автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Разработка дизайна изделий методом автоматизированного варьирования параметров модели

Полный текст автореферата диссертации по теме "Разработка дизайна изделий методом автоматизированного варьирования параметров модели"

005016204

Дронов Владимир Владимирович

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ДГОАИНА ИЗДЕЛИИ МЕТОДОМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВАРЬИРОВАНИЯ

ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ

Специальность 17.00.06 — Техническая эстетика и дизайн

3 МАЙ 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005016204

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор философских наук, профессор Кухта Мария Сергеевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Холин Николай Николаевич

кандидат технических наук Коржов Евгений Геннадьевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Диссертационного Совета Д 212.119.04 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» по адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, 20, а зале заседаний Ученого Совета.

Текст автореферата размещен на сайте http://vvww.mgupi.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

Защита диссертации состоится « » мая 2012 г.

часов на заседании

диссертационного совета

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Создание объектов дизайна в настоящее время неразрывно связано с применением прогрессивных технологий, а также с постоянным развитием технических средств и методов, применяемых в процессе проектирования. В первую очередь это обусловлено развитием компьютерной техники и средств автоматизации производства.

Технология быстрого прототипирования, получившая распространение в последнее десятилетие, позволяет в значительной степени сократить время на изготовление опытных образцов продукции, а применение оборудования с числовым программным управлением обеспечивает внедрение так называемых «безбумажных» технологий, когда создание чертежей изделия не требуется для его изготовления. В связи с этим появляется возможность за тот же отрезок времени рассмотреть большее количество вариантов проектируемого изделия.

В условиях конкурентного сосуществования на рынке субъектов, предлагающих дизайнерские услуги, немаловажными факторами становятся временные затраты на разработку дизайн-проекта изделия, а также количество предоставляемых заказчику вариантов изделия.

В свою очередь увеличение количества вариантов обусловливает необходимость решения смежной задачи - совокупной оценки качества предлагаемых вариантов дизайна. Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью обеспечить дизайнера методом, позволяющим в автоматизированном режиме создавать большее количество вариантов параметрической виртуальной модели с последующей интеграцией их в технологический процесс.

Обоснованное применение такого метода позволит находить новые дизайнерские решения и снизить трудозатраты на получение вариантности внешней формы изделия.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является компьютерное проектирование изделий. Предметом исследования являются автоматизированные способы осуществления процессов художественного проектирования изделий.

3

Цель и задачи работы

Цель диссертационной работы - разработка научно обоснованного метода автоматизированного получения вариантов дизайна трехмерной компьютерной модели изделия и их оценки.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих взаимосвязанных задач:

1. Проанализировать характеристики программных платформ для создания трехмерных моделей изделий, наиболее значимых для применения их в дизайне.

2. Предложить и научно обосновать метод автоматизированного создания вариантов дизайна изделия.

3. Разработать методику оценки качества полученных вариантов дизайна.

4. Определить класс объектов дизайна, для которых рекомендовано применение данного метода.

5. Определить основные временные показатели, влияющие на дизайн-проектирование с использованием предложенного метода.

Методы исследования

В качестве методологической базы применялся системный подход, предполагающий комплексное рассмотрение предмета исследования. Для получения аналитических данных использовался метод сравнительного анализа. Экспериментальные исследования проводились с использованием экспертных методов. Обработка экспериментальных данных проводилась на ЭВМ с применением методов математической статистики.

Научная новизна работы

1. Впервые предложен и научно обоснован метод автоматизированного получения вариантов дизайна изделия.

2. Обоснованы критерии отбора вариантов дизайна, получаемых автоматизированным методом.

3. Разработана методика оценки вариантов модели, получаемых автоматизированным методом, учитывающая требования технической эстетики к формообразованию.

4. Определены границы применимости метода в дизайне.

5. Предложен вариант расчета временных затрат при использовании предлагаемого метода.

Практическая значимость работы

1. Впервые предложено автоматизированное получение вариантов виртуальной параметрической модели с помощью подключаемого программного модуля АиюМогрЬ на платформе САПР ЗоШУ/огкз.

2. Выработаны практические рекомендации по оценке и рациональному выбору варианта модели.

3. Применение разработанного метода позволяет получить большее количество вариантов дизайна изделия с последующей интеграцией в производство.

Апробация работы

Результаты исследования на разных этапах и по различным аспектам общей проблематики диссертации отражены в 10 научных статьях, 3 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Основные результаты исследования обсуждались на XII Всероссийской научно-практической конференции «Технология художественной обработки материалов» (Ростов-на-Дону, 2009); XIII, XVI, XVII Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007, 2010, 2011); XIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Москва, 2010); Всероссийской научной конференции «Перспективы развития гуманитарных и технических систем» (Таганрог, 2011); V Международной конференции «Технические университеты: интеграция с мировыми системами образования» (Ижевск, 2012).

Программное обеспечение для автоматического создания конфигураций в документах деталей ЗоНсГМэгкз на основе заданных пользователем параметров АиюМогрЬ защищено свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011611974.

Внедрение результатов исследования подтверждено актом внедрения в деятельность фирмы по производству художественных керамических изделий «Сал-тан», г. Томск. Получен отзыв на разработанный программный модуль АиюМогрЬ

от фирмы «Process4Biz», г. Новосибирск, подтверждающий применение современных технологий при создании программного обеспечения.

Материалы диссертации представлялись на научно-методических семинарах: кафедры «Автоматизация и роботизация в машиностроении» Национального исследовательского Томского политехнического университета (протокол №242 от 29 июня 2011 г.), кафедры «Компьютерный дизайн» Московского государственного университета приборостроения и информатики (протокол №2 от 20 февраля 2012 г.) и рекомендованы к защите.

