行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
應用特徵線與影像整合形變於產品感性意象之 研究
計畫類別：█個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC-96-2221-E-011-001
執行期間：2007 年 8 月 1 日至 2008 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳玲鈴 共同主持人：
計畫參與人員：洪偉肯, 邱靈均
執行單位：台灣科技大學工商業設計系
中 華 民 國 九 十 七 年 十 月 三 十 一 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
應用特徵線與影像整合形變於產品感性意象之研究 Characteristic Lines and Image Morphing for Product Perception Research
計 畫 編 號：NSC-96-2221-E-011-001
執 行 期 限：2007 年 8 月 1 日至 2008 年 7 月 31 日 主 持 人：陳玲鈴 台灣科技大學工商業設計系 計畫參與人員：洪偉肯, 邱靈均 台灣科技大學設計研究所
一、摘要
現有電腦輔助設計工具，著重於最終造形 的精確描述。如何在設計概念階段，以電 腦工具輔助設計師進行概念設計，是一個 重要但缺乏相關研究的議題。本計畫結合 特徵線與影像整合形變於開發電腦輔助概 念設計工具。第一年完成ConceptMorph電 腦輔助概念設計軟體。第二年將
ConceptMorph應用於產品造形特徵替換 及重組，以汽車為例，應用特徵組合配合 聯合分析法，探討感性意象與設計造形特 徵間的關係。本年度將ConceptMorph應用 於設計草圖之快速擬真彩現，以汽車為 例，針對不同程度之彩現方式，探討擬真 程度與所需製作時間的關係、分析整體擬 真度及個別造形特徵呈現之差異。
關鍵詞：電腦輔助概念設計、影像形變、
特徵重組、構想草圖、快速彩現
Abstract
The current computer-aided design tools focus on precise representation of final product geometries. How to support
designers in product concept development is an important but little researched topic. In this three-year project, we developed a computer-aided concept design system by integrating image morphing and line morphing techniques. During the first year,
software, called ConceptMorph. During the second year, we focused on using
ConceptMorph in design feature
compositions and investigated the influences of design features on the perceptions of automobile styling designs. During this (the third) year, we developed a method for rapid photorealistic visualization of design
sketches. By conducting a series of surveys, we investigated the relationships between the degrees of realism and the required times for different visualization methods, and compared the differences of the overall realism and the accuracy in expressing individual form characteristics for the various methods.
Keyword: Computer-aided Concept Design, Image Morphing, Feature Composition, Idea Sketches, Fast Rendering
二、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
