计算机辅助工业设计中的人机交互
来源：UC论文网2015-11-07 16:01
摘要：
论文摘要：计算机辅助工业设计是工业设计未来的发展方向，本文从工业设计及计算机辅助工业设计的一般含义出发，探究计算机辅助工业设计的应用，着重探讨计算机辅助设计中的人
论文摘要：计算机辅助工业设计是工业设计未来的发展方向，本文从工业设计及计算机辅助工业设计的一般含义出发，探究计算机辅助工业设计的应用，着重探讨计算机辅助设计中的人机交互，并对其做出了展望。
工业设计是一门综合性学科，其知识体系包括数学、物理学、材料学、工程学、电子学、机械学、色彩学、心理学、美学、传播学及伦理学等。它在促进经济发展，改善人的生活方式等方面发挥了重要的作用。但究竟什么是工业设计，一直众说纷纭。2006年国际工业设计协会理事会（ICSID）给出的定义认为：设计是一种创造性活动，其目的是确立产品多向度的品质、过程、服务及整个生命周期系统，因此，设计是科技人性化创新的核心因素，也是文化与经济交流至关重要的因素。工业设计的任务是对结构、组织、功能、表达和经济关系的发现和评估，主要表现在：
（1）增强全球可持续化发展和对环境的保护；
（2）赋予人类社会整体、个人、集体以利益与自由；
（3）决定用户、生产者和市场领导者；
（4）不论世界如何全球化，支援文化多样化；
（5）赋予产品、服务、系统与其特性在形式（符号的、语义学）的表达上与内涵的协调（审美的、美学）保持一致。
近五十年工业设计得到了快速发展，特别是以计算机和通信技术为代表的数字化信息时代的到来，进一步促进了工业设计的发展。计算机辅助工业设计以一种崭新的面貌进入企业，改变着企业传统的产品研发过程。
一、计算机辅助工业设计
20世纪60年代，随着计算机图形理论的创立，计算机辅助设计（CAD）应运而生。随之而来的是软硬件的不断更新和现代工业的迫切需要，因此计算机辅助设计引入工业设计，也成为一种必然。工业迅猛发展，市场日新月异，产品的更新换代更加迅速，为了获得竞争的胜利，企业就需要缩短产品的研发周期，获得更好的市场资料，传统的产品研发手段已不能满足这种需求，借助计算机辅助工业设计（CAID）的技术则可以更加容易满足这种需求。
CAID，即是计算机及其系统集成相关高新科技，辅助产品（工程）或服务工业设计的现代设计技术，它的技术原理是将设计人员的最佳特性、创造性思维、经验知识、综合判断与决策能力、想象能力、审美能力等，与计算机的强大记忆、信息检索能力、海量信息高速精确计算与处理能力、易修改设计、虚拟真实显示、艺术渲染、一定的人工智能、工作状态稳定且不会疲劳等特性相结合，从而提高设计速度和效率，大大缩短设计周期，保证设计质量，降低设计成本。
二、CAID的应用
CAID的应用主要是基于数字化平台实现的，借助CAID，企业可以大大缩短产品的研发周期，降低产品的研发成本，同时能够保证产品的质量，进而增强企业的市场竞争力。CAID将科学思维和艺术思维融合在一起，科学的发明融入了艺术的思维，可使产品外观和操作更加人性化；将科学思维融入到艺术思维中，可以确保对产品的形态美及功能美的探求有科学的依据。
1、计算机辅助形态设计
计算机辅助形态设计就是借助计算机软硬件，通过形态变化、分割与比例等方法按照形式美法则对产品的造型进行探究，以获得功能布局合理、操作人性化的技术美。在这个阶段，设计师会经常对产品的形态进行探索，以获得良好的产品形态，这必然要求设计师经常对已有的产品形态进行修改。CAID的参数化功能，便于反复修改尺寸、线型等；具有较强的曲面造型功能；能够快速地实现基于草图的三维建模。
2、计算机辅助色彩设计
色彩对于产品的重要性是不言而喻的，不同人群及地域对色彩的理解不一样，因此，设计师要根据不同的目标人群在特定的使用情景下使用特定的色彩，同时，特定形态的产品，也需要特定的色彩才能更加完美地展现产品的特性。计算机辅助设计中的相关软件一般都有强大的色彩编辑器，及色彩拾取功能，这可以让设计师方便地选取色彩，进而提高设计师的工作效率，也更加便于对色彩的修改。此外，软件的色彩数据库能不时更新，保证了设计的时代性、时尚性。
3、计算机辅助人机设计
