳算法發揮形態演化的優勢。經實例應用表明,該方法切實可行,在一定程度上能有效提高設計的效率,產生許多滿足目標期望的良好形態。

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