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 電腦相關工具在第 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&Hsiao 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 第一年已針對設計的需求，開發改良式二 維形變軟體ConceptMorph。第二年(95年度) 則將電腦輔助概念設計軟體
ConceptMorph應用於產品造形特徵替換 及重組，並以汽車為例，應用所發展的影 像特徵組合功能，產生不同造形特徵組合 之產品影像圖片，配合聯合分析法，進行 感性意象的調查與分析，深入探討感性意 象與設計造形特徵間的關係。本年度(第三 年，96年度)，則以Concept-Morph為基礎，
發展手繪圖(Sketches)之快速擬真視覺 化，以作為快速檢測造型的一種新模式。
研究並以汽車為例，針對以不同程度之設 計草圖所獲得之彩現圖、手繪圖及三維電 腦繪圖，探討擬真程度與所需製作時間的 關係、分析整體擬真度及個別造形特徵呈
現之差異。
三、平均車型之三維虛擬模型
快速擬真視覺化的基本構想是結合三維 之虛擬平均車型與 ConceptMorph 之二維 形 變 功 能來 產 生 設 計 草 圖 之 擬 真 彩 繪 圖。
三維之虛擬平均車型之製作，是先依據 王鉅富(2003)所作的感性意象空間座標 中最外圍的六款代表車型與內圍的四台 代表車款分別作出兩個平均車型。感性 意 象 空 間 座 標 中 的 外 圍 車 款 包 含 了 Peugeot 306、Benz C-class、Aston Martin DB7 、 BMW 323i 、 Beetle 與 Rolls-Royces ； 內 圍 的 車 款 則 是 Lexus GS300、Nissan Altima、Subaru Impreza 與 Volvo C70。整體輪廓與整體各組件位 置與角度由三維虛擬模型為主，包含了 A 柱、擋風玻璃的角度、輪軸距、頭燈位 置與高度，以 Alias StudioTools 製作，強 調相接面之間的平順，而曲面特徵線和 局部特徵的資訊則將來自於手繪圖。完 成之虛擬三維模型如圖一。
三維虛擬模型成形之後以 HDRI 賦予光 線與反射的資訊。為了表現車體側部朝 天空的反光面與整體資訊的簡潔，包含 了引擎蓋上的反射資訊影像，因此選擇 屬於右側天空比例較高的 HDRI 作為光 線與反射來源。渲染的引擎選擇 3DMAX 外 掛 的 VRay ， 運 用 其 HDRI(High Dynamic Range Image)環境與 GI(Global Illumination)的技術，以增加渲染車體的 整體亮度和車體烤漆部份的反射訊息。
圖一 虛擬三維平均車
由於平均車型之虛擬模型具有完整之三 維資訊，因此可以經由旋轉角度而獲得 與設計草圖視角相符之擬真圖像（如圖 二）。
圖二 平均車型之不同視角圖像
四、設計草圖之擬真視覺化
快速擬真視覺化的基本構想是將具有真
實的影像資訊之虛擬平均車型，旋轉到 與 手 繪 圖 相 同 之 視 角 後 ， 再 以 ConceptMorph 將虛擬平均車形變至手繪 圖所定義之車體輪廓造形。形變過程與 步驟如下：於 Concept Morph 中，先將所 置入的平均車形 A 與手繪圖 D 當作欲形 變實驗的影像(如圖三)，之後在各影像上 調整相對等的形變特徵曲線 B 與 E，形 變特徵曲線的描繪依循上述的特徵定義 為製作方式。右側的形變特徵線 E 與手 繪圖 D 在形變之後並不做扭曲與移動，
是將左側的平均車影像 A 扭曲至入右側 的輪廓架構之下，A 影像形變後成為影像 C，再調整影像 C 與影像 D 的透明度比 例， 75% C 與 25%D。最後所呈現的合 成影像 F 包含了平均車影像的曲面資訊 與右側手繪圖的輪廓特徵。
圖四中所選取的手繪圖於影像與特徵上 是屬於較佳的圖片，呈現出電腦手繪的 漸層效果，但與真實的影像相較之下仍 可以看的出是手繪圖。形變之後的合成 影像於車體表面上有著更多的資訊。圖 四為應用 ConceptMorph 於不同手繪圖之 測試結果。
四、擬真程度之實驗測試與分析
本研究主要探討設計師的概念手繪圖，參 考現有文獻，將手繪精細程度定義為四階 段：
一、單色、一致性的線條、無陰影。
二、單色、不同粗細線條、無陰影。
三、單色、不同粗細線條、陰影表現曲面。
四、線條與陰影，包含色彩與漸層。
圖三 擬真視覺化之步驟
圖四 不同設計草圖之擬真視覺化測試
為了解本研究以 ConceptMorph 軟體產生 之設計彩現圖與設計師不同精細程度之手 繪圖及電腦繪圖間之差異。本研究以兩組 汽車設計圖探討擬真程度與製作時間的關 係、並分析不同表現方式在整體擬真度及 個別造形特徵呈現之差異。