Личное участие автора

Все результаты исследований, изложенные в настоящей диссертации, получены самим автором либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке задач, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов, формулировке выводов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения, списка использованных источников из 96 наименований. Текст работы изложен на 112 страницах, содержит 38 рисунков и 19 таблиц.

Достоверность результатов

Теоретическая достоверность результатов подтверждается: научным обоснованием положений, выносимых на защиту; тщательной обработкой и обобщением научных исследований и экспериментальных данных по изучаемой проблеме; публикациями и докладами, представленными на международных и российских конференциях; отзывом и актом внедрения; свидетельством о регистрации программного продукта AutoMorph.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отражается научная новизна и практическая значимость работы. Выявлена степень теоретической и практической разработанности проблемы. Приводится краткое изложение структуры диссертации.

В первой главе «Аналитический обзор методов автоматизации в дизайне» выявлены и исследованы тенденции в области автоматизации процесса формообразования в дизайне. Представлен анализ существующих методов, позволяющих получать новые варианты дизайна изделия на основании внесенной пользователем информации.

В результате проведенного анализа выявлено, что алгоритмы, применяемые для решения подобного рода задач, являются формализацией тех или иных эвристических методов.

Эвристические методы в контексте данной работы понимаются как последовательность предписаний или процедур обработки информации, выполняемых с целью поиска новых дизайнерских решений. Так, в архитектурном дизайне и дизайне ювелирных изделий получили распространение генетические алгоритмы. Генетический алгоритм - алгоритм поиска, используемый для решения задач моделирования путём случайного подбора, комбинирования и вариации исходных параметров с использованием механизмов, напоминающих биологическую эволюцию, таких как скрещивание (замещение элементов одного генотипа элементами другого), мутация (случайное изменение элементов) и сформулированный определенным образом эволюционный отбор. Так, например, производитель ювелирной продукции Nervous System использует программное обеспечение, имитирующее рост нервных клеток в организме человека, для автоматизированного формообразования уникальных изделий.

Метод мозгового штурма, относящийся к эвристическим методам, может быть формализован получением случайных решений в заданных исходных ограничениях. Единственной автоматизированной реализацией этого метода применительно к дизайну является инструмент «BrainStorm» из анимационного пакета Adobe AfterEffects, однако этот инструмент применим лишь в области графического дизайна.

Распространенные на сегодняшний день программы, реализующие те или иные эвристические методы в области дизайна, имеют следующую особенность: для того чтобы получить результат необходимо обладать навыками программирования. Привычный к визуальному представлению информации дизайнер оказывается на незнакомой ему территории, т.к., несмотря на высокий потенциал таких

программных пакетов в области автоматизированного создания моделей для пользователя они сложны в освоении.

Согласно исследованиям (С. Криш, Р. Арнхейм, Ю. Конорски, Р. Грегори), для рациональной организации работы дизайнера необходимо обеспечение следующих условий:

- визуальное, а не описательное представление информации об объекте (в отличие от алгоритмов, предполагающих необходимость кодирования информации);

- наличие средств для измерения и сопоставления реальных размеров объектов друг с другом;

- возможность произвольного изменения эскиза или модели, в том числе и пороговые изменения параметров формы, которые предполагают переход к новой форме (новому эскизу);

- возможность повторного использования внесенной информации (итеративный характер эскизирования).

Таким образом, метод, позволяющий в автоматизированном режиме получать вариации исходной модели, не требующий написания программного кода пользователем и предоставляющий возможность максимально использовать визуальное представление модели для задания параметров создания новых вариантов, в настоящее время не представлен, что определяет необходимость его разработки.

Во второй главе «Исследование современных программных платформ трехмерного моделирования» проведен анализ существующих средств построения трехмерных компьютерных моделей объектов дизайна, обосновано применение систем параметрического трехмерного моделирования в качестве платформы для реализации инструмента автоматизированного создания вариантов модели.

Произведено аналитическое сравнение систем трехмерного компьютерного моделирования и представлены функциональные возможности двух классов систем:

- пакеты ЗБ визуализации позволяют получать фотореалистичные изображения трехмерных моделей и создавать анимацию;

- пакеты САПР позволяют проводить инженерный анализ, разработку технологии и оформление конструкторской документации.

Из существующих на сегодняшний день способов трехмерного компьютерного моделирования можно выделить два наиболее значимых метода: - сеточная аппроксимация при помощи пакетов трехмерной визуализации; -построение математически точных параметрических трехмерных моделей при помощи систем автоматизированного проектирования (САПР).

Установлена связь между этапами производственного цикла и указанными двумя подходами к моделированию, при этом учитывались, прежде всего, наличие пригодной геометрической информации либо возможность использования представленной в моделях геометрической информации без дополнительных преобразований. Показано, что имеется инструментарий для автоматизированного внесения вариативности в модели в средствах 30 визуализации, однако внедрение моделей такого формата в производство предполагает дополнительные шаги по изменению формата модели либо уточнения геометрической информации, содержащейся в модели.

Рассмотрены предпосылки к применению некоторых эвристических методик, в частности второго этапа мозгового штурма, на платформе промышленной САПР. Выявлено, что благодаря открытым интерфейсам программирования приложений, внедрение подобного рода инструментария возможно практически во все распространенные на сегодняшний день САПР. Недостающая в конкретном пакете функция может быть реализована через интерфейс программирования.

В выводе главы обосновано применение САПР как наиболее удобной платформы для моделирования и реализации предлагаемого метода с учетом последующего внедрения модели в производство и получения конструкторской документации, наличия параметрической информации о геометрии модели для автоматизированной разработки технологии.

