淺談計算機輔助工業(yè)設計中的人機交互
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鄭軍峰 杜宏忠1由 分享
論文關(guān)鍵詞：工業(yè)設計 計算機輔助工業(yè)設計 人機交互
論文摘要：計算機輔助工業(yè)設計是工業(yè)設計未來的發(fā)展方向，本文從工業(yè)設計及計算機輔助工業(yè)設計的一般含義出發(fā)，探究計算機輔助工業(yè)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。
工業(yè)設計是一門綜合性學科，其知識體系包括數(shù)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(jīng)濟發(fā)展，改善人的生活方式等方面發(fā)揮了重要的作用。但究竟什么是工業(yè)設計，一直眾說紛紜。2006年國際工業(yè)設計協(xié)會理事會（ICSID）給出的定義認為：設計是一種創(chuàng)造性活動，其目的是確立產(chǎn)品多向度的品質(zhì)、過程、服務及整個生命周期系統(tǒng)，因此，設計是科技人性化創(chuàng)新的核心因素，也是文化與經(jīng)濟交流至關(guān)重要的因素。工業(yè)設計的任務是對結(jié)構(gòu)、組織、功能、表達和經(jīng)濟關(guān)系的發(fā)現(xiàn)和評估，主要表現(xiàn)在：
（1）增強全球可持續(xù)化發(fā)展和對環(huán)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(chǎn)者和市場領(lǐng)導者；
（4）不論世界如何全球化，支援文化多樣化；
（5）賦予產(chǎn)品、服務、系統(tǒng)與其特性在形式（符號的、語義學）的表達上與內(nèi)涵的協(xié)調(diào)（審美的、美學）保持一致。
近五十年工業(yè)設計得到了快速發(fā)展，特別是以計算機和通信技術(shù)為代表的數(shù)字化信息時代的到來，進一步促進了工業(yè)設計的發(fā)展。計算機輔助工業(yè)設計以一種嶄新的面貌進入企業(yè)，改變著企業(yè)傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)過程。
一、計算機輔助工業(yè)設計
20世紀60年代，隨著計算機圖形理論的創(chuàng)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(xiàn)代工業(yè)的迫切需要，因此計算機輔助設計引入工業(yè)設計，也成為一種必然。工業(yè)迅猛發(fā)展，市場日新月異，產(chǎn)品的更新?lián)Q代更加迅速，為了獲得競爭的勝利，企業(yè)就需要縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，獲得更好的市場資料，傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)手段已不能滿足這種需求，借助計算機輔助工業(yè)設計（CAID）的技術(shù)則可以更加容易滿足這種需求。
CAID，即是計算機及其系統(tǒng)集成相關(guān)高新科技，輔助產(chǎn)品（工程）或服務工業(yè)設計的現(xiàn)代設計技術(shù)，它的技術(shù)原理是將設計人員的最佳特性、創(chuàng)造性思維、經(jīng)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(shù)渲染、一定的人工智能、工作狀態(tài)穩(wěn)定且不會疲勞等特性相結(jié)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(zhì)量，降低設計成本。
二、CAID的應用
CAID的應用主要是基于數(shù)字化平臺實現(xiàn)的，借助CAID，企業(yè)可以大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，同時能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量，進而增強企業(yè)的市場競爭力。CAID將科學思維和藝術(shù)思維融合在一起，科學的發(fā)明融入了藝術(shù)的思維，可使產(chǎn)品外觀和操作更加人性化；將科學思維融入到藝術(shù)思維中，可以確保對產(chǎn)品的形態(tài)美及功能美的探求有科學的依據(jù)。
1、計算機輔助形態(tài)設計
計算機輔助形態(tài)設計就是借助計算機軟硬件，通過形態(tài)變化、分割與比例等方法按照形式美法則對產(chǎn)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(shù)美。在這個階段，設計師會經(jīng)常對產(chǎn)品的形態(tài)進行探索，以獲得良好的產(chǎn)品形態(tài)，這必然要求設計師經(jīng)常對已有的產(chǎn)品形態(tài)進行修改。CAID的參數(shù)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(xiàn)基于草圖的三維建模。
2、計算機輔助色彩設計
色彩對于產(chǎn)品的重要性是不言而喻的，不同人群及地域?qū)ι实睦斫獠灰粯樱虼?，設計師要根據(jù)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(tài)的產(chǎn)品，也需要特定的色彩才能更加完美地展現(xiàn)產(chǎn)品的特性。計算機輔助設計中的相關(guān)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(shù)據(jù)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(chǎn)品時的合適尺度關(guān)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(huán)境”相互影響的研究，創(chuàng)造出一個最合理的“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)。
