支持外观造型论文

第15卷第10期

2003年10月计算机辅助设计与图形学学报JOURNAL OF COMPU TER 2AIDED DESIGN &COMPU TER GRAPHICS Vol 115,No 110Oct 1,2003

原稿收到日期:2002209219;修改稿收到日期:20022122091本课题得到国家自然科学基金(69975010)、香港理工大学研究员项目基金(G 1YY 134,G 1YY 135)和山东省自然科学基金(Q99G 07)资助1刘　弘,女,1955年生,博士,教授,主要研究方向为CSCW 、多Agent 系统、机器学习1刘希玉,男,1964年生,博士,教授,主要研究方向为可视化计算方法、神经网络1唐明晰,男,1958年生,博士,副教授,主要研究方向为机器学习、CAD 1John H amilton Frazer ,男,1944年生,教授,博士生导师,主要研究方向为遗传算法、进化建筑设计1

支持外观造型创新设计的计算机辅助设计环境

刘　弘

1)　刘希玉1)　唐明晰2)　John Hamilton Frazer 2)1)

(山东师范大学计算机科学系　济南　250014)2)(香港理工大学设计学院设计技术研究中心　香港)

摘要　介绍一个计算机辅助设计环境,该环境利用进化计算及可视化技术生成二维草图及三维图像,以支持设计人员的创新设计1用一个艺术设计实例介绍了该环境所采用的基于树结构的遗传算法,实例用一般的数学表达式生成艺术品底座外形,用复合函数表达式生成艺术花卉的三维图像1实例表明:文中方法能够生成一些有创意的解,并展示了进化的计算方法在创新设计中的潜力1

关键词　创新设计;遗传算法;CAD ;可视化

中图法分类号　TP391172

Supporting C reative Configuration Design in A Computer 2Aided Design E nvironment Liu Hong 1)　Liu Xiyu 1)　Tang Mingxi 2)　John Hamilton Frazer 2

)1)

(Depart ment of Com puter Science ,S handong Normal U niversity ,Ji ’nan 250014)2)(Design Technology Research Center School of Design ,The Hong Kong Polytechnic U niversity ,Hong Kong )

Abstract A novel CAD environment to generate free form curves and artistic flowers is presented 1Mathematical expressions to form 2D generatrix and complex functions to form 3D artifacts are present 2ed as binary trees with variables or constants contained in the leafs ,and various operators ,including trigonometric and hyperbolic functions contained in the intermediate nodes 1Using genetic algorithm to exchange or mutate a certain branch between two trees ,and selecting different combinations of leaf val 2ues would produce attractive figures 1MA TLAB and Autodesk Inventor are used as supporting tools 1K ey w ords creative design ;genetic algorithm ;CAD ;visualization

1　引 言

20世纪90年代以来,随着信息技术的发展,世界经济格局发生了巨大的变化,逐步形成了一个统一的一体化市场,市场竞争日趋激烈,社会的消费观念也不断发生变化,产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要因素1产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素愈来愈受到重视,在竞争中占据突出地位1

这种趋势促使企业在着手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造型、人机工程等的设计提到一个新的高度,从而也迫切要求对工业设计的研究能有进一步的突破,以提高企业形象、产品设计水

平和市场竞争力1创新是工业设计的灵魂1以知识

为基础的产品创新竞争是21世纪初全球制造业竞

争的核心[1]1

产品设计可以定义为一个过程,该过程根据人

类的需要建立需求,并把这些需求用规范和功能表

示出来,然后将这些规范和功能映射并转换为满足

特定限制的设计解(用人的智慧、科学的原理和技术知识)1设计通常分为两类:常规设计和非常规设计1常规设计假设设计空间是固定的并且所有的知识对设计人员来说是可用的;非常规设计通常是在进化的空间中进行的,由于不断有新的元素加入,该空间是变化的1对设计自动化的研究主要是开发支持常规设计的CAD工具和系统1最近几年,对CAD的研究正逐渐转向对非常规的创新设计的支持1从认知科学的角度看,设计活动是一个特殊的问题求解活动1在设计的初始阶段,产品信息往往是不精确、不确定及不完全的,因此,无法用一般的问题求解方法来解决设计问题1对于非常规的创新设计,设计人员要进行一种特殊的思维过程1该过程不仅涉及逻辑性思维,而且涉及到大脑的联想及突发的灵感1创新是人类独具的特性,很难用计算工具来模拟实现这个过程1目前,完全用计算模型和计算工具来实现创新是不现实的1我们认为,在现有的软硬件基础上,利用计算模型和计算工具为设计人员建立一个能激发创作灵感的环境,对支持创新设计将是行之有效的1