В третьей главе «Разработка и реализация метода автоматизированного варьирования параметров модели» на основе исследований, представленных в предыдущей главе, разработан и реализован алгоритм автоматизированного создания вариантов модели в виде подключаемого программного модуля АиЮМогрЬ.

Процесс создания модели состоит из следующих взаимосвязанных этапов: выбор модели-прототипа; выявление набора значимых параметров модели; определение диапазона изменений параметров. При этом апробация изменений в наборе

параметров может выявить ошибки в иерархии построения модели, в свою очередь изменения в наборе и диапазоне изменения параметров могут повлечь взаимные изменения и т.д. В процессе определения набора параметров дизайнер имеет постоянную визуальную обратную связь с моделью, может протестировать диапазоны изменения параметров перед созданием заданного количества вариантов модели.

Схема процесса автоматизации формообразования при помощи разработанного программного модуля Аи1оМогр11 приведена на рис. 1.

Алгоритм автоматизированного получения вариантов моделей включает в себя следующие этапы:

1. Анализ формы существующих дизайнерских решений изделия.

2. Выделение целесообразных параметров, определяющих форму изделия.

3. Определение допустимых диапазонов изменения параметров.

4. Построение параметрической виртуальной модели изделия.

5. Автоматизированное создание вариантов дизайна на основе параметров, определенных на этапе 2 и 3.

6. Оценка качества полученных вариантов дизайна.

В качестве исходных данных пользователь задает набор параметров, указывая их в графической области интерфейса программы (рис. 2).

АшоМогрЬ ряпс!

ТоЫз На» • ^ - Ц .

Л ^ 4 * ♦ Ь. УЩ а> в • '" а « >* - V •

| омаип [ оно ткача [ ~

Ч. а * • в- Э- * А- ••

добавить | Удалить удалить есе : йвто мхеат Базовое имя хофигураиии

Колич«СТьо

50

|Генерироб»ть конфигурации |

АППОШуоп* 5иНас« 8о<йе*(3) 5оПй Во<й«

Еяиа^оги

ММеги! <по( $ресШе<1>

РгогЛ Р1«пе

Тор Р1апе

йдЫ Р1«пе

Опдт

(-) РЯОЫТ.Р1С (•) 510£_Р1С

$_5КЕТСН 5иг*а<:е-1оМ 5иг<все-ЬЛгис1е5 вигТасе-Тпт!

Рис. 2. Панель АмоМогрк с набором параметров модели.

Затем он определяет диапазон изменения для каждого из параметров, а также будет ли параметр ограничен целочисленными значениями. После задания количества необходимых вариантов происходит их создание за счет придания случайного приращения каждому из заданных параметров с условием, что получаемое значение не выходит за рамки заданного диапазона. Схема алгоритма программы приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема алгоритма программного модуля АШоМогрк.

11

В алгоритме в виде изменяемых или фиксированных параметров используются эргономические и антропометрические критерии: статистически отработанные наборы числовых данных (рост человека, размеры ладони, расстояние до глаз, перпендикуляр к направлению взгляда и т. п.), позволяющие на этапе проектирования задать конкретные ограничения на форму, размер и пропорции модели или ее составных частей (У. Вудсон, Д. Коновер, В.Ф. Рунге).

Поскольку формализация эстетических критериев в виде числовых параметров не всегда возможна для всей совокупности проектируемых изделий, представляется оптимальным, чтобы этап предварительной параметризации проводился дизайнером. Он должен учитывать научно обоснованные требования к композиции, масштабу, пропорциям, а также применять традиционные соотношения.

Итогом главы является реализация алгоритма автоматизированного создания вариантов параметрической модели в виде подключаемого программного модуля АиЦзМогрЬ на платформе САПР 8оНс1\Уогк5.

В четвертой главе «Методика оценки качества дизайна вариантов модели» научно обоснована методика оценки вариантов модели и выделены границы применимости предложенного метода автоматизации в дизайне.

Основой методики являются заочные экспертные методы, т.к. они позволяют провести оценку моделей по определенному дизайнером либо заказчиком проекта набору признаков (Г.Г. Азгальдов, Ю.С. Сомов, И.А. Орлов). Необходимость применения экспертных методов обусловлена недискретностью визуального образа, неотделимостью процесса визуального восприятия и его результата от субъекта (В.А. Барабанщиков, М.С. Кухта), влиянием социокультурного контекста на эстетические нормы (У. Эко).

В результате проведенных исследований нами предложено определять оптимальное число экспертов следующими соотношениями: Г252

N = -; /а =75,095а4 -330,077а2 +379,693«-122,006 е

Здесь: N — число экспертов; а - доверительная вероятность; е-абсолютная погрешность; X - среднее квадратическое отклонение; - коэффициент, определяющий доверительный интервал.

В результате проведенных нами расчетов выражение для ¡а получено решением задачи интерполяции полиномами табулированных значений нормальной

2

функции распределения (Е.С. Вентцель). Погрешность вычисления ?а не превышает 5% относительно табулированных значений.

Среднеквадратичное отклонение для опытных экспертов, приводимое в литературе - 20% (Б.Г. Литвак, Э.П. Райхман, Г.Г. Азгальдов), соответственно при наличии группы специалистов и закладываемой абсолютной погрешности в 10% группы из 6 экспертов достаточно для вынесения обоснованного решения с доверительной вероятностью в 80%.