人機設計的好壞將直接影響產(chǎn)品的性能及用戶的安全，好的人機設計將有利于產(chǎn)品性能的最佳發(fā)揮，提高生產(chǎn)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(chǎn)效率，降低產(chǎn)品人機環(huán)境的綜合性能。隨著計算機輔助技術(shù)的發(fā)展，以CAD為代表的三維數(shù)字化產(chǎn)品設計技術(shù)已成為企業(yè)提高競爭力的重要手段，進而出現(xiàn)了“數(shù)字化人機工程”概念，即借助計算機、信息處理技術(shù)，利用計算機輔助人機設計軟件系統(tǒng)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(lǐng)域具有廣泛的應用，在人機工程領(lǐng)域主要用于對姿態(tài)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(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。由此，可以判斷各個方案的價值，確定其優(yōu)劣，以便篩選出最佳的設計方案。評價工具的出現(xiàn)，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(chǎn)品進行藝術(shù)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(shù)美評價系統(tǒng)實質(zhì)上也是個智能專家系統(tǒng)，在系統(tǒng)知識庫中集中了客觀上對某種產(chǎn)品是否美的評價概念，也集中了專家級的藝術(shù)美學思想及認識，它在系統(tǒng)推理中確定了評價藝術(shù)美的準則，然后進行人機對話對產(chǎn)品的藝術(shù)美做出專家級的評價”（汪海波《淺析計算機輔助工業(yè)設計》，載于《安徽工業(yè)大學學報》2005年第4期）。
三、計算機輔助工業(yè)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(shù)為核心”變?yōu)橐?ldquo;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(zhàn)，即如何將信息正確、及時地傳遞給用戶。這就要求用戶和產(chǎn)品實現(xiàn)無障礙交流，因此才有互動模式的CAID實現(xiàn)。目前，在CAID技術(shù)領(lǐng)域，人機交互的研究主要體現(xiàn)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(tǒng)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(huán)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(guān)系，而硬件界面與軟件界面之間的關(guān)系則通過計算機技術(shù)來解決。目前，人機界面主要研究領(lǐng)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(shù)
通過計算機硬件系統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)，可以對人機關(guān)系進行有效的設計、驗證和評估等工作。當前，“虛擬仿真技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在觸覺反饋、壓力反饋等基礎(chǔ)技術(shù)以及人機交互的模擬、人機虛擬環(huán)境的構(gòu)建等方面”（羅海玉《計算機輔助工業(yè)設計技術(shù)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(huán)境中試聽等主觀行為的人機界面技術(shù)。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(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器等。虛擬仿真技術(shù)在國內(nèi)目前主要用于軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域，在工業(yè)設計領(lǐng)域的運用還不多。但是，毫無疑問的是虛擬仿真技術(shù)必然是工業(yè)設計未來發(fā)展的一個主要方向，借助它可以實現(xiàn)設計過程中任一環(huán)節(jié)的考察與操作，可以幫助設計師快速、真實、有效地實現(xiàn)和修改設計方案，減少不必要的體力與腦力勞動，實現(xiàn)與設計團隊的信息交流和資源共享，進而提高產(chǎn)品研發(fā)的速度，快速及時地抓住市場機遇，提高企業(yè)市場競爭力，獲得巨大經(jīng)濟效益。
結(jié) 語
借助CAID可以有效地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，但是，目前CAID技術(shù)還不夠成熟，急需進一步研究。從工業(yè)設計本身而言，隨著人工智能、虛擬仿真等技術(shù)的不斷發(fā)展，設計師的設計思維也將發(fā)生重大變化，人機交互模式的CAID就將成為未來工業(yè)設計發(fā)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(jié)果。
參考文獻
1、 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%B7%A5%E6%A5%AD%E8%A8%AD%E8%A8%88. 維基百科
2、 劉和山、趙英新、黃克正、張明《淺談計算機輔助工業(yè)設計》，載于《山東內(nèi)燃機》1999年第3期
3、 楊海成、陸長德、余隋慶《計算機輔助工業(yè)設計》，北京理工大學出版社2009年版
4、 汪海波《淺析計算機輔助工業(yè)設計》，載于《安徽工業(yè)大學學報》2005年第4期
5、 周蘇、左伍衡、王文、徐新愛《人機界面設計》，科學出版社2007年版
