仿生设计产品DNA视觉化方法研究

仿生设计产品DNA视觉化方法研究作者：侯幸刚杨梅李雪瑞
来源：《设计》2021年第03期
摘要：为更好地适应设计人员对仿生产品造型的认知与三维数字模型构建过程，提出一种仿生设计产品设计DNA的视觉化方法。

在借助matlab边缘检测算法分析产品造型的基础上，提出曲线外形、曲线圆角、曲线角度3种视觉化规则，并结合一个实际的仿生设计案例进行使用说明。

通过上述方法进行了多旋翼快递无人机设计，经过综合模糊评价结果是非常符合，验证了此方法的可行性。

关键词：产品DNA无人机感性工学模糊综合评价产品设计
中图分类号：TB472
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2021）02-0011-03
引言
伴随着2020年新冠疫情的到来，新一轮关于人与自然和谐的思想争辩展开，仿生设计以自然界万物的形态、色彩、声音、功能和结构为研究对象，为产品的创新性设计提供了新的思
路、原则、方法与途径。

在人类社会生产活动与自然的结合过程中，仿生设计使人类社会与自然高度统一，逐渐成为新的设计发展过程中的亮点，在这次疫情的爆发期间是值得思考与引起高度重视的。

产品的设计作为一个持续的，反复迭代的过程，类似于生物种族的种群之间的繁衍生殖过程。

基于此，产品DNA概念也被相应提出。

将基因遗传与变异的特质应用于工业设计领域，提高产品的系统性，探讨新的工业设计方法。

在更新迭代过程中保证父代特征的情况下增加产品的创意性。

目前已有不少学者对产品外观设计进行了研究，并取得了可观的成绩。

在仿生设计领域，主要有以下具有代表性的研究：罗仕鉴团队【1】对产品设计基因进行了一系列相关的研究提出了产品族设计DNA的表达方法;朱上上等【2】提出支持产品视觉识别的产品族设计DNA研究方法;BEMSEN【3】阐述了摩托罗拉手机设计过程中，基因的提取、表达和应用上述的一些研究多数利用某种理论或者方法以及某种数学模型进行研究，但是在日常的产品设计过程中，设计师更多的会用自身的设计认知、设计思维、设计情感对产品进行形态设计创新，因此所设计的产品不但具有外在的形态属性，还蕴含着设计师赋予产品形态的感性属性。

为了准确描述和量化这类感性属性，研究选用感性意象进行产品描述，例如：传统的、时尚的、精致的、高雅的、科技的等。

鉴于此，本文选用感性意象作为概念思维载体对概念设计阶段中的启发类设计意图进行模糊描述，基于感性工学造型结构理论提出一种仿生设计产品DNA的视觉化方法并应用一个实际的设计案例进行方法说明，最后对设计产品进行模糊综合评价以鉴别该方法的可行性与科学性。

一、仿生设计产品的DNA表达
产品都是由若干的形状特征，按照一定的设计方法组织而成的。

仿生设计产品的表达最重要的就是形成产品外形与生物本征之间的映射模型。

改为用户对于产品的主观感受来自对于产品本身定义的理解，并乐于将其与已知的某种事物进行联系。

用户对于产品的造型意像视觉冲击来源于产品本身的整体造型特征及各部分之间比例关系4。

对于仿生产品的表达要提取所仿生动物最重要的特征进行操作。

（一）仿生产品DNA的提取：文章提出将产品的DNA分类为整体造型DNA及部分造型DNA，其中整体造型DNA也可以表达为通用DNA，即在下次更迭时所保留的父辈特征，但如果是第一代设计产品，则整体DNA亦作为个性DNA进行设计。

部分造型DNA可分为通用DNA及个性DNA，在下一代的更新中作为个性特征进行增强或者更换。

仿生设计产品DNA 关系表示如图1所示：
（二）产品DNA的表达方法：本文采用在Matlab软件中应用多级边缘检测算法（Canny 边缘检测算子），提取图片外观形态特征并借助Coreldraw二维矢量图设计软件工具对提取的外观特征曲线进行优化和重构的方法来得到特征线样本。

其操作过程如图2所示：
二、仿生设计产品的DNA视觉化规则
依据产品建模的一般方法，以建模软件Rhino为研究对象，任何产品都是由不同的面所构成的，而不同的面是由数条贝塞尔曲线经过一系列操作形成，每条线都是由数目不同的控制点所构成。