Обобщенный критерий качества модели основан на методах квалиметрии и позволяет учитывать характеристики оцениваемого объекта введением весовых коэффициентов (показателей качества). В ходе исследования были выявлены следующие показатели совокупной оценки качества автоматизированного формообразования применительно к предлагаемому методу:

-эксплуатационный показатель (к\) учитывает степень влияния эргономических и прогнозируемых функциональных свойств модели будущего изделия на совокупную оценку качества;

-технологический показатель (к2) учитывает технологичность объекта применительно к выбранной технологии обработки;

- эстетический показатель (к3) учитывает эстетический уровень модели. Обобщенная оценка качества вычисляется согласно выражению:

К = +*,£*,,]; =1.

М хп\ т^ т^ ,=1 ) М

Здесь: М - максимально возможный балл; п - количество экспертов;

- оценка, выставленная экспертом. Таким образом, в анкету для опроса вносятся основные эстетические, художественные, технологические и конструктивные критерии, которые являются прогнозом будущих свойств изделия, основанным на оцениваемых свойствах модели.

Для определения границ применимости метода автоматизированного формообразования нами разработан классификатор объектов дизайна, дополняющий ранее известные классификации (Ю.С. Сомов, И.П. Шпара, Л.В. Малаверьян), что позволило выделить три группы объектов дизайна: утилитарные; культурно-бытовые;

13

эстетико-художественные. Основанием для классификации, согласно законам формальной логики, являлось значение объекта дизайна для потребителя. Каждому классу объектов соответствует свой диапазон значений эстетического показателя качества (&3):

- утилитарные объекты (&3 < 0,3) - объекты дизайна, внешний вид которых полностью диктуется функциональным назначением (шурупы, гайки, металлический профиль, трубы и т.п.);

- культурно-бытовые объекты (&3 = 0,3...0,7) - объекты бытового назначения в конкретном культурно-историческом пространстве;

-художественные объекты (&3 > 0,7) - объекты высокого художественного уровня, внешний вид которых подчинен трансляции художественного образа (арт-объекты, шедевры, произведения искусства).

Пример распределения показателей оценки качества применительно к емкостям для хранения парфюмерных жидкостей приведен на рис. 4.

Показатели оценки качества

Эксплуатационный Технологический (&2) Эстетический (¿¡)

0,3 0,6 од

1

Образцы изделий

Флакон многоразовый для наливной парфюмерии

Флакон для элитной парфюмерии фирмы Ву^ап

Авторский дизайн

парфюмерного

флакона.

Рене Жюль Лалик

Рис. 4. Пример распределения показателей качества.

В результате исследований предложены расчетные формулы для определения количества экспертов, проводящих оценку качества дизайна полученных вариантов. Выделен класс объектов, для которых целесообразно применение предложенного метода дизайн-проектирования - культурно бытовые объекты с эстетическим показателем качества дизайна (&3) находящимся в диапазоне 0,3...0,7 единиц.

В пятой главе «Дизайн-проектирование изделий с применением программного модуля АШоМогрИ» приведены экспериментальные данные о составляющих временных затрат на получение заданного количества вариантов дизайна, а также на примере реализованных дизайн-проектов продемонстрированы возможности метода автоматизированного формообразования.

Оценка возможного количества вариантов дизайна производится по правилам комбинаторики, исходя из количества автоматизируемых параметров и количества значений, принимаемых параметром. Поскольку во всех дизайн-проектах, разработанных в рамках исследования, возможное число вариантов модели превышало десятки тысяч, а процент полезных вариантов колебался в пределах 10...20% для практического использования предлагается ограничивать число получаемых вариантов модели от 50 до 100.

В общем случае затраты времени на реализацию дизайн-проекта в рамках предлагаемой методики представлены следующими составляющими:

1. Время на анализ формы изделия и выделение значимых параметров.

2. Время на подготовку модели-прототипа.

3. Машинное время на автоматическое формообразование вариантов модели.

4. Время на первичную сортировку и отбор полученных вариантов дизайна.

5. Время на проведение экспертной оценки.

Все составляющие, кроме 3 и, частично, 4, подвержены влиянию человеческого фактора, что не позволяет производить обоснованные обобщения об их количественных характеристиках. Однако машинное время на формообразование вариантов модели и первичный отбор полученных вариантов без детального их анализа могут быть оценены эмпирически для выработки последующих рекомендаций по оценке временных затрат. В процессе исследований было определено время, затрачиваемое на генерацию вариантов модели с помощью модуля АиюМогрЬ в среде ЗоШХУогкв и первичный отбор вариантов:

Здесь Иу, - количество создаваемых вариантов; /е - эмпирический безразмерный коэффициент, равный 10,8; I, - время на полное перестроение модели, оценивается с помощью встроенного в САПР средства сбора статистической информации; /2 - время на первичный отбор.

Хронометрирование деятельности подготовленного оператора по первичной сортировке моделей в результате экспериментов позволило определить среднее время, затрачиваемое на один вариант модели, т. е. на принятие решения о пригодности модели для дальнейшего использования: Г2 = 3,2 с.

В ходе апробации метода были выполнены пять дизайн-проектов. Выявлена возможность как кардинальной трансформации формы проектируемого объекта при определенных геометрических взаимосвязях между образующими его примитивами, так и возможность получения некоторого спектра переходных вариантов формы. Применение платформы САПР БоШХУогкз для программного модуля АиЮМофЬ обеспечивает интеграцию в современные технологические процессы.

В некоторых случаях возможно получение нового результата, уникального дизайнерского решения. На рис. 5 приведены результаты автоматизированного формообразования с отклонениями исходных параметров до 15% и свыше 15%.

Прототип Отклонения до 15 % Отклонения свыше 15 %

Рис.5. Автоматизированный дизайн керамического изделия.