6、 羅海玉《計算機輔助工業(yè)設計技術(shù)綜述》，載于《甘肅科技》2003年第7期
論文摘要：計算機輔助工業(yè)設計是工業(yè)設計未來的發(fā)展方向，本文從工業(yè)設計及計算機輔助工業(yè)設計的一般含義出發(fā)，探究計算機輔助工業(yè)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。
工業(yè)設計是一門綜合性學科，其知識體系包括數(shù)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(jīng)濟發(fā)展，改善人的生活方式等方面發(fā)揮了重要的作用。但究竟什么是工業(yè)設計，一直眾說紛紜。2006年國際工業(yè)設計協(xié)會理事會（ICSID）給出的定義認為：設計是一種創(chuàng)造性活動，其目的是確立產(chǎn)品多向度的品質(zhì)、過程、服務及整個生命周期系統(tǒng)，因此，設計是科技人性化創(chuàng)新的核心因素，也是文化與經(jīng)濟交流至關(guān)重要的因素。工業(yè)設計的任務是對結(jié)構(gòu)、組織、功能、表達和經(jīng)濟關(guān)系的發(fā)現(xiàn)和評估，主要表現(xiàn)在：
（1）增強全球可持續(xù)化發(fā)展和對環(huán)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(chǎn)者和市場領(lǐng)導者；
（4）不論世界如何全球化，支援文化多樣化；
（5）賦予產(chǎn)品、服務、系統(tǒng)與其特性在形式（符號的、語義學）的表達上與內(nèi)涵的協(xié)調(diào)（審美的、美學）保持一致。
近五十年工業(yè)設計得到了快速發(fā)展，特別是以計算機和通信技術(shù)為代表的數(shù)字化信息時代的到來，進一步促進了工業(yè)設計的發(fā)展。計算機輔助工業(yè)設計以一種嶄新的面貌進入企業(yè)，改變著企業(yè)傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)過程。
一、計算機輔助工業(yè)設計
20世紀60年代，隨著計算機圖形理論的創(chuàng)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(xiàn)代工業(yè)的迫切需要，因此計算機輔助設計引入工業(yè)設計，也成為一種必然。工業(yè)迅猛發(fā)展，市場日新月異，產(chǎn)品的更新?lián)Q代更加迅速，為了獲得競爭的勝利，企業(yè)就需要縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，獲得更好的市場資料，傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)手段已不能滿足這種需求，借助計算機輔助工業(yè)設計（CAID）的技術(shù)則可以更加容易滿足這種需求。
CAID，即是計算機及其系統(tǒng)集成相關(guān)高新科技，輔助產(chǎn)品（工程）或服務工業(yè)設計的現(xiàn)代設計技術(shù)，它的技術(shù)原理是將設計人員的最佳特性、創(chuàng)造性思維、經(jīng)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(shù)渲染、一定的人工智能、工作狀態(tài)穩(wěn)定且不會疲勞等特性相結(jié)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(zhì)量，降低設計成本。
二、CAID的應用
CAID的應用主要是基于數(shù)字化平臺實現(xiàn)的，借助CAID，企業(yè)可以大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，同時能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量，進而增強企業(yè)的市場競爭力。CAID將科學思維和藝術(shù)思維融合在一起，科學的發(fā)明融入了藝術(shù)的思維，可使產(chǎn)品外觀和操作更加人性化；將科學思維融入到藝術(shù)思維中，可以確保對產(chǎn)品的形態(tài)美及功能美的探求有科學的依據(jù)。
1、計算機輔助形態(tài)設計
計算機輔助形態(tài)設計就是借助計算機軟硬件，通過形態(tài)變化、分割與比例等方法按照形式美法則對產(chǎn)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(shù)美。在這個階段，設計師會經(jīng)常對產(chǎn)品的形態(tài)進行探索，以獲得良好的產(chǎn)品形態(tài)，這必然要求設計師經(jīng)常對已有的產(chǎn)品形態(tài)進行修改。CAID的參數(shù)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(xiàn)基于草圖的三維建模。
2、計算機輔助色彩設計
色彩對于產(chǎn)品的重要性是不言而喻的，不同人群及地域?qū)ι实睦斫獠灰粯樱虼?，設計師要根據(jù)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(tài)的產(chǎn)品，也需要特定的色彩才能更加完美地展現(xiàn)產(chǎn)品的特性。計算機輔助設計中的相關(guān)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(shù)據(jù)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(chǎn)品時的合適尺度關(guān)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(huán)境”相互影響的研究，創(chuàng)造出一個最合理的“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)。