人机工程的主要任务是研究用户使用产品时的合适尺度关系、操作方式，及使用时的生理反应与心理感受。它的根本目的在于通过对“人-机-环境”相互影响的研究，创造出一个最合理的“人-机-环境”系统。
人机设计的好坏将直接影响产品的性能及用户的安全，好的人机设计将有利于产品性能的最佳发挥，提高生产效率，反之，将威胁用户的身体健康，给用户的操作带来不便，降低生产效率，降低产品人机环境的综合性能。随着计算机辅助技术的发展，以CAD为代表的三维数字化产品设计技术已成为企业提高竞争力的重要手段，进而出现了“数字化人机工程”概念，即借助计算机、信息处理技术，利用计算机辅助人机设计软件系统进行人机设计与评价。如运动型人体模型，它可以用来模拟人体的运动特性，在影视、工程设计、军事领域具有广泛的应用，在人机工程领域主要用于对姿态与动作的分析。
4、计算机辅助设计评价
借助CAID对设计方案进行评价是提高设计质量的一个重要环节。由此，可以判断各个方案的价值，确定其优劣，以便筛选出最佳的设计方案。评价工具的出现，使得设计评价方法和原则具有更强的可操作性。例如利用计算机对产品进行艺术美学的评价和分析，这是CIAD进行评价的一个突出案例。“计算机艺术美评价系统实质上也是个智能专家系统，在系统知识库中集中了客观上对某种产品是否美的评价概念，也集中了专家级的艺术美学思想及认识，它在系统推理中确定了评价艺术美的准则，然后进行人机对话对产品的艺术美做出专家级的评价”（汪海波《浅析计算机辅助工业设计》，载于《安徽工业大学学报》2005年第4期）。
三、计算机辅助工业设计的人机交互
信息在人类社会活动中变得越来越重要，当今社会已从以“技术为核心”变为以“信息为核心”，这标志着社会的进步，同时，也给设计者带来了一定的挑战，即如何将信息正确、及时地传递给用户。这就要求用户和产品实现无障碍交流，因此才有互动模式的CAID实现。目前，在CAID技术领域，人机交互的研究主要体现在人机界面设计和虚拟仿真设计等方面。
1、人机界面设计
计算机系统中的人机界面也称为用户界面，它介于用户和计算机之间，是用户与计算机进行信息传递和信息交换的载体，是用户使用计算机的综合操作环境。人机界面中设计师的作用就是处理人与硬件界面和软件界面的关系，而硬件界面与软件界面之间的关系则通过计算机技术来解决。目前，人机界面主要研究领域是人机界面模型设计、虚拟界面设计、多感官界面设计和多用户界面设计等。
2、虚拟仿真技术
通过计算机硬件系统的虚拟仿真技术，可以对人机关系进行有效的设计、验证和评估等工作。当前，“虚拟仿真技术的研究主要体现在触觉反馈、压力反馈等基础技术以及人机交互的模拟、人机虚拟环境的构建等方面”（罗海玉《计算机辅助工业设计技术综述》，载于《甘肃科技》2003年第7期）。它是一种高度逼真地模拟人在自然环境中试听等主观行为的人机界面技术。目前，已有很多设备可以用来虚拟仿真设计，如三位空间交互球、力反馈器、数据手套、头盔显示器等。虚拟仿真技术在国内目前主要用于军事领域、航空航天领域，在工业设计领域的运用还不多。但是，毫无疑问的是虚拟仿真技术必然是工业设计未来发展的一个主要方向，借助它可以实现设计过程中任一环节的考察与操作，可以帮助设计师快速、真实、有效地实现和修改设计方案，减少不必要的体力与脑力劳动，实现与设计团队的信息交流和资源共享，进而提高产品研发的速度，快速及时地抓住市场机遇，提高企业市场竞争力，获得巨大经济效益。
结 语
借助CAID可以有效地缩短产品的研发周期，但是，目前CAID技术还不够成熟，急需进一步研究。从工业设计本身而言，随着人工智能、虚拟仿真等技术的不断发展，设计师的设计思维也将发生重大变化，人机交互模式的CAID就将成为未来工业设计发展的必然趋势，更加人性、快捷、真实的人机交互方式将会是CAID中人机交互的必然结果。
参考文献
1、 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%B7%A5%E6%A5%AD%E8%A8%AD%E8%A8%88. 维基百科
2、 刘和山、赵英新、黄克正、张明《浅谈计算机辅助工业设计》，载于《山东内燃机》1999年第3期
3、 杨海成、陆长德、余隋庆《计算机辅助工业设计》，北京理工大学出版社2009年版