В этом конкретном дизайн-проекте превышение порога в 15% в отклонениях параметров позволило получить серию моделей, имеющих значительное отличие от исходной модели. Для каждого частного случая проектирования это пороговое значение может меняться, однако приведенный пример иллюстрирует возможность получения новых дизайнерских решений.

Установлено что, как правило, при превышении отклонений параметров более чем на 50% количество приемлемых результатов среди получаемых моделей падает, однако появляются экземпляры, которые, по мнению экспертов, могли бы стать самостоятельным дизайн-проектом, имеющим дальнейшее продвижение и развитие. Рис. 6. иллюстрирует автоматизированное формообразование флакона для парфюмерии.

Эскиз

Прототип

Результаты

Рис. 6. Автоматизированное формообразование флакона для парфюмерии.

Для экспертного опроса по каждому дизайн-проекту предоставлялись модель-прототип и 7 вариантов модели, предварительно отобранных из 70 созданных вариантов. Анализ данных опроса 6 экспертов показал: среднее квадратическое отклонение в обобщенной оценке качества вариантов модели в среднем составляет 9,2%, что позволяет говорить о согласованности мнений экспертов; 89% вариантов моделей оценены высоко по вербально-числовой шкале Харрингтона (отклонение от оценки прототипа ±30%).

В результате, на основании проведенных экспериментов, получены расчетные соотношения, позволяющие оценивать временные затраты на автоматическое создание и первичный отбор заданного числа виртуальных моделей. Выполненные дизайн-проекты и результаты экспертной оценки доказывают возможность автомати-зированно получать варианты формы будущего изделия, пригодные для дальнейшего использования и интеграции в производственный процесс.

В заключении приведены основные результаты, сформулированы общие выводы работы и перспективные направления развития темы.

В приложении приведено описание программного модуля АиЮМогрЬ, системные требования, инструкция по его установке и общие рекомендации по применению.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен сравнительный анализ платформ для трехмерного компьютерного моделирования. Показано, что пакеты для создания параметрических трехмерных моделей отвечают требованиям рациональной организации работы дизайнера.

2. Разработан метод автоматизированного получения вариантов модели, реализующий следующий алгоритм: анализ формы изделия; выделение параметров, определяющих форму; выявление диапазона изменения параметров; построение виртуальной модели; автоматическое создание вариантов модели.

3. Создан программный модуль АшоМогрЬ, реализующий автоматизированное формообразование вариантов параметрической модели на платформе 5оНс1\Уогк5. С его помощью дизайнер может разрабатывать большее количество вариантов модели.

4. Разработана методика оценки качества получаемых вариантов модели по группе показателей (эксплуатационный, технологический, эстетический), значение которых совместно с оценкой по каждому из показателей определяет уровень дизайна варианта модели.

5. Определен класс объектов, для дизайна которых целесообразно применение метода автоматизированного варьирования параметров модели. Эстетический показатель этих объектов (определенных в работе как культурно-бытовые), на основании проведенных исследований, находится в интервале от 0,3 до 0,7 единиц.

6. Определены основные временные показатели, влияющие на дизайн-проектирование с использованием предложенного метода: время на анализ формы; время на подготовку модели-прототипа; время на генерирование вариантов; время на отбор вариантов. Проведена экспериментальная оценка затрат машинного времени на автоматическое создание заданного количества вариантов и времени на первичный отбор вариантов модели; получены расчетные соотношения для этих двух составляющих временных затрат.

7. Проведена верификация результативности разработанного автоматизированного метода в дизайн-проектировании, позволяющего получать варианты формы будущего изделия. Представлены варианты форм изделий, созданные с помощью разработанного подключаемого программного модуля АиЮМогрИ и реализующие дизайн культурно-бытовых объектов различного назначения: бутылки для напитков, керамические сосуды, стеклянные бокалы, парфюмерные флаконы и др.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ

Статьи в журналах, входящих в «Перечень...» ВАК РФ:

1. Дронов В.В. Автоматизированное варьирование параметров виртуальной модели как инструмент промышленного дизайна [Текст] / В.В. Дронов, М.С. Кухта // Дизайн. Материалы. Технология. 2010, - № 1(12). 0,75 п.л. (0,55/0,2).

2. Дронов В.В. Создание мастер-модели ювелирного изделия при помощи ПО ArtCAM и станка с ЧПУ [Текст] / В.В. Дронов // Дизайн. Материалы. Технология. 2007 -№ 2(3). 0,63 п.л.

3. Дронов В.В. Дизайн керамических изделий с помощью подключаемого программного модуля AutoMorph. [Текст] / В.В. Дронов, М.С. Кухта // Известия Томского политехнического университета. 2011 - Т. 318 - №. 5. 0,88 п.л. (0,66/0,22).

Статьи, опубликованные в сборниках научных трудов:

4. Дронов В.В., CAD-CAM технологии в дизайне деревянного декора на основе стилизованных образов древних культур Сибири [Текст] / В.В. Дронов, М.С. Кухта, Ю.О. Ломаева, Д.П. Крауинып // Современные техника и технологии: XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Сборник трудов в 3-х томах - Томск, ТПУ, 26-30 марта 2007. - Томск: Изд. ТПУ, 2007. 0,38 п.л. (0,12/0,12/0,07/0,07).

5. Дронов В.В. Автоматизация перебора параметров как креативный инструмент промышленного дизайна [Текст] / В.В. Дронов // Технология художественной обработки материалов: Материалы XII Всероссийской научно-практической конференций - Ростов-на-Дону, РГСУ, 29.09 - 03.10.2009. - Ростов-на-Дону: РГСУ, 2009. 0,38 п.л.

