電子論文刊發淺析計算機輔助工業設計

　　本篇文章是由《現代電信科技》發表的一篇電子論文，(月刊)創刊于1971年，由信息產業部電信科技情報研究所主辦。本刊立足我國電信事業現狀，放眼世界電信技術發展，為廣大電信工程技術工作者、電信運營與管理人士提供國內外電信科技的前沿信息，把握方向、遠近結合，重在技術內容的超前性、指導性與實用性，促進中國通信現代化。榮獲信息產業部優秀科技期刊一等獎、中文核心期刊(1996)。

　　摘要：計算機輔助工業設計是工業設計未來的發展方向，本文從工業設計及計算機輔助工業設計的一般含義出發，探究計算機輔助工業設計的應用，著重探討計算機輔助設計中的人機交互，并對其做出了展望。

　　關鍵詞：工業設計　計算機輔助工業設計　人機交互

　　工業設計是一門綜合性學科，其知識體系包括數學、物理學、材料學、工程學、電子學、機械學、色彩學、心理學、美學、傳播學及倫理學等。它在促進經濟發展，改善人的生活方式等方面發揮了重要的作用。但究竟什么是工業設計，一直眾說紛紜。2006年國際工業設計協會理事會(ICSID)給出的定義認為：設計是一種創造性活動，其目的是確立產品多向度的品質、過程、服務及整個生命周期系統，因此，設計是科技人性化創新的核心因素，也是文化與經濟交流至關重要的因素。工業設計的任務是對結構、組織、功能、表達和經濟關系的發現和評估，主要表現在：

　　(1)增強全球可持續化發展和對環境的保護;

　　(2)賦予人類社會整體、個人、集體以利益與自由;

　　(3)決定用戶、生產者和市場領導者;

　　(4)不論世界如何全球化，支援文化多樣化;

　　(5)賦予產品、服務、系統與其特性在形式(符號的、語義學)的表達上與內涵的協調(審美的、美學)保持一致。

　　近五十年工業設計得到了快速發展，特別是以計算機和通信技術為代表的數字化信息時代的到來，進一步促進了工業設計的發展。計算機輔助工業設計以一種嶄新的面貌進入企業，改變著企業傳統的產品研發過程。

　　一、計算機輔助工業設計

　　20世紀60年代，隨著計算機圖形理論的創立，計算機輔助設計(CAD)應運而生。隨之而來的是軟硬件的不斷更新和現代工業的迫切需要，因此計算機輔助設計引入工業設計，也成為一種必然。工業迅猛發展，市場日新月異，產品的更新換代更加迅速，為了獲得競爭的勝利，企業就需要縮短產品的研發周期，獲得更好的市場資料，傳統的產品研發手段已不能滿足這種需求，借助計算機輔助工業設計(CAID)的技術則可以更加容易滿足這種需求。

　　CAID，即是計算機及其系統集成相關高新科技，輔助產品(工程)或服務工業設計的現代設計技術，它的技術原理是將設計人員的最佳特性、創造性思維、經驗知識、綜合判斷與決策能力、想象能力、審美能力等，與計算機的強大記憶、信息檢索能力、海量信息高速精確計算與處理能力、易修改設計、虛擬真實顯示、藝術渲染、一定的人工智能、工作狀態穩定且不會疲勞等特性相結合，從而提高設計速度和效率，大大縮短設計周期，保證設計質量，降低設計成本。

　　二、CAID的應用

　　CAID的應用主要是基于數字化平臺實現的，借助CAID，企業可以大大縮短產品的研發周期，降低產品的研發成本，同時能夠保證產品的質量，進而增強企業的市場競爭力。CAID將科學思維和藝術思維融合在一起，科學的發明融入了藝術的思維，可使產品外觀和操作更加人性化;將科學思維融入到藝術思維中，可以確保對產品的形態美及功能美的探求有科學的依據。

　　1、計算機輔助形態設計

　　計算機輔助形態設計就是借助計算機軟硬件，通過形態變化、分割與比例等方法按照形式美法則對產品的造型進行探究，以獲得功能布局合理、操作人性化的技術美。在這個階段，設計師會經常對產品的形態進行探索，以獲得良好的產品形態，這必然要求設計師經常對已有的產品形態進行修改。CAID的參數化功能，便于反復修改尺寸、線型等;具有較強的曲面造型功能;能夠快速地實現基于草圖的三維建模。

　　2、計算機輔助色彩設計

　　色彩對于產品的重要性是不言而喻的，不同人群及地域對色彩的理解不一樣，因此，設計師要根據不同的目標人群在特定的使用情景下使用特定的色彩，同時，特定形態的產品，也需要特定的色彩才能更加完美地展現產品的特性。計算機輔助設計中的相關軟件一般都有強大的色彩編輯器，及色彩拾取功能，這可以讓設計師方便地選取色彩，進而提高設計師的工作效率，也更加便于對色彩的修改。此外，軟件的色彩數據庫能不時更新，保證了設計的時代性、時尚性。

