《Proceedings of the Design Society》：Exploration of new actions that could be introduced to workflows for computer-aided form creation
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本研究探讨将新型交互模态引入计算机辅助设计（CAD）系统时，所采用的思维方式类型是否适用以及现有CAD工作流在此新背景下的适当性问题。研究人员通过设计师利用手势交互与三维形状进行交互的方式，探索将替代性活动引入现有工作流的潜力。研究发现提出了引入雕刻（scul
本研究探讨将新型交互模态引入计算机辅助设计（CAD）系统时，所采用的思维方式类型是否适用以及现有CAD工作流在此新背景下的适当性问题。研究人员通过设计师利用手势交互与三维形状进行交互的方式，探索将替代性活动引入现有工作流的潜力。研究发现提出了引入雕刻（sculpting）和成形（forming）范式的可能性，这可能减少创建更复杂外形所需的工作量。
计算机辅助设计系统很少用于早期外形创作，但最终会用于生成需要制造的产品的三维外形。外形本身的界定通常在概念设计阶段完成，而定义过程中所进行的活动取决于设计师的个人偏好。掌握大多数商用CAD系统是一项复