在上文仿生设计DNA的表达中已经提出得到特征线样本的操作方法。

由于该方法所形成的主要元素是曲线，因此提出将曲线作为产品DNA表达的视觉化要素。

曲线作为视觉表达因素需要考虑形状，角度，连接之间的关系，基于此提出三種因素的视觉化规则。

（一）曲线外形的视觉化规则：对于任意产品外观造型，可分为直线、曲线或二者的结合，且在视觉化过程中可任意修改。

贝塞尔曲线依据位置不同的点描绘出光滑的曲线，并且其形状可通过控制点位置的变化而变化【5】。

符合上述的视觉化要求。

因此引入贝塞尔方程作为描述曲线外形的视觉化规律，其通用数学表达式如下：
由于目前市面上的产品建模工具的精度一般为3次贝塞尔曲线（如图3所示），其数学表达式为：
式中：Po，P，P2，P3为曲线的四个控制点;t为从点P。

到Pg的时间变量，tE【0，1】;该曲线从P。

出发，结束于P3，其中P，P2是控制曲线走向的控制点。

（二）曲线圆角视觉化规则：每一个产品的造型都包含数目不一的圆角，圆角的大小及多少会给用户不同的的视觉感受，因此为了增加产品的圆滑程度，在进行曲线之间圆角时候让衔接曲线尽可能实现与外观曲线的相切甚至更高的曲率，本文采取满足以下条件的数学表达式：
式中x，y分别代表圆角曲线上点的横纵坐标;r代表圆角半径，且r的大小由公式（4）决定，实现衔接曲线的相切。

（三）曲线角度的视觉化规则：由于造型中的每一个曲面是相对独立的存在，因此可以把每个曲面有微积分思想转化为闭合的n边形，通过该n边形内各曲线的位置改变其造型意象，因此用如下数学式表达：
式中i为贝塞尔曲线的阶数，本文中取i=3;n为围成一个封闭多边形的曲线数目;B（前代表贝塞尔曲线的单位切向量5。

三、模糊综合评价模型
模糊综合评价法是基于模糊数学的综合评价法。

综合评价法根据模糊数学的隶属度理论将定性评价转换为定量评价。

具有明确的结果和强有力的系统的特性，可以适当地解决模糊化问题难以量化的问题，适合于所有种类的非决定论问题的解决，因此本文基于此进行模糊化综合评价【6】，其具体操作步骤如下：
（一）建立评价矩阵：通过网络及线下分发调查问卷的方法获得用户对于设计产品的评分，在设计问卷的过程中依据Likertscale建立五级评分量表，依据调查问卷的反馈数据建立模糊评价矩阵A。

式中：m为评价项目的个数;n为评价等级的个数。

（二）计算权重：依据层次分析确定各个评价项目的权重，由于计算量比较大啊，所以在构建完成对比矩阵C并对其进行CR矩阵一致性检验后运用Mathematica软件进行辅助计算。

Mathematica语句：Eigensystem【C】={eigenvalues，eigenvectors}，其中eigenvalues为成对比较阵的特征值，eigenvectors为相应的特征向量矩阵;
（三）模糊综合评价：利用矩阵的模糊乘法得到综合模糊评价向量B，其中B的计算公式如下：
在矩阵B计算完成之后，利用最大隶属原则对此次仿生设计产品进行评价。

四、设计应用
（一）多旋翼快递无人机的产品DNA提取：由于此类产品的之前的设计研究并没有太多的文献，所以在进行快递无人机仿生产品DNA提取的过程中参考常规多旋翼无人机的产品构造。

经过调研并结合仿生设计产品DNA的表达方法，确定快递无人机的整体DNA包括：机架，机身比例，整体造型。

部分DNA包括：螺旋桨，相机，起落架，电机，机翼等。

其中通用DNA包括：发动机，电机，螺旋桨，相机;个性DNA包括：机翼，机身比例，机身造型。

（二）意向目标与仿生设计产品的映射：形成仿生产品外形跟生物本体之间的映射模型是仿生设计过程中尤为重要的步骤。

仿生设计产品意向目标的获得通常采用感性工学作为基础，利用语义微分法并结合某些数学方法及数据计算软件辅助得到。

本文设置了一个意象实验来获取对于用户意向目标与设计产品映射偏爱的相关程度。

实验共邀请30名参与人员，其中包含10名普通学生，10名设计专业学生，5名无人机爱好者，5名设计专业老师。

分别向他们发放感性意象调查问卷，要求其对上述提取的多旋翼快递无人机产品DNA进行感性意象权重评分，打分形式采用Likert七级量表。

借助Matlab软件对评价结果进行统计分析，最终结果取平均值得到用户的期望目标结果如图4所示：
（三）多旋翼仿生快递无人机的视觉化表达：此次的多旋翼快递无人机的仿生设计利用生物耦合7及多生物效应【8】进行设计，集合多种自然生物，提高产品的稳定性;在设计过程中
采用PETERS【9】提出的由从问题到生物的螺旋模型：明确功能需求-定义概念-问题的生物转换-发现生物模型-提取设计规律-生物策略仿生-评价。