6. Дронов В.В. Создание дизайна ПЭТ бутылок для прохладительных напитков при помощи варьирования параметров модели в САПР [Текст] / В.В. Дронов, Н.С. Будянская // Современные техника и технологии: XVI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Сборник трудов в 3-х томах - Томск, ТПУ, 12-16 апреля 2010. - Томск: Изд. ТПУ, 2010. 0,25 п.л. (0,18/0,07).

7. Дронов В.В. Экспертные методы в оценке дизайна изделий [Текст] / В.В. Дронов // Современные техника и технологии: Материалы XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных. Сборник трудов в 3-х томах - Томск, ТПУ, 18-22 апреля 2011,- Томск: Изд. ТПУ, 2011. 0,25 п.л.

8. Дронов В.В. Автоматизированное генерирование вариантов твердотельной модели при помощи подключаемого программного модуля АиЮМофЬ [Текст] / В.В. Дронов // Материалы всероссийской научной конференции «Перспективы развития гуманитарных и технических систем» - часть 2 - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. 0,5 п.л.

9. Дронов В.В. Морфинг параметров твердотельной модели как инструмент получения серии прототипов изделия в промышленном дизайне [Текст] / В.В. Дронов, М.С. Кухта // Художественное материаловедение. Природный камень. Дизайн. Технологии: Сборник статей XIII Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) - Москва, МГГУ, 11-15 окт. 2010. - Москва: МГГУ, 2010. 0,38 п.л. (0,28/0,1).

10. Дронов В.В. Программный модуль АЩоМогрЬ: границы применения и оценка качества дизайна изделия [Текст] / В.В. Дронов, М.С. Кухта // Материалы V Международной конференции «Технические университеты: интеграция с мировыми системами образования» - Ижевск, ИжГТУ, 20-22 фев. 2012 г. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. 0,8 п.л. (0,6/0,2).

Патенты, авторские свидетельства и свидетельства регистрации программ:

11. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011611974 Программное обеспечение для автоматического создания конфигураций в документах деталей БоМХМогкв на основе заданных пользователем параметров (АиШМогрЬ). Правообладатель: ГОУВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет». Авторы: Дронов Владимир Владимирович, Рябов Иван Юрьевич. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 4 марта 2011 г.

Подписано к печати 11.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ.л. 1,16.Уч.-изд. л. 1,05.

_Заказ 397-12. Тираж 100 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет ЛЬ Система менеджмента качества

В09001 Издательства Томского политехнического университета сертифицирована '" '""" ' NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

излательствоЖж. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

Текст диссертации на тему "Разработка дизайна изделий методом автоматизированного варьирования параметров модели"

61 12-5/2155

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

На правах рукописи

Дронов Владимир Владимирович

РАЗРАБОТКА ДИЗАЙНА ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВАРЬИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ

17. 00. 06 Техническая эстетика и дизайн

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор философских наук, профессор М.С. Кухта

Томск - 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА i АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ АВТОМАТИЗАЦИИ В ДИЗАЙНЕ Ю

1.1 ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДИЗАЙН-

ПРОЕКТИРОВАНИЯ 10

1.2 ТРЕБОВАНИЯ К АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ СИСТЕМАМ В ДИЗАЙНЕ 17 ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ПРОГРАММНЫХ ПЛАТФОРМ

ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 18

2.1 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В

ДИЗАЙНЕ ИЗДЕЛИЙ ПОТРЕБИТЕЛЬСКОГО СПРОСА 18

2.2 СИСТЕМЫ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ДИЗАЙНЕ 24

2.3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАКЕТОВ САПР И 3D ВИЗУАЛИЗАЦИИ 28 ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ВАРЬИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ 36

3.1 МОЗГОВОЙ ШТУРМ КАК БАЗА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА 36

3.2 ВЫБОР ПРОГРАММНОЙ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВАРЬИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ 38

3.3 РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВАРЬИРОВАНИЯ

ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ 46

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ДИЗАЙНА ВАРИАНТОВ МОДЕЛИ 51

4.1 ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРТНЫХ МЕТОДОВ 51

4.2 ОБОСНОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЭКСПЕРТОВ 55

4.3 ВЫЧИСЛЕНИЕ ОБОБЩЕННОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВАРИАНТОВ МОДЕЛИ

ДИЗАЙНА ИЗДЕЛИЯ 60

4.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ 62 ГЛАВА 5 ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО

МОДУЛЯ AUTOMORPH 66

5.1 ОЦЕНКА ВРЕМЕННЫХ ЗАТРАТ 66

5.2 ТЕСТОВЫЕ ДИЗАЙН-ПРОЕКТЫ И ИХ АНАЛИЗ 69 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 88 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 90 ПРИЛОЖЕНИЯ 98

Введение

Применение прогрессивных технологий и постоянное развитие технических средств и методов, применяемых в процессе проектирования, неразрывно связано с созданием объектов дизайна. В первую очередь это обусловлено развитием компьютерной техники и средств автоматизации производства.

Технология быстрого прототипирования, получившая распространение в последнее десятилетие, позволяет в значительной степени сократить время на изготовление опытных образцов продукции, а применение оборудования с числовым программным управлением обеспечивает внедрение так называемых «безбумажных» технологий, когда создание чертежей изделия не требуется для его изготовления. В связи с этим появляется возможность за тот же отрезок времени рассмотреть большее количество вариантов проектируемого изделия.

В условиях конкурентного сосуществования на рынке субъектов, предлагающих дизайнерские услуги, немаловажными факторами становятся временные затраты на разработку дизайн-проекта изделия, а также количество предоставляемых заказчику вариантов изделия.

В свою очередь увеличение количества вариантов обусловливает необходимость решения смежной задачи - совокупной оценки качества предлагаемых вариантов дизайна. Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью обеспечить дизайнера методом, позволяющим в автоматизированном режиме создавать большее количество вариантов параметрической виртуальной модели с последующей интеграцией их в технологический процесс.