4、 汪海波《浅析计算机辅助工业设计》，载于《安徽工业大学学报》2005年第4期
5、 周苏、左伍衡、王文、徐新爱《人机界面设计》，科学出版社2007年版
6、 罗海玉《计算机辅助工业设计技术综述》，载于《甘肃科技》2003年第7期
工业设计是一门综合性学科，其知识体系包括数学、物理学、材料学、工程学、电子学、机械学、色彩学、心理学、美学、传播学及伦理学等。它在促进经济发展，改善人的生活方式等方面发挥了重要的作用。但究竟什么是工业设计，一直众说纷纭。2006年国际工业设计协会理事会（ICSID）给出的定义认为：设计是一种创造性活动，其目的是确立产品多向度的品质、过程、服务及整个生命周期系统，因此，设计是科技人性化创新的核心因素，也是文化与经济交流至关重要的因素。工业设计的任务是对结构、组织、功能、表达和经济关系的发现和评估，主要表现在：
（1）增强全球可持续化发展和对环境的保护；
（2）赋予人类社会整体、个人、集体以利益与自由；
（3）决定用户、生产者和市场领导者；
（4）不论世界如何全球化，支援文化多样化；
（5）赋予产品、服务、系统与其特性在形式（符号的、语义学）的表达上与内涵的协调（审美的、美学）保持一致。
近五十年工业设计得到了快速发展，特别是以计算机和通信技术为代表的数字化信息时代的到来，进一步促进了工业设计的发展。计算机辅助工业设计以一种崭新的面貌进入企业，改变着企业传统的产品研发过程。
一、计算机辅助工业设计
20世纪60年代，随着计算机图形理论的创立，计算机辅助设计（CAD）应运而生。随之而来的是软硬件的不断更新和现代工业的迫切需要，因此计算机辅助设计引入工业设计，也成为一种必然。工业迅猛发展，市场日新月异，产品的更新换代更加迅速，为了获得竞争的胜利，企业就需要缩短产品的研发周期，获得更好的市场资料，传统的产品研发手段已不能满足这种需求，借助计算机辅助工业设计（CAID）的技术则可以更加容易满足这种需求。
CAID，即是计算机及其系统集成相关高新科技，辅助产品（工程）或服务工业设计的现代设计技术，它的技术原理是将设计人员的最佳特性、创造性思维、经验知识、综合判断与决策能力、想象能力、审美能力等，与计算机的强大记忆、信息检索能力、海量信息高速精确计算与处理能力、易修改设计、虚拟真实显示、艺术渲染、一定的人工智能、工作状态稳定且不会疲劳等特性相结合，从而提高设计速度和效率，大大缩短设计周期，保证设计质量，降低设计成本。
二、CAID的应用
CAID的应用主要是基于数字化平台实现的，借助CAID，企业可以大大缩短产品的研发周期，降低产品的研发成本，同时能够保证产品的质量，进而增强企业的市场竞争力。CAID将科学思维和艺术思维融合在一起，科学的发明融入了艺术的思维，可使产品外观和操作更加人性化；将科学思维融入到艺术思维中，可以确保对产品的形态美及功能美的探求有科学的依据。
1、计算机辅助形态设计
计算机辅助形态设计就是借助计算机软硬件，通过形态变化、分割与比例等方法按照形式美法则对产品的造型进行探究，以获得功能布局合理、操作人性化的技术美。在这个阶段，设计师会经常对产品的形态进行探索，以获得良好的产品形态，这必然要求设计师经常对已有的产品形态进行修改。CAID的参数化功能，便于反复修改尺寸、线型等；具有较强的曲面造型功能；能够快速地实现基于草图的三维建模。
2、计算机辅助色彩设计
色彩对于产品的重要性是不言而喻的，不同人群及地域对色彩的理解不一样，因此，设计师要根据不同的目标人群在特定的使用情景下使用特定的色彩，同时，特定形态的产品，也需要特定的色彩才能更加完美地展现产品的特性。计算机辅助设计中的相关软件一般都有强大的色彩编辑器，及色彩拾取功能，这可以让设计师方便地选取色彩，进而提高设计师的工作效率，也更加便于对色彩的修改。此外，软件的色彩数据库能不时更新，保证了设计的时代性、时尚性。
3、计算机辅助人机设计
人机工程的主要任务是研究用户使用产品时的合适尺度关系、操作方式，及使用时的生理反应与心理感受。它的根本目的在于通过对“人-机-环境”相互影响的研究，创造出一个最合理的“人-机-环境”系统。