本文提出了一种用进化计算技术及可视化技术支持外观造型创新设计的新方法,并介绍了用该方法建立的CAD环境1该方法和环境展示出:利用现有的计算方法和环境生成草图及图像以支持特定领域的外观造型创新设计,是可以实现的,而且是行之有效的1

2　相关的研究工作

近年来,国外已经有一些将遗传算法应用于创新设计的研究1Frazer和他的学生一起,经过多年的努力,开发了一个进化的设计系统,该系统充分展示了采用进化技术可以生成令人惊讶而且富有灵感的建筑造型[2]1澳大利亚悉尼大学设计计算与认知研究中心的G ero教授和他的同事一起,进行了用遗传算法生成建筑平面图的研究,新颖的建筑平面图可以满足多个模糊的限制和目标管理[3]1他们还展示了进化如何通过对著名的建筑风格学习,生成新的建筑物[4],G ero已经在英国剑桥成功地组织了7届设计中的人工智能国际会议,在澳大利亚的悉尼举办了4届创新设计计算模型国际会议,对创新设计的计算模型,以及遗传算法对创新设计的支持,做了卓有成效的研究1意大利米兰工艺学院的Soddu教授利用计算机模拟技术生成艺术品,如台灯,雕刻等[5],他在意大利米兰成功地组织了5届生成艺术国际会议,对进化计算在建筑设计、工业设计、艺术设计和音乐创作的理论研究及应用方面作了深入的探讨1

浙江大学潘云鹤校长及他的学生们在创新原理、创新过程的描述模型和计算模型方面做了很多探索性的工作[6],通过综合和类比生成设计等智能CAD 技术,创造性地解决了图案构图、色彩和描绘等知识表达及实现的问题1他们最近的创新设计研究成果———敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原,能让你领略到可视化创新设计的神奇魅力———在远离敦煌数千公里的杭州,你轻点鼠标,就可以“走”进著名的第45窟内,身临其境地观看窟内七身彩塑和壁画1

尽管对创新设计的研究已经取得了很多令人瞩目的成果,但是由于设计(特别是有创意的设计)对人的智能的强烈依赖性,如何将计算智能应用于设计过程还是一个新的而且很有吸引力的研究课题1

3　基于树结构的遗传算法

311　数学表示二叉树

标准的遗传算法采用定长的二进制编码,这种编码方法的优点是基因表达细腻,问题编码长度较大,有利于求解组合优化问题;但是,这种表示方法不够灵活,而且需要进行从编码域到问题域的映射1对于编码域与问题域一致,而且编码长度变化较大的问题(如本研究中的数学表达式问题),树结构的表示方法更为灵活[7]1

定义11一棵数学表示二叉树是一个数学操作数及二元数学操作符组成的有限节点集,该集是空集或者是由根及两棵互不相交的称为左、右子树的二叉树组成1二叉树的中序遍历序列是一个合法的数学表达式1

树的节点可以是终端节点(操作数)或者是中间节点(操作符)1操作数可以是变量也可以是常量1操作符包括基本运算符+,-,3,/,^;基本数学函数sqrt(),exp(),log();三角函数sin(),cos(), tan(),asin(),acos(),atan();以及双曲函数sinh(), cosh(),tanh(),asinh(),acosh(),atanh()等1

我们采用了MA TLAB中数学函数的表示方法1关于树的更详细的定义和特性见文献[8]1本文采用的数学表示二叉树与一般二叉树的定义和操作是一致的1

312　遗传操作

9521

10期刘　弘等:支持外观造型创新设计的计算机辅助设计环境