Обоснованное применение такого метода позволит находить новые дизайнерские решения и снизить трудозатраты на получение вариантности внешней формы изделия.

Объектом исследования является компьютерное проектирование изделий. Предметом исследования являются способы осуществления процессов художественного проектирования изделий.

Цель диссертационной работы - разработка научно обоснованного метода автоматизированного получения вариантов дизайна трехмерной компьютерной модели изделия и их оценки.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих взаимосвязанных задач:

1. Проанализировать характеристики программных платформ для создания трехмерных моделей изделий наиболее значимые для применения их в дизайне.

2. Предложить и научно обосновать метод автоматизированного создания вариантов дизайна изделия.

3. Разработать методику оценки качества полученных вариантов дизайна.

4. Определить класс объектов дизайна, для которых рекомендовано применение данного метода.

5. Определить основные временные показатели, влияющие на дизайн-проектирование с использованием предложенного метода.

В работе в качестве методологической базы применялся системный подход, предполагающий комплексное рассмотрение предмета исследования. Для получения аналитических данных использовался метод сравнительного анализа. Экспериментальные исследования проводились с использованием экспертных методов. Обработка экспериментальных данных проводилась на ЭВМ с применением методов математической статистики.

Научную новизну, определяемую результатами работы, которые правомерно считать новыми, можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые предложен и научно обоснован метод автоматизированного получения вариантов дизайна изделия.

2. Обоснованы критерии отбора вариантов дизайна модели, получаемых автоматизированным методом.

3. Разработана методика оценки вариантов модели, получаемых автоматизированным методом, учитывающая требования технической эстетики к формообразованию.

4. Определены границы применимости метода в дизайне.

5. Предложен вариант расчета временных затрат при использовании предлагаемого метода.

Практическая значимость работы описывается следующими положениями:

1. Впервые предложено автоматизированное получение вариантов виртуальной параметрической модели с помощью подключаемого программного модуля А^оМогрЬ на платформе САПР 8оНсГ\¥огк8.

2. Выработаны практические рекомендации по оценке и рациональному выбору варианта модели.

3. Применение разработанного метода позволяет получить большее количество вариантов дизайна изделия с последующей интеграцией в производство.

Программное обеспечение для автоматического создания конфигураций в документах деталей 8оНсГ\¥огк8 на основе заданных пользователем параметров АиШМогрЬ защищено свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011611974.

Практическая значимость полученных теоретических результатов подтверждается актом внедрения в деятельность фирмы по производству художественных керамических изделий «Салтан», г. Томск. Отзыв на разработанный программный модуль Аи1:оМогр11, полученный от фирмы «Ргосе884В1г», г. Новосибирск, подтверждает применение современных технологий при создании программного обеспечения.

Логика организации структуры диссертационной работы определяется целью и спектром задач, ведущих к ее достижению.

Во введении обозначена актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость работы. Также разъяснены термины в контексте

содержания раооты и определены границы раооты. приведено краткое изложение структуры диссертации. Проанализированы отечественные и зарубежные литературные источники, описывающие проблематику исследования.

В первой главе «Аналитический обзор методов автоматизированного дизайна» выявлены и исследованы тенденции в области автоматизации процесса формообразования в дизайне. Представлен анализ существующих методов, позволяющих получать новые варианты дизайна изделия на основании внесенной пользователем информации. В результате проведенного анализа выявлено, что алгоритмы, применяемые для решения подобного рода задач, являются формализацией тех или иных эвристических методов.

Распространенные на сегодняшний день программы, реализующие те или иные эвристические методы в области дизайна, имеют следующую особенность: для того, чтобы получить результат, необходимо обладать навыками программирования.

Таким образом, метод, позволяющий в автоматизированном режиме получать вариации исходной модели, не требующий написания программного кода пользователем и предоставляющий возможность максимально использовать визуальное представление модели для задания параметров создания новых вариантов, в настоящее время не представлен, что определяет необходимость его разработки.

Во второй главе «Современные программные платформы трехмерного моделирования» проведен анализ существующих средств построения трехмерных компьютерных моделей объектов дизайна.

Произведено аналитическое сравнение систем трехмерного компьютерного моделирования и представлены функциональные возможности двух классов систем:

— пакеты 30 визуализации позволяют получать фотореалистичные изображения трехмерных моделей и создавать анимацию;

- пакеты САПР позволяют проводить инженерный анализ, разработку технологии и оформление конструкторской документации.

Обосновано применение систем параметрического трехмерного моделирования в качестве платформы для реализации инструмента автоматизированного создания вариантов модели.

В выводе главы обосновано применение САПР как наиболее удобной платформы для моделирования и реализации предлагаемого метода с учетом последующего внедрения модели в производство и получения конструкторской документации, наличия параметрической информации о геометрии модели для автоматизированной разработки технологии.

В третьей главе «АиШМогрИ в системе дизайн-проектирования» представлена реализация алгоритма автоматизированного создания вариантов модели в виде подключаемого программного модуля А^оМогрЬ.

В качестве исходных данных пользователь задает набор параметров, указывая их в графической области интерфейса программы 8оНс1\¥огк8. Затем он определяет диапазон изменения для каждого из параметров, а также будет ли параметр ограничен целочисленными значениями. После задания количества необходимых вариантов происходит их создание за счет придания случайного приращения каждому из заданных параметров с условием, что получаемое значение не выходит за рамки заданного диапазона.

