数字化技术在设计中的应用研究综述_王伶.pdf

第 44 卷 第 4 期 包 装 工 程 2023 年 2 月 PACKAGING ENGINEERING 9 收稿日期：20221020 作者简介：王伶（1978），男，博士，教授，主要研究方向为信息与通信工程。通信作者：田宝华（1971），男，教授，主要研究方向为数字化艺术设计研究。数字化技术在设计中的应用研究综述 王伶1，田宝华2，张予琛2（1.西北工业大学，西安 710072；2.西安工程大学，西安 710048）摘要：目的目的 梳理数字化技术对设计的影响，形成较为完整、丰富的知识框架，分析国内外研究现状，研判未来的发展趋势，为相关研究人员提供参考及资讯。方法方法 使用文献分析法、内容分析法对以 CNKI和 Web of Science 为代表的学术资源数据库中数字化设计的相关文献进行检索分析，采用泛读和精读相结合的方式提取文献重点内容，根据设计流程中的不同环节进行分类整理，并总结不同学者观点间的联系与区别。结果结果 完成对数字化设计相关研究的发展过程、应用、优势及未来趋势的综述。结论结论 数字化技术的发展进步为各行各业带来了新的发展机遇，不仅对设计的各个环节都产生了不同程度的影响，还加速了各类设计的融合发展，使设计产品越来越趋向于多元化发展模式。但用户需求也因数字化技术有所转变，未来数字化设计还有着较大的发展空间。关键词：数字化；设计；产品设计；服装设计 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)04-0009-09 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.04.002 Literature Review on Application of Digital Technology in Design WANG Ling1,TIAN Bao-Hua2,ZHANG Yu-chen3(1.Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,China;2.Xian Polytechnic University,Xian 710048,China)ABSTRACT:The work aims to study the impact of digital technology on the development of design,form a complete and rich framework of knowledge,analyze domestic and foreign research status,research and analyze future trends,to provide reference and information for relevant researchers.First of all,literature analysis and content analysis were applied to search and analyze the relevant literature of digital design in CNKI and Web of Science.The key contents of the literature were extracted by extensive reading,classified and sorted according to the different links in the design process.And the relationship and difference between different views of scholars were summarized.The development process,application,advantages and future trend of the research on digital design are summarized.The development of digital technology brings new development opportunities for all walks of life,has different degrees of impact on all aspects of design,accel-erates the convergence of various types of design trends,and makes the design product more and more tend to the diversi-fication development pattern.But the user demand also changes because of the digitization technology.The future digiti-zation design has the big development space.KEY WORDS:digitization;design;product design;clothing design 近年来，数字化技术的应用越来越普遍，在不同程度上影响着各个行业。新冠肺炎疫情更是加速了数字化的发展，甚至许多似乎与数字化发展无关的领域也不得不尝试改变，以适应当前的社会发展大环境1。1 数字化设计 数字化设计可拆分为“数字化”和“设计”两个部分来理解。数字化主要代指数字化技术，简单来讲，【专题：数字化视角下航空领域艺术设计研究】10 包 装 工 程 2023 年 2 月 就是一种运用“0”“1”二进制编码数字，依托互联网及计算机技术进行信息表达的一种能够服务于各个领域的技术2。设计是人类为了实现某种特定目的而进行的创造性活动，设计师对线条、形体、色彩、质地等元素进行合理的安排，完成富有美感、服务于人的产品。