　　3、計算機輔助人機設計

　　人機工程的主要任務是研究用戶使用產品時的合適尺度關系、操作方式，及使用時的生理反應與心理感受。它的根本目的在于通過對“人-機-環境”相互影響的研究，創造出一個最合理的“人-機-環境”系統。

　　人機設計的好壞將直接影響產品的性能及用戶的安全，好的人機設計將有利于產品性能的最佳發揮，提高生產效率，反之，將威脅用戶的身體健康，給用戶的操作帶來不便，降低生產效率，降低產品人機環境的綜合性能。隨著計算機輔助技術的發展，以CAD為代表的三維數字化產品設計技術已成為企業提高競爭力的重要手段，進而出現了“數字化人機工程”概念，即借助計算機、信息處理技術，利用計算機輔助人機設計軟件系統進行人機設計與評價。如運動型人體模型，它可以用來模擬人體的運動特性，在影視、工程設計、軍事領域具有廣泛的應用，在人機工程領域主要用于對姿態與動作的分析。

　　4、計算機輔助設計評價

　　借助CAID對設計方案進行評價是提高設計質量的一個重要環節。由此，可以判斷各個方案的價值，確定其優劣，以便篩選出最佳的設計方案。評價工具的出現，使得設計評價方法和原則具有更強的可操作性。例如利用計算機對產品進行藝術美學的評價和分析，這是CIAD進行評價的一個突出案例。“計算機藝術美評價系統實質上也是個智能專家系統，在系統知識庫中集中了客觀上對某種產品是否美的評價概念，也集中了專家級的藝術美學思想及認識，它在系統推理中確定了評價藝術美的準則，然后進行人機對話對產品的藝術美做出專家級的評價”(汪海波《淺析計算機輔助工業設計》，載于《安徽工業大學學報》2005年第4期)。

　　三、計算機輔助工業設計的人機交互

　　信息在人類社會活動中變得越來越重要，當今社會已從以“技術為核心”變為以“信息為核心”，這標志著社會的進步，同時，也給設計者帶來了一定的挑戰，即如何將信息正確、及時地傳遞給用戶。這就要求用戶和產品實現無障礙交流，因此才有互動模式的CAID實現。目前，在CAID技術領域，人機交互的研究主要體現在人機界面設計和虛擬仿真設計等方面。

　　1、人機界面設計

　　計算機系統中的人機界面也稱為用戶界面，它介于用戶和計算機之間，是用戶與計算機進行信息傳遞和信息交換的載體，是用戶使用計算機的綜合操作環境。人機界面中設計師的作用就是處理人與硬件界面和軟件界面的關系，而硬件界面與軟件界面之間的關系則通過計算機技術來解決。目前，人機界面主要研究領域是人機界面模型設計、虛擬界面設計、多感官界面設計和多用戶界面設計等。

　　2、虛擬仿真技術

　　通過計算機硬件系統的虛擬仿真技術，可以對人機關系進行有效的設計、驗證和評估等工作。當前，“虛擬仿真技術的研究主要體現在觸覺反饋、壓力反饋等基礎技術以及人機交互的模擬、人機虛擬環境的構建等方面”(羅海玉《計算機輔助工業設計技術綜述》，載于《甘肅科技》2003年第7期)。它是一種高度逼真地模擬人在自然環境中試聽等主觀行為的人機界面技術。目前，已有很多設備可以用來虛擬仿真設計，如三位空間交互球、力反饋器、數據手套、頭盔顯示器等。虛擬仿真技術在國內目前主要用于軍事領域、航空航天領域，在工業設計領域的運用還不多。但是，毫無疑問的是虛擬仿真技術必然是工業設計未來發展的一個主要方向，借助它可以實現設計過程中任一環節的考察與操作，可以幫助設計師快速、真實、有效地實現和修改設計方案，減少不必要的體力與腦力勞動，實現與設計團隊的信息交流和資源共享，進而提高產品研發的速度，快速及時地抓住市場機遇，提高企業市場競爭力，獲得巨大經濟效益。

　　結 語

　　借助CAID可以有效地縮短產品的研發周期，但是，目前CAID技術還不夠成熟，急需進一步研究。從工業設計本身而言，隨著人工智能、虛擬仿真等技術的不斷發展，設計師的設計思維也將發生重大變化，人機交互模式的CAID就將成為未來工業設計發展的必然趨勢，更加人性、快捷、真實的人機交互方式將會是CAID中人機交互的必然結果。

　　參考文獻

　　1、 劉和山、趙英新、黃克正、張明《淺談計算機輔助工業設計》，載于《山東內燃機》1999年第3期