人机设计的好坏将直接影响产品的性能及用户的安全，好的人机设计将有利于产品性能的最佳发挥，提高生产效率，反之，将威胁用户的身体健康，给用户的操作带来不便，降低生产效率，降低产品人机环境的综合性能。随着计算机辅助技术的发展，以CAD为代表的三维数字化产品设计技术已成为企业提高竞争力的重要手段，进而出现了“数字化人机工程”概念，即借助计算机、信息处理技术，利用计算机辅助人机设计软件系统进行人机设计与评价。如运动型人体模型，它可以用来模拟人体的运动特性，在影视、工程设计、军事领域具有广泛的应用，在人机工程领域主要用于对姿态与动作的分析。
4、计算机辅助设计评价
借助CAID对设计方案进行评价是提高设计质量的一个重要环节。由此，可以判断各个方案的价值，确定其优劣，以便筛选出最佳的设计方案。评价工具的出现，使得设计评价方法和原则具有更强的可操作性。例如利用计算机对产品进行艺术美学的评价和分析，这是CIAD进行评价的一个突出案例。“计算机艺术美评价系统实质上也是个智能专家系统，在系统知识库中集中了客观上对某种产品是否美的评价概念，也集中了专家级的艺术美学思想及认识，它在系统推理中确定了评价艺术美的准则，然后进行人机对话对产品的艺术美做出专家级的评价”（汪海波《浅析计算机辅助工业设计》，载于《安徽工业大学学报》2005年第4期）。
三、计算机辅助工业设计的人机交互
信息在人类社会活动中变得越来越重要，当今社会已从以“技术为核心”变为以“信息为核心”，这标志着社会的进步，同时，也给设计者带来了一定的挑战，即如何将信息正确、及时地传递给用户。这就要求用户和产品实现无障碍交流，因此才有互动模式的CAID实现。目前，在CAID技术领域，人机交互的研究主要体现在人机界面设计和虚拟仿真设计等方面。
1、人机界面设计
计算机系统中的人机界面也称为用户界面，它介于用户和计算机之间，是用户与计算机进行信息传递和信息交换的载体，是用户使用计算机的综合操作环境。人机界面中设计师的作用就是处理人与硬件界面和软件界面的关系，而硬件界面与软件界面之间的关系则通过计算机技术来解决。目前，人机界面主要研究领域是人机界面模型设计、虚拟界面设计、多感官界面设计和多用户界面设计等。
2、虚拟仿真技术
通过计算机硬件系统的虚拟仿真技术，可以对人机关系进行有效的设计、验证和评估等工作。当前，“虚拟仿真技术的研究主要体现在触觉反馈、压力反馈等基础技术以及人机交互的模拟、人机虚拟环境的构建等方面”（罗海玉《计算机辅助工业设计技术综述》，载于《甘肃科技》2003年第7期）。它是一种高度逼真地模拟人在自然环境中试听等主观行为的人机界面技术。目前，已有很多设备可以用来虚拟仿真设计，如三位空间交互球、力反馈器、数据手套、头盔显示器等。虚拟仿真技术在国内目前主要用于军事领域、航空航天领域，在工业设计领域的运用还不多。但是，毫无疑问的是虚拟仿真技术必然是工业设计未来发展的一个主要方向，借助它可以实现设计过程中任一环节的考察与操作，可以帮助设计师快速、真实、有效地实现和修改设计方案，减少不必要的体力与脑力劳动，实现与设计团队的信息交流和资源共享，进而提高产品研发的速度，快速及时地抓住市场机遇，提高企业市场竞争力，获得巨大经济效益。
结 语
借助CAID可以有效地缩短产品的研发周期，但是，目前CAID技术还不够成熟，急需进一步研究。从工业设计本身而言，随着人工智能、虚拟仿真等技术的不断发展，设计师的设计思维也将发生重大变化，人机交互模式的CAID就将成为未来工业设计发展的必然趋势，更加人性、快捷、真实的人机交互方式将会是CAID中人机交互的必然结果。
参考文献
1、 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%B7%A5%E6%A5%AD%E8%A8%AD%E8%A8%88. 维基百科
2、 刘和山、赵英新、黄克正、张明《浅谈计算机辅助工业设计》，载于《山东内燃机》1999年第3期
3、 杨海成、陆长德、余隋庆《计算机辅助工业设计》，北京理工大学出版社2009年版
4、 汪海波《浅析计算机辅助工业设计》，载于《安徽工业大学学报》2005年第4期
5、 周苏、左伍衡、王文、徐新爱《人机界面设计》，科学出版社2007年版
6、 罗海玉《计算机辅助工业设计技术综述》，载于《甘肃科技》2003年第7期