除设计师对设计成品会有影响外，生产技术的发展也是限制设计发展的一个重要因素。1.1 数字化设计背景“数字正在改变世界”已然成为学术界、工业界及企业界的口头禅。2020 年 5 月国家发展改革委发布了数字化转型伙伴行动倡议，指明了数字化研究应用的未来发展趋势，习近平总书记也在浙江考察中多次强调数字化转型的必要性。自新冠肺炎疫情席卷全球以来，国内各行各业都受到了巨大冲击，但个别企业在困境中把握机遇，积极推进了数字化转型，运用大数据、人工智能、虚拟现实等技术弥补了外界 因素带来的损失。数字化技术的诞生给全球许多行业都带来了颠覆性的变化，就企业发展而言，以数字化发展技术为支撑的公司大多已成为行业榜首。数字化技术不仅影响着世界，更是给设计行业带来了新的发展前景。自文艺复兴时期以来，设计一直是一种富有创造性、远见性的活动，当时的著名艺术家达芬奇开创性地构思了第一张直升机的设计草图3。自此以后，越来越多改变人类生活的奇思妙想被记录下来，设计的过程也日益规范、标准、系统。工业革命的来临使设计进入更大的舞台，人们开始意识到设计的重要性，工业化的技术也给设计的表达带来了更多可能。在 20 世纪七八十年代后，数字化技术的诞生带给设计的转变首先表现为计算机辅助设计（CAD）的诞生，接着产品生命周期管理（PLM）的出现带给设计业更加深入和宽泛的转变，这些发展还在不断进行之中，影响着未来设计的趋势和方向4，见图 1。图 1 计算机辅助设计发展 Fig.1 Development of computer-aided design 1.2 国外数字化设计发展 1.2.1 计算机辅助设计 20 世纪 50 年代，人类能够通过简单的数字图形界面来完成对计算机和机床的控制操作。这个简单的步骤带来的是设计师首次与机器之间高效的互动沟通。随后麻省理工学院Ivan Sutherland的博士论文 草图板：人机图形通信系统被认为是对工程设计辅助系统开发的第一个重要贡献3。这一时期大量的应用程序集中于计算机图形和技术图纸的设计，主要目的是帮助机器系统不断发展，使设计师与计算机相互配合完成设计工作。到了 20 世纪 60 年代，计算机系统的更迭迎来了第一批具有图形界面的计算机，但计算机软件和硬件还处于起步阶段。经过数十年的发展，市面上主流计算机的大小才缩小到能够进入人类生活办公场所的程度，而微型计算机的发展造就了更加优质的性能和精简的编程语言，从而出现了第一批人们所熟知的计算机辅助设计系统（CAD），这一时期的 CAD 系统能够完成交互性的二维绘图及三维线框绘图，系统的诞生标志着人与机器之间交互关系的重大技术进步以及数字化设计的开始。1.2.2 几何建模 20 世纪 70 年代，机械工程中计算机辅助设计的 发展为设计中几何形状的描述提供了基本的设计平台，主要技术特征是自由曲线曲面生成算法和几何表面造型。早期形状的理论前提是由欧几里得的几何理论和柏拉图的固体学说构成的，人们对物体形状的认知描述都处在基础的阶段，直到 Kendall 在形状的扩散 中对形状数学特征的研究，提出了形状的定义，即“形状是从物体中过滤掉位置、比例和旋转效应后所保留的所有几何信息”，成为了不同研究领域参考的基础理论。Requicha 在刚性固体表示法：理论、方法和系统中，在实体建模的基础上强调了计算机中数字化形状表现在几何方面的应用。此后，几何形状和固体形状受益于数学和计算机学科等多个学科理论及算法的发展，使二维和基础三维形状能够以基础结构的形式（点、网格、曲线、曲面、体积）进行数字化表示，Bezier、B 样条法等算法被应用于 CAD 系统，设计师能够借助数字化技术完成自由曲线曲面甚至是三维曲面造型的表面形状表达。1.2.3 实体建模 20 世纪 70 年代末数字化设计能够完成大部分的表面加工任务，但却无法表达形体的质量、重心等特征。到了 20 世纪 80 年代，汽车和飞机工业的发展大幅促进了数字化设计的进步，为了完成更加复杂的实第 44 卷 第 4 期 王伶，等：数字化技术在设计中的应用研究综述 11 体形状设计，研究人员在美国、英国、日本、德国和法国利用边界表示法（B.Rep）和构造实体几何数表示法（CSG）进行了软件应用开发。CSG 建模方法主要是指使用基础几何形状，如立方体、圆柱体和椎体等基础元素，通过布尔运算（交点、加法和减法），完成立体形状数字化模型设计。这种技术手段为部件和组件的设计、处理、可视化、交换和归档提供了数字化计算解决方案。边界表示法（B.Rep）则是由 Baumgart和 Braid 在工程设计：系统方法中提出的，这种方法主要通过不同曲面（2D），如面片、三角形、样条等组合包围形成的封闭空间形状，从而完成实体数字化建模3。实体建模与几何建模的区别在于实体建模更加关注物体对象的完整性、准确性和保真度，任何模型都能够对应真实的物理形体，也为后期 3D 打印技术奠定了基础。经过多年的技术发展和市场竞争，当时使用的主流高端 CAD/CAM/CAE 集成软件系统主要有 PTC 公司的 Pro/E，UGS 公司的 UG，IBM/Dassault公司的 CATIA 等。1.2.4 雕刻建模与扫描建模 各种建模软件发展至今已然趋向饱和状态，雕刻建模和扫描建模的形式打开了建模软件发展的新方向。ZBrush 是由美国 Pixologic 公司打造的全新三维建模软件，它的出现代表了一场 3D 造型革命。软件以传统雕刻技法为灵感将复杂的三维建模变得犹如捏泥巴一样轻松，设计师能够通过鼠标控制软件中的立体笔刷工具进行自由雕刻，从而还原心中的设计构思。同类的 MudBox、3DCoat、Modo 等应用也利用各自的优势在设计软件领域留下一席之地。扫描建模则是以 Geomagic 为代表的一种利用电子设备中相机、雷达、激光等技术对物体进行扫描进而生成 3D模型的软件，这类软件因建模效率高、速度快的特点也受到了部分设计师的追捧。1.3 国内数字化设计发展 1.3.1 数字信息整合“九五”规划以来，我国组