人機設計的好壞將直接影響產(chǎn)品的性能及用戶的安全，好的人機設計將有利于產(chǎn)品性能的最佳發(fā)揮，提高生產(chǎn)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(chǎn)效率，降低產(chǎn)品人機環(huán)境的綜合性能。隨著計算機輔助技術(shù)的發(fā)展，以CAD為代表的三維數(shù)字化產(chǎn)品設計技術(shù)已成為企業(yè)提高競爭力的重要手段，進而出現(xiàn)了“數(shù)字化人機工程”概念，即借助計算機、信息處理技術(shù)，利用計算機輔助人機設計軟件系統(tǒng)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(lǐng)域具有廣泛的應用，在人機工程領(lǐng)域主要用于對姿態(tài)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(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。由此，可以判斷各個方案的價值，確定其優(yōu)劣，以便篩選出最佳的設計方案。評價工具的出現(xiàn)，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(chǎn)品進行藝術(shù)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(shù)美評價系統(tǒng)實質(zhì)上也是個智能專家系統(tǒng)，在系統(tǒng)知識庫中集中了客觀上對某種產(chǎn)品是否美的評價概念，也集中了專家級的藝術(shù)美學思想及認識，它在系統(tǒng)推理中確定了評價藝術(shù)美的準則，然后進行人機對話對產(chǎn)品的藝術(shù)美做出專家級的評價”（汪海波《淺析計算機輔助工業(yè)設計》，載于《安徽工業(yè)大學學報》2005年第4期）。
三、計算機輔助工業(yè)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(shù)為核心”變?yōu)橐?ldquo;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(zhàn)，即如何將信息正確、及時地傳遞給用戶。這就要求用戶和產(chǎn)品實現(xiàn)無障礙交流，因此才有互動模式的CAID實現(xiàn)。目前，在CAID技術(shù)領(lǐng)域，人機交互的研究主要體現(xiàn)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(tǒng)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(huán)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(guān)系，而硬件界面與軟件界面之間的關(guān)系則通過計算機技術(shù)來解決。目前，人機界面主要研究領(lǐng)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(shù)
通過計算機硬件系統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)，可以對人機關(guān)系進行有效的設計、驗證和評估等工作。當前，“虛擬仿真技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在觸覺反饋、壓力反饋等基礎(chǔ)技術(shù)以及人機交互的模擬、人機虛擬環(huán)境的構(gòu)建等方面”（羅海玉《計算機輔助工業(yè)設計技術(shù)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(huán)境中試聽等主觀行為的人機界面技術(shù)。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(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器等。虛擬仿真技術(shù)在國內(nèi)目前主要用于軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域，在工業(yè)設計領(lǐng)域的運用還不多。但是，毫無疑問的是虛擬仿真技術(shù)必然是工業(yè)設計未來發(fā)展的一個主要方向，借助它可以實現(xiàn)設計過程中任一環(huán)節(jié)的考察與操作，可以幫助設計師快速、真實、有效地實現(xiàn)和修改設計方案，減少不必要的體力與腦力勞動，實現(xiàn)與設計團隊的信息交流和資源共享，進而提高產(chǎn)品研發(fā)的速度，快速及時地抓住市場機遇，提高企業(yè)市場競爭力，獲得巨大經(jīng)濟效益。
結(jié) 語
借助CAID可以有效地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，但是，目前CAID技術(shù)還不夠成熟，急需進一步研究。從工業(yè)設計本身而言，隨著人工智能、虛擬仿真等技術(shù)的不斷發(fā)展，設計師的設計思維也將發(fā)生重大變化，人機交互模式的CAID就將成為未來工業(yè)設計發(fā)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(jié)果。
參考文獻
1、 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%B7%A5%E6%A5%AD%E8%A8%AD%E8%A8%88. 維基百科
2、 劉和山、趙英新、黃克正、張明《淺談計算機輔助工業(yè)設計》，載于《山東內(nèi)燃機》1999年第3期
3、 楊海成、陸長德、余隋慶《計算機輔助工業(yè)設計》，北京理工大學出版社2009年版
4、 汪海波《淺析計算機輔助工業(yè)設計》，載于《安徽工業(yè)大學學報》2005年第4期
5、 周蘇、左伍衡、王文、徐新愛《人機界面設計》，科學出版社2007年版
6、 羅海玉《計算機輔助工業(yè)設計技術(shù)綜述》，載于《甘肅科技》2003年第7期