Поскольку формализация эстетических критериев в виде числовых параметров не всегда возможна для всей совокупности проектируемых изделий, представляется оптимальным, чтобы этап предварительной параметризации проводился дизайнером. Он должен учитывать научно

обоснованные требования к композиции, масштабу, пропорциям, а также применять традиционные соотношения.

Итогом главы является разработка и реализация в виде подключаемого программного модуля АиГоМогрЬ алгоритма автоматизированного создания вариантов параметрической модели на платформе БоПсШогкз.

В четвертой главе «Оценка качества дизайна вариантов модели» определены критерии и научно обоснованы методы оценки вариантов моделей, выделены границы применимости метода.

Необходимость применения экспертных методов обусловлена недискретностью визуального образа, неотделимостью процесса визуального восприятия и его результата от субъекта (Барабанщиков В.А., Кухта М.С.), влиянием социокультурного контекста на эстетические нормы (Эко У.). За основу взяты заочные экспертные методы, поскольку они позволяют провести оценку либо ранжирование моделей по некоторому заранее определенному дизайнером, либо заказчиком проекта набору признаков, а именно анкетный опрос (Азгальдов Г.Г., Сомов Ю.С., Орлов И.А.). В результате проведенных расчетов предложена аналитическая зависимость, связывающая оптимальное число экспертов, доверительную вероятность, абсолютную погрешность, среднее квадратическое отклонение оценок экспертов.

Обобщенный критерий оценки качества модели включает в себя три показателя: эксплуатационный, технологический, эстетический.

Для определения границ применимости метода автоматизированного формообразования нами разработан классификатор объектов дизайна, дополняющий ранее известные классификации (Ю.С. Сомов, И.П. Шпара, Л.В. Малаверьян), что позволило выделить три группы объектов дизайна: утилитарные; культурно-бытовые; эстетико-художественные.

В результате исследований предложены расчетные формулы для определения количества экспертов, проводящих оценку качества дизайна полученных вариантов. Выделен класс объектов, для которых целесообразно

8

применение предложенного метода дизайн-проектирования - культурно-бытовые объекты с эстетическим показателем качества дизайна, находящимся в диапазоне 0,3...0,7 единиц.

В пятой главе «Верификация положений исследования» приведены экспериментальные данные о составляющих временных затрат на получение заданного количества вариантов дизайна, а также на примере реализованных дизайн-проектов продемонстрированы возможности метода автоматизированного формообразования.

Выделены составляющие временных затрат, которые могут быть оценены эмпирически независимо от реализуемого дизайн-проекта:

- машинное время на формообразование вариантов модели;

- первичный отбор полученных вариантов без детального их анализа.

В процессе исследований было определено время, затрачиваемое на генерацию вариантов модели с помощью модуля АЩоМогрИ в среде 8оНс1\¥огк8 и первичный отбор вариантов; приведены эмпирическая зависимость для первого и результаты хронометрирования для второго.

В ходе апробации метода выявлена возможность как кардинальной трансформации формы проектируемого объекта при определенных геометрических взаимосвязях между образующими его примитивами, так и возможность получения некоторого спектра переходных вариантов формы. Применение платформы САПР 8оНс1\¥огк8 для программного модуля АШоМофЬ обеспечивает интеграцию в современные технологические процессы.

В результате, на основании проведенных экспериментов, получены расчетные соотношения, позволяющие оценивать временные затраты на автоматическое создание и первичный отбор заданного числа виртуальных моделей. Выполненные дизайн-проекты доказывают возможность автоматизировано получать варианты формы будущего изделия пригодные для дальнейшего использования и интеграции в производственный процесс.

Глава 1

Аналитический обзор методов автоматизации в дизайне

Глава посвящена обзору тенденций в области автоматизации дизайна. Приведен обзор существующих методов, позволяющих генерировать новые варианты дизайна, исходя из заложенной пользователем информации.

Автоматизация проектирования - замена части человеческого труда машинным в процессе проектирования путем внедрения технических средств и программ, обрабатывающих и воспроизводящих информацию, с целью оптимизации отдельных операций и сокращения сроков проектирования [57].

Автоматизация в дизайне - замена части труда дизайнера машинным в области поиска формы изделия, масштаба его составных частей, цветовых решений и других характеристик, влияющих на восприятие объекта дизайна и его соответствие поставленной цели.

1.1 Особенности современного автоматизированного дизайн-

проектирования

В последнее десятилетие появился термин, выделяющий область автоматизированного дизайна из традиционного дизайна - генеративный дизайн (англ. generative design). Это понятие описывает метод синтеза, который реализуется в различных областях дизайна (искусство, архитектура, коммуникации, промышленный дизайн, саунд-дизайн, дизайн полиграфии). Существенным признаком генеративного дизайна является то, что его результат - изображение, звук, архитектурные модели, анимации -порождается набором правил или алгоритмов (как правило, с помощью компьютерной программы). Генеративный дизайн определяется следующими компонентами [76, 88 , 86]:

- описательная модель дизайна;

- средства создания вариаций;

- средства отбора результатов.

На рис. 1 представлена обобщенная схема процессов генеративного дизайна.

результат

Рис. 1. Схема процессов генеративного дизайна.

Модель дизайна описывается посредством набора признаков или параметров; признаки или параметры модели изменяются согласно алгоритму; измененное состояние модели фиксируется в виде результата; результат оценивается, при необходимости вносятся изменения, и процесс повторяется.

Генеративный дизайн берет свои идеологические истоки в эвристических методах и генетических алгоритмах.

Эвристические методы в контексте данной работы - это последовательность предписаний или процедур обработки информации, выполняемых с целью поиска новых дизайнерских решений. Так, в архитектурном дизайне и дизайне ювелирных изделий получили распространение генетические алгоритмы. Генетичес