行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
應用特徵線與影像整合形變於產品感性意象之研究(1/3)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC94-2213-E-011-021-
執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學工商業設計系
計畫主持人： 陳玲鈴
計畫參與人員： 洪偉肯. 邱靈均, 康獻章
報告類型： 精簡報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 6 月 1 日
摘要
本計畫「應用特徵線與影像整合形變於產品 感性意象之研究｣為三年期計畫, 第一年(94 年度)之研究成果為電腦輔助概念設計軟體
「ConceptMorph」的開發。本軟體係以多元 形變相關研究為基礎而開發的新影像形變 軟體, 特色為採用 Cubic Bezier Curve 作為 特徵線表現方式, 並可新增、修改、載入、
儲存與刪除特徵線, 再經由計算平均特徵 線(average characteristic curves)、影像扭曲 (image warping)、影像融合(cross dissolving) 等演算程序, 產生最後的形變合成圖。此軟 體在產品概念設計上的應用, 包括 1.多張影 像平均，2.多張影像依比重融合，3.特徵強 化、置換與重組，4.整體置入另一形體等，
將可以在概念設計階段, 快速產生許多視 覺化的刺激,協助設計師將產品的感性意象 概念視覺化。未來可進一步探討如產品原 型、產品感性意象空間的轉換與外插等議 題。
關鍵詞：電腦輔助概念設計、影像形變、影 像平均、原型、特徵置換
Abstract
In this three-year project, we first developed a computer-aided concept design system, called ConceptMorph that allows designers to rapidly explore a large number of product shapes and to visualize their concepts of products during the early conceptual stage in product design.
ConceptMorph is based on a novel image morphing technique which can compute average among multiple images. The system uses cubic Bezier curves to define the characteristic curve of shapes and features in product images. The set of characteristic curves can be easily added, adjusted, loaded, saved and deleted. After the feature curves were defined, the system then calculates their average curves, warp images onto average curves and finally produce the synthesized image by cross dissolving.
To verify the usefulness of ConceptMorph, we use various car images as examples to test the
software. Comparing to morphing packages commercially available now, the ConceptMorph system reduces blurring of synthesized image from morphing process.
Finally, we also proposed some applications of ConceptMorph in product design including:
1.shape averaging; 2. weighted morphing of multiple images; 3. features addition and replacement; 4. warping one product into outline of another product.
Keyword: Computer Aided Concept Design, Image Morphing, Shape Averaging, Archetype, Feature Replacement.
一、緣由與目的
目前一般商用電腦輔助設計工具, 著 重於造形的精確描述,對於設計概念階段的 幫助相當低. 如何在設計前期階段, 以電腦 輔助設計師進行概念設計, 即「電腦輔助概 念 設 計 (Computer Aided Concept Design, CACD)」, 仍是一個重要但缺乏相關研究的 議 題 (Dijk et al., 1998) 。 在 Tovey and Porter(2004)有關草圖、概念發展與汽車設計 的研究中, 即認為若要開發「電腦輔助概念 設計的系統」, 必需要考慮到草圖繪製過程 中的活動, 應採取「擴大」而非「取代」傳 統手繪活動.該研究以汽車 styling 的設計過 程為例, 說明前 4 週時間主要進行概念設計
（concept design）, 之後到 26 週則進行設計 發展（design development）, 而相關電腦工 具在第 7 週後才會大量使用, 目前在最前端 的概念設計階段, 仍相當依賴以紙筆、手繪 草圖等傳統工具。
究竟在概念設計的過程中, 應以何種 方式進行協助設計師, 如何擴大傳統的手 繪活動? 由於滿足情感的需求, 在產品設計 所扮演的角色益加重要, 本計畫由過去數 年針對「產品造形」與「引發情感」兩者間 關係的研究結果, 已逐步瞭解使用者隨著 產品造形的改變而引發的感受(Chen, L. L.