首先是由資深設計師黃伯松、翁嘉聲分別 繪出不同階段的手繪圖，並累計製作時間 作為後續分析之依據（圖五）。
圖五 兩輛不同汽車之四階段概念草圖 擬真程度實驗調查的刺激物，包含以 ConceptMorph 軟體將四個不同程度之手 繪圖轉化獲得之彩現圖、手繪彩現圖（第 四階段）及以三維電腦軟體重新繪製之電 腦彩現圖。兩種不同汽車設計，各六張圖
（如圖六）。各種圖像製作時間均與以累計 紀錄，作為後續分析之依據（表一）。
圖六 擬真度實驗刺激物 表一
由於研究受測者必須具備辨識概念手繪 表達能力，實驗受測者包含業界設計師 與國立台灣科技大學大三以上學生。其 中男生 26 人，女生 5 人，共 31 位受測 者。
實驗由 31 位受測者對整體及個別造形特 徵呈現進行評分，評分標準以受測者對 圖像的擬真認知做評分，評分範圍為 ± 100。表二為受測者針對二組（各六張）
圖像之擬真程度評分之平均值。
表二
配合各圖像累計製作時間，繪出各階段 擬真程度與累計時間的相關折線圖，如 圖七、圖八。實驗結果（如圖五）發現，
以 ConceptMorph 配合精細程度較高、具 有 線 條 與 陰 影 之 手 繪 圖 所 產 生 之 彩 現 圖，其製作時間約為 1 小時，可以達到 相當良好的擬真效果；電腦三維模型可 以達到更高之擬真程度，但在製作時間 則高達 30 倍。
圖七 S1 車刺激物整體擬真度（Y 軸）與 製作時間（X 軸）之折線圖
圖八 S2 車刺激物整體擬真度（Y 軸）與 製作時間（X 軸）之折線圖
各特徵位置所呈現的部份與程度，依照手 繪的程度而漸增。手繪影像特徵的漸增，
會因為不同手繪階段的時間差異過大，使 得加在特徵上的手繪程度過小而有所影 響。由於形變的合成過程中，會將原始手 繪影像以 75%的透明度呈現並且有三維的 原型車作為面資訊基礎的干擾，就擬真度 而言，似乎可以比原始手繪來的真實。但 就特徵的呈現明顯程度，就實驗數據觀 察，並沒有原始手繪來的強烈明顯。惟獨 車頭燈組造形的形變影像其特徵明顯程度 皆比最終手繪渲染呈現出的成績高，原因 在於三維原形車影像在頭燈的部份製作，
是以真實的燈組做為貼圖的依據，其真實 度本身就會比手繪的燈組來的明顯。表三 是各特徵所呈現的程度整理：
表三 各特徵呈現的明顯程度整理
Ａ . 引 擎 蓋特徵線
Ｂ . 車 肩 曲 面特性線
C. 車 前 端 保 險 桿 造 形
D. 水 箱 護 罩造形
時間與呈 現的效果 成正比
各階段時 間的分配 特徵的累 加
時間與呈 現的效果 成正比
各階段時 間的分配 特徵的累 加
E. 車 頭 燈組造形
F. 車 門 造 形
G. 輪 拱 曲 面特性線
H. 車 頂 棚 造形 藉由貼圖
影像相較 於手繪所 呈現的程 度明顯 時間與呈 現的效果 成正比
屬 於 手 繪 最 終 渲 染 才 會 做 的 動作，前三 階 段 只 呈 現 輪 廓 與 位 置 而 已，各階段 並 沒 有 累 加特徵。
面 的 表 達 亦 屬 於 最 終 渲 染 才 會 做 的 動 作。
面 的 特 徵 表 達 取 決 於 粉 彩 的 呈現，粉彩 的 曲 面 表 達 需 要 交 代清楚。
在 手 繪 第 一 階 段 就 已 經 確 定 整 體 輪 廓 的部份。在 不 同 階 段 所 增 加 的 特 徵 線 只 是 為 了 讓 整 體 更 清 楚，但形變 合 成 後 的 影像，這些 特 徵 線 卻 變 成 邊 緣 表 達 面 的 陰影。
研究結果發現，整體擬真認知的部份，經 過形變影像合成產生之彩繪圖，擬真度較 純手繪影像高；其他個別特徵的呈現，以 車頭燈的合成影像與其他部分的特徵比較 有明顯的差異。
手繪結合影像形變對於汽車外觀造形而 言，需要最終渲染的手繪圖所包含的曲面 資訊才足以說明汽車曲面設計之細節。部 分擬真性之認知，與產品特徵（如車頭燈、
輪胎、輪盤）等細節之擬真程度有關，因 此如能配合 ConceptMorph 有關特徵組合
之功能，當能快速產生高擬真度之設計彩 現圖。
五、參考文獻
1. 王鉅富 (2003)，「造形於形變過程中與情感 意象之關係研究－以汽車造形為例」，國立 台灣科技大學設計研究所碩士論文。
2. 黃柏松 (2004)，「汽車外觀造形設計的復古
表現形式」，國立台灣科技大學設計研究所 碩士論文。
3. M. Tovey, S. Porter, R. Newman (2003)
“Sketching, concept development and automotive design,” Design Studies, Volume 24, Issue 2, March 2003, Pages 135-153.
4. Isaac V. Kerlow, (2006). The Art of 3D Computer Animation and Effects, 3rd Edition., John Wiley & Sons, Inc.
