pARam: 利用扩展现实中的参数化设计支持个人制造中 artifacts 的个性化

文献标题

pARam: Leveraging Parametric Design in Extended Reality to Support the Personalization of Artifacts for Personal Fabrication

文献信息

• 主题领域: 人机交互、扩展现实、个人化设计和制作
• 关键词: 个人制作, 混合现实, 设计定制化, 3D建模, 参数化设计, 实地建模, 实地设计, 重混, 定制化界面, pARam

研究背景与问题

• 发现的问题或挑战:

  • 个人制作的设计过程通常分为两个极端：复杂的3D建模或从现有的模型中选择和修改，但两者都有明显限制。
  • 3D建模需要用户花费大量时间学习设计、工程和材料科学等领域的知识，而模型搜索和修改则受限于数据库的内容和难以调整的设计。
  • 参数化设计通过预定义参数组合简化了输出设计空间，但现行工具仍存在交互复杂、需要外部环境输入以及结果验证的困难。

• 重要性:

  • 参数化设计工具能够为更多非专业用户提供支持，从而提高个人制作的可访问性和效率。
  • 利用扩展现实设备可以将设计过程直接嵌入目标使用环境，避免传统工具需要进行环境测量和转换的步骤。

• 研究动机与相关工作:

  • 参数化设计已经在制造业和建筑领域得到了应用，反映了便捷而强大的设计变体生成能力。
  • 然而，目前的工具大多针对专家用户，未能充分考虑非专业用户的实际需求。
  • 实地设计和制作在技术上被证明能提供便捷性，然而仍然缺乏与参数化设计结合的研究。

解决方案

• 提出的解决方案:

  • 作者提出了 pARam，一款结合参数化设计与扩展现实的工具，旨在通过实际环境中实时配置设计来支持个人制作。
  • pARam允许用户通过手势、直接交互和推荐来快速定制设计，同时利用扩展现实设备进行设计验证，例如光照和稳定性估测。

• 创新之处:

  • 将设计活动从传统的桌面环境转移到意图使用的实际环境中。
  • 支持直观的手势测量和设计的实时验证，例如通过扫描的环境网格估测光线和物品稳定性。
  • 提供融合人体工程学建议的设计支持，便于用户对功能性设计做出明智选择。

• 实施步骤与关键技术:

  1. 用户选择参数化设计。
  2. 在实际环境中定位设计并进行参数化调整（如尺寸修改、曲线绘制等）。
  3. 使用扩展现实系统对设计进行实时预览和验证，包括光照效果和物品稳定性估测。
  4. 最终将数字设计制造为实物。
  • 核心技术包括 Microsoft HoloLens 2、Unity 3D 游戏引擎以及参数化设计工具 Archimatix。

研究成果

• 具体成果:

  • 用户能够在实际环境中选择与物理背景相关的参数，且设计完成后更接近目标使用情境。
  • 通过手势和语音输入简化了参数调整过程，尤其对非专家用户友好。

• 与现有解决方案相比的优势:

  • pARam显著减少了传统设计工具的学习成本，将设计活动与使用环境直接结合。
  • 支持视觉化和实际环境相关联的即时反馈，无需反复物理制作和验证。

• 实验或评估结果:

  • 在用户研究中，与桌面环境相比，pARam更能帮助用户融入设计空间并依据环境需求优化设计结果。
  • 用户表示可以更轻松地想象设计效果，且对工具的创新功能（如曲线绘制功能）持积极态度。
  • 功能如光照估测和稳定性验证虽然受限于硬件，但已证明其重要性和潜力。

• 局限性与未来方向:

  • 当前工具的交互精度受限于硬件，尤其是在手势测量和环境扫描功能方面。
  • 实现对更复杂对象和不同类型物品（如衣物或更具挑战性的几何形状）的支持需要进一步研究。
  • 自动化功能（如设计建议或高度可定制的验证功能）仍需优化，例如能更好地捕捉用户模糊需求。
  • 进一步扩大参数化设计模型库，同时还能探索非制作领域中的应用潜力，例如虚拟设计环境。