& Hsiao, K. A., 2002). 而設計師的職責, 即 在於藉由造形以引發特定的產品情感, 而 所引發的情感, 亦可刺激設計師作進一步 的思考與調整, 如此在循環的過程中, 反複
處理不同造形與特徵的合成與加減問題。受 限於現有套裝形變軟體(如 Elastic Reality)的 功能與品質, 無法如同設計師思考般, 進行 多張圖片的合成, 或處理多張不同比重圖 片的形變. 有鑑於此, 本計畫第一年針對設 計的需求, 開發改良式二維形變軟體, 期能 運用此平台, 讓設計師在概念設計階段即 能 掌 握 與 操 控 產 品 意 象 , 並 將 概 念 視 覺 化。在本結案報告中, 將以不同風格汽車圖 片為例進行測試, 並說明在概念設計的可 能應用方式。
二、ConceptMorph 的運作方式與特點
ConceptMorph 影像形變軟體的運作方 式, 其基本架構延續 Lee et al.(1998)對多張 圖片形變(polymorph)的研究. 在本系統中, 進一步針對產品概念設計的需求, 規畫新 的特徵線定義方式, 並提出設計師所需功 能與介面. 系統運作方式主要有三個程序。
1.計算平均特徵線(average characteristic curves)。
2.影像扭曲(image warping)。
3.影像融合(cross dissolve)。
假設輸入 2 張汽車原始圖片 A、B, 分 別於圖片上, 以三次貝茲曲線(cubic Bezier curves)繪出其外形特徵線 a、b. 在進行形變 時, ConceptMorph 首先會依比重, 計算出 A 圖 與 B 圖 的 平 均 特 徵 線 (average characteristic curves), 其次再分別將兩張圖 片的每個像素(pixel), 影像扭曲(warp)至該 特徵線內以產生中間圖, 最後再將兩張中 間 圖 , 依 比 重 進 行 影 像 融 合 (cross dissolving)。由於以相同的平均特徵線將圖 片扭曲至該輪廓中, 故最後影像融合時, 兩 張圖的輪廓特徵可精確對應, 因而避免了 模糊的情形, 如圖 1。
圖 1: ConceptMorph 的運作方式
整體而言, ConceptMorph 的特點如下:
1.三次貝茲曲線(cubic Bezier curve)的特徵 線, 除了繪製曲線外, 亦可繪點、直線等 幾何特徵線, 可運用於大多數的產品外 形。
2.個別原始圖的特徵線, 可新增、修改、
載入、儲存與刪除, 並可單獨修改特徵 線, 故可進行「特徵置換與重組」、「特 徵強化」等用途。
3.平均特徵線亦可儲存以作為「特徵線範 本(template)」, 並可再輸入作為原始圖 的特徵線。
三、ConceptMorph 的操作介面
3.1 圖片載入
首先輸入欲形變的圖片張數, 可輸入 2~99 間的任一整數, 並可設定圖檔輸出格 式為 bmp 或 jpg, 按 OK 鈕確認後, 會跳出 檔案開啟的視窗, 再依序逐步輸入欲合成 形變的圖片, 如圖 2。
圖 2: 輸入欲形變圖片張數的畫面
3.2.主畫面視窗之操作環境
以輸入兩張汽車原始圖檔為例, 在畫 面中由左而右分別為「原始圖 1 之圖框」、
「原始圖 2 之圖框」、「合成路徑預覽圖框 (背景預設為原始圖 1 以作比對, 可切換)」, 如圖 3, 每個圖框左上角數字為編號, 右 下角 weight 標示之數字為比重, 可自行更 改為不帶負號之實數, 以調整該圖片在所 有圖片中, 特徵線與圖片色彩上所代表的 比重。
圖 3: 載入 2 張圖片後之畫面
3.3.新增、修改、載入、儲存與刪除特徵線 此軟體的特徵線格式, 係以三次貝茲 曲線(cubic Bezier curve)構成, 以四個控制 點(control points)來定義一條特徵線, 其特 性為曲線會通過起點與終點, 並利用第二 與第三個點來控制曲線。本軟體亦提供新 增、修改、載入、儲存與刪除特徵線的功能, 並能在「合成路徑預覽圖框」中, 即時預覽 平均特徵線, 圖 4 為所有特徵線繪製完成的 情況。
圖 4: 特徵線繪製完成之畫面。