1.操作流程展示：文章对无人机的底部的设计进行展示，具体操作步骤如图5所示。

2.外观形态提取：设计师根据语义差异法，通过对20种不同类项的无人机产品底座的分析得出：当设计曲线夹角小于45"且所对应圆心角小于60°時可以给人以流畅感，时尚感。

随后，设计师在Matlab软件中应用多级边缘检测算法（Canny边缘检测算子），提取图片外观形态特征如图6所示。

3.获得外观曲线：去除一些提取模糊的图片曲线（图6中曲线2，4，5），随后借助Coreldraw二维矢量图设计软件工具对提取的外观特征曲线进行优化和重构，得到图7中所展示的27条特征线样本。

4.获得设计曲线：去除一些弯曲程度过大完全不合理的曲线（图7中曲线13，19），将剩余曲线建立放置在坐标轴中，将曲线起始控制点A放在原点（0，0），进行曲线调整使曲线弯曲方向均面向x轴正方向。

分别以45"及95。

做两条射线，形成圆心角为60°的半封闭范围，淘汰位于封闭区域外部的设计曲线。

将剩余曲线对多旋翼快递无人机腿部曲线进行9级语义差异分析，挑选出流畅感，时尚感评分最高的曲线，将其作为腿部轮廓初始设计曲线。

为获得更加精细的设计曲线，在已取得曲线的基础上进行微调，将曲线端点以0.5cm为取值单位进行调整，并应用视觉化规则公式（3）-（5）进行调整，将获得的曲线进行感性意向词汇语义比较分析，最终得到如图8所示的腿部轮廓设计曲线，通过建模软件将曲线3D化，按照无人机实际使用情况对细节处进行处理，得到如图9所示的建模效果。

5.设计产品展示：重复上述所示步骤分别对多旋翼无人机其他部分进行设计即可得到所设计产品的整体建模。

产品的色彩仿生是人们在自然色彩客观认知的基础上，将自然界丰富的色彩形式按照一定的艺术手法应用到产品外形创新设计中的重要设计方法【10】。

设计师通过对具有该目标意向的相关产品及按照设计师所积累经验进行相关色彩收集与提取，结果如图10所示，从所仿生的目标生物及意向目标两方面综合考虑进行产品色彩搭配，最后经渲染软件keyshot渲染后得到图11所示效果。

五、模糊综合评价
（一）依据Likertscale建立五级评分量表，依次为非常符合;比较符合;符合;没感觉;完全不符。

设计调查问卷并分发，分别对此次设计产品的外观相似度，色彩舒适度，功能操作性，产品创造性，产品实用性五个方面进行评价。

此次调查问卷发放共30份，收回30份。

数据可利用率100%，依据调查问卷的反馈数据建立模糊评价矩阵A。

（二）依据层次分析确定各个评价的成对比矩阵C：
一致性检验CR=0.07《0.1，所以成对比矩阵C构建合理。

由Mathematica辅助计算得到矩阵C的特征向量w={0.09，0.06，0.18，0.22，0.45}。

三、模糊综合评价模型
模糊综合评价法是基于模糊数学的综合评价法。

综合评价法根据模糊数学的隶属度理论将定性评价转换为定量评价。

具有明确的结果和强有力的系统的特性，可以适当地解决模糊化问题难以量化的问题，适合于所有种类的非决定论问题的解决，因此本文基于此进行模糊化综合评价【6】，其具体操作步骤如下：
（一）建立评价矩阵：通过网络及线下分发调查问卷的方法获得用户对于设计产品的评分，在设计问卷的过程中依据Likertscale建立五级评分量表，依据调查问卷的反馈数据建立模糊评价矩阵A。

式中：m为评价项目的个数;n为评价等级的个数。

（二）计算权重：依据层次分析确定各个评价项目的权重，由于计算量比较大啊，所以在构建完成对比矩阵C并对其进行CR矩阵一致性检验后运用Mathematica软件进行辅助计算。

Mathematica语句：Eigensystem【C】={eigenvalues，eigenvectors}，其中eigenvalues为成对比较阵的特征值，eigenvectors为相应的特征向量矩阵;
（三）模糊综合评价：利用矩阵的模糊乘法得到综合模糊评价向量B，其中B的计算公式如下：
在矩阵B计算完成之后，利用最大隶属原则对此次仿生设计产品进行评价。

四、设计应用
（一）多旋翼快递无人机的产品DNA提取：由于此类产品的之前的设计研究并没有太多的文献，所以在进行快递无人机仿生产品DNA提取的过程中参考常规多旋翼无人机的产品构造。