在繪製對應特徵線時, 依賴的是設計 師對於「對應特徵」的判斷, 是一種依語意 法則進行的方法(Chen & Parent, 1989), 根 據元素的隱喻性質與造形意義的認知的判 斷方式, 在目前的操作上是由使用者定義 來解析出其意義, 對於最終形變合成品質 影響相當大。在 Tovey & Porter(2004)探討汽 車設計草圖的研究中, 分析汽車草圖包含 的元素包括 1.造形線(form line)、2.冠狀線 (crown line)、3.區域線(area line)、4.陰影 (shading)、5.色彩(colouring)等, 並證明了在 汽車造形中造形線(form line)的重要性。在 本計畫的測試案例中, 可將造形線視為車 身輪廓與形狀轉折的線段; 冠狀線則為實 際上不存在但可表現曲面凹凸狀態的線段, 可視為一輔助特徵線, 以控制形變影響的 範圍; 區域線所指的是各零件, 如車輪、車 燈、水箱護罩等封閉外形線段, 依該分類方 式, 歸納出以下幾個特徵線繪製上的原則。
1.儘量以最少的特徵線來表達外形輪廓。
2.每一條特徵線, 前一條線的終點與下一 條線的起點的「位置」應儘量接近或重 疊。
3.當以兩條以上的特徵線表現一連續弧形 輪廓, 或一封閉外形時, 應讓前一條線 的終點與下一條線的起點的切線相切, 且儘量使控制向量相等與對稱。
4.對於轉折變化很大的外形(如車燈)、複雜 的元件(如水箱護罩)、或需表現車身大面 積光影變化時, 可運用增加輔助特徵線 (即前述之冠狀線)的方式, 控制形變影 響的範圍, 讓變形更圓滑、避免超過變 形扭曲的極限, 使合成品質更佳。
5.初次進行多張圖片特徵線的繪製與對應 較為困難, 解決方式可將 A 圖與 B 圖所 計算出的平均線儲存後, 輸入 C 圖作為 基礎特徵線, 再將該特徵線修改為 C 圖 的外形, 依此類推, 再儲存 A、B、C 圖 的平均特徵線, 輸入至 D 圖修改, 重複 此步驟, 可使多張圖對應特徵線的繪製 更為容易。
3.4.儲存平均特徵線、設定取樣率與進行形 變
平均特徵線儲存格式為 txt 文字檔, 每 條線以 cubic Bezier curve 四個控制點的個 別 X、Y 座標值表示, 可供後續載入修改。
取樣率(Sampling rate)的數字則表示在每 一條特徵線中, 每隔幾個 pixel 設定一取 樣點, 數字越小, 表示將特徵線轉換為取 樣點的密度越高, 形變時的細節處理也越 精細, 每張圖片下的 weight 值為 1, 按下 Morph Once 鈕後即開始進行形變, 系統會 分別計算圖 1、圖 2 扭曲到平均線的圖形, 再以 weight 比重平均, 最後的形變合成圖 同時擁有圖 1 與圖 2 之特徵, 如圖 5。
圖 5: 形變合成說明, 最上方為原始圖形, 中間為分 別扭曲至平均線後的中間圖, 下方為兩張中間圖平
均的結果。
四、ConceptMorph 在產品概念設計的應用
由於汽車產業相當龐大且高度結構化, 對於設計的分工相當精細, 且設計初期的 設計概念, 對於後續 3D 建模、生產、製造 開發有關鍵的影響。故本計畫以汽車概念設 計為例, 提出 ConceptMorph 的許多應用方 式。而 ConceptMorph 亦可視為一個二維影 像處理工具, 運用特徵線獨立修改的特性, 可進行產品的多張影像平均、多張影像依比 重融合、特徵強化、特徵置換與重組、整體 置入另一形體等用途, 即使圖片的視角或 外形差異極大, 兩張圖片間仍可容易的進
行無縫的特徵置換、重組與強化, 避免過去 因視角或拍攝鏡頭差異而無法合成的問題, 說明如下。
4.1 多張影像平均
多張影像平均的功能, 可用以探討產 品的原型(Archetype)。 原型為某事物的典 型範例, 即人對於特定事物的形式和類別 有一定的認知印象, 這些印象牢固的深植 在人心中的概念系統, 使不同的人之間, 仍 能對事物有共同的認知, 且對於不變的本 質 有 共 同 的 看 法 ( 林 銘 煌 , 2003) 。 運 用 ConceptMorph 將可進一步探討原型所代表 的意義與特性, 如探討不同時代產品的演 進, 並與設計史的論述作比對。而原型亦可 視為許多不同圖片在感性意象空間中的「原 點」, 可作為感性意象空間的中心, 以進一 步 探 討 造 形 外 插 的 問 題 , 例 如 , 如 何 讓 Beetle 更可愛。
本計畫以八張(A~H)解析度為 1700x1000, 72dpi, 造形差異極大的汽車進行測試, 分 別繪製對應的特徵線,並進行多張影像平均 之 測 試 . 在 取 樣 率 設 為 20, 測 試 電 腦 為 P1.73G、1G RAM, 所需計算時間為 4 分 25 秒, 其合成結果如圖 6, 可將其定義為此 8 部車的平均車型。
圖 6: 八張汽車圖片的形變合成結果
本計畫另以 8 台車的排列組合進行測 試, 包括 8 取 2(28 種組合)、8 取 3(56 種組
合)、8 取 4(70 種組合)、8 取 5(56 種組合)、