经过调研并结合仿生设计产品DNA的表达方法，确定快递无人机的整体DNA包括：机架，机身比例，整体造型。

部分DNA包括：螺旋桨，相机，起落架，电机，机翼等。

其中通用DNA包括：发动机，电机，螺旋桨，相机;个性DNA包括：机翼，机身比例，机身造型。

（二）意向目标与仿生设计产品的映射：形成仿生产品外形跟生物本体之间的映射模型是仿生设计过程中尤为重要的步骤。

仿生设计产品意向目标的获得通常采用感性工学作为基础，利用语义微分法并结合某些数学方法及数据计算软件辅助得到。

本文设置了一个意象实验来获取对于用户意向目标与设计产品映射偏爱的相关程度。

实验共邀请30名参与人员，其中包含10名普通学生，10名设计专业学生，5名无人机爱好者，5名设计专业老师。

分别向他们发放感性意象调查问卷，要求其对上述提取的多旋翼快递无人机产品DNA进行感性意象权重评分，打分形式采用Likert七级量表。

借助Matlab软件对评价结果进行统计分析，最终结果取平均值得到用户的期望目标结果如图4所示：
（三）多旋翼仿生快递无人机的视觉化表达：此次的多旋翼快递无人机的仿生设计利用生物耦合7及多生物效应【8】進行设计，集合多种自然生物，提高产品的稳定性;在设计过程中采用PETERS【9】提出的由从问题到生物的螺旋模型：明确功能需求-定义概念-问题的生物转换-发现生物模型-提取设计规律-生物策略仿生-评价。

1.操作流程展示：文章对无人机的底部的设计进行展示，具体操作步骤如图5所示。

2.外观形态提取：设计师根据语义差异法，通过对20种不同类项的无人机产品底座的分析得出：当设计曲线夹角小于45"且所对应圆心角小于60°时可以给人以流畅感，时尚感。

随后，设计师在Matlab软件中应用多级边缘检测算法（Canny边缘检测算子），提取图片外观形态特征如图6所示。

3.获得外观曲线：去除一些提取模糊的图片曲线（图6中曲线2，4，5），随后借助Coreldraw二维矢量图设计软件工具对提取的外观特征曲线进行优化和重构，得到图7中所展示的27条特征线样本。

4.获得设计曲线：去除一些弯曲程度过大完全不合理的曲线（图7中曲线13，19），将剩余曲线建立放置在坐标轴中，将曲线起始控制点A放在原点（0，0），进行曲线调整使曲线弯曲方向均面向x轴正方向。

分别以45"及95。

做两条射线，形成圆心角为60°的半封闭范围，淘汰位于封闭区域外部的设计曲线。

将剩余曲线对多旋翼快递无人机腿部曲线进行9级语义差异分析，挑选出流畅感，时尚感评分最高的曲线，将其作为腿部轮廓初始设计曲线。

为获得更加精细的设计曲线，在已取得曲线的基础上进行微调，将曲线端点以0.5cm为取值单位进行调整，并应用视觉化规则公式（3）-（5）进行调整，将获得的曲线进行感性意向词汇语义比较分析，最终得到如图8所示的腿部轮廓设计曲线，通过建模软件将曲线3D化，按照无人机实际使用情况对细节处进行处理，得到如图9所示的建模效果。

5.设计产品展示：重复上述所示步骤分别对多旋翼无人机其他部分进行设计即可得到所设计产品的整体建模。

产品的色彩仿生是人们在自然色彩客观认知的基础上，将自然界丰富的色
彩形式按照一定的艺术手法应用到产品外形创新设计中的重要设计方法【10】。

设计师通过对具有该目标意向的相关产品及按照设计师所积累经验进行相关色彩收集与提取，结果如图10所示，从所仿生的目标生物及意向目标两方面综合考虑进行产品色彩搭配，最后经渲染软件keyshot渲染后得到图11所示效果。

五、模糊综合评价
（一）依据Likertscale建立五级评分量表，依次为非常符合;比较符合;符合;没感觉;完全不符。

设计调查问卷并分发，分别对此次设计产品的外观相似度，色彩舒适度，功能操作性，产品创造性，产品实用性五个方面进行评价。

此次调查问卷发放共30份，收回30份。

数据可利用率100%，依据调查问卷的反馈数据建立模糊评价矩阵A。

（二）依据层次分析确定各个评价的成对比矩阵C：
一致性检验CR=0.07《0.1，所以成对比矩阵C构建合理。

由Mathematica辅助计算得到矩阵C的特征向量w={0.09，0.06，0.18，0.22，0.45}。