8 取 6(28 種組合)、8 取 7(8 種組合), 由於圖 片相當多, 僅列出依 A~H 順序組合的模式, 如圖 7, 測試結果顯示當 5 部車以上形變合 成後, 即已相當接近前述 8 部車所示的平均 車型。 此意謂著多張圖片的合成可能存在 一 臨 界 點 (threshold), 當 超 過 該 臨 界 點 時 , 增加更多的圖片亦不會對造形意象造成更 多的影響。
圖 7: 八張汽車圖片, 部份排列組合結果之例, 越下 方之圖, 所合成的原始圖片越多
4.2 多張影像依比重融合
由於概念設計階段是充滿了模糊的知 識 (vague knowledge) 與 不 斷 改 變 的 目 標 (shifting goals) (McGown, A, Green, G and Rodger, P, 1998)。運用 ConceptMorph 能將 不同感性意象外形的汽車, 以量化方式依 不同比重進行融合, 可探討影像與所表現 感性意象間變化的關係, 是否為線性變化, 或呈現何種趨勢, 或探討如何維繫品牌造 形的 DNA, 並解決例如希望外形有 1/3 像 BMW 1series 汽車般的野性驃悍、並帶 2/3 TOYOTA Camry 的優雅的設計問題。設計師 並可藉由觀察形變過程造形的變化與刺激, 產生新的想法, 進一步能修改或操弄所欲 設計汽車的感性意象空間。而產生的概念圖 可 供 提 前 進 行 市 場 調 查 瞭 解 消 費 者 之 喜 好，避免生產後才發現不符合市場定位的問 題。圖 8 以相同 8 部車進行不同比重的測試, 依續加入的圖形之比重均佔 50%, 故後加入 車子具有主要的特徵, 形變合成結果亦相
當良好。
圖 8: 八張汽車圖片, 依不同比重合成的形變結果
再挑選 B、D、G 三部車進行, 各車分 別佔 50%, 進行不同比重的形變合成結果, 具有主要比重車子的特徵, 亦帶有其它兩 款車的感覺, 如圖 89。
B:50%、D:25%、G:25% B:25%、D:50%、G:25% B:25%、D:25%、G:50%
圖 9: B、D、G 三部車依不同比重形變合成結果
4.3 特徵強化、置換與重組
由於特徵線可單獨修改, 故可將原有 輪廓的特徵線予以強化, 如誇張化或直接 修改外形, 經由形變後仍能保有該特徵與 車身接合部份的圓滑與自然。如圖 10 所示 為誇張化後的車燈, 與變形後的水箱護罩。
圖 10:特徵強化的測試
圖 11 的案例則為特徵置換的測試, 共 置換水箱護罩、車燈、輪拱、車側等 4 個部 位之特徵, 經由 ConceptMorph 的處理, 同 樣可得到相當自然與平順的組合效果。經由 造型特徵置換, 可探討不同特徵對於造形 認知的影響, 例如將 Benz 的車頭與 BMW
的車頭置換。
圖 11:特徵置換與重組的測試
4.4 整體置入另一形體
由於整體特徵線與平均特徵線皆可獨 立儲存與輸入, 故可將某產品造形「置入」
另一造形之中, 圖 12 左下的圖片, 係將轎 車「置入」右方跑車外形內的結果。
圖 12:整體置入另一形體的測試
運用相同的觀念, 亦可將現有汽車造 形套用到手繪概念草圖中, 以迅速將草圖 轉換為具備產品所有細節的彩圖(rendering), 舉例如新車款的開發, 可以概念草圖與現 有概念車或量產車進行形變, 即可快速的 產生各式完整的概念設計圖, 同樣可調整 車子與概念圖的比重, 以快速獲得將概念 具體視覺化的圖片。讓參與產品開發過程中 的其它成員或決策者, 在產品開發初期, 不 需經由 3D 建模與上彩, 即能快速掌握產品 外觀之全貌, 並作出正確決策, 如圖 13。
圖 13: 將現有汽車套用至手繪概念草圖之測試
五、結論
本計畫第一年研究成果, 是開發形變 軟體「ConceptMorph」, 經由實例測試, 已 達到計畫預定的目標, 研究更進一步發現 了許多在產品概念設計上的應用方式, 此 一平台與成果, 可作為第二年度(95 年度)的 基礎。
在第二年度(95 年度)的計畫中, 計畫將 進一步發展影像差異化的計算方式, 提供 產品外插、產品造形意象強化與減弱、產品 意象轉嫁等功能, 基本構想是以所有產品 的平均影像作為產品原型近似形, 其感性 意象應該趨近於中性, 再應用影像差異量 之計算, 求得具有某一特定意象造形之產 品影像與中性產品影像間的差異向量, 然 後應用該差異向量作為產品造形意象強化 與減弱的工具, 並同樣以汽車概念設計為 例, 進行測試與驗證, 並以協助設計師進行 概念設計為目標。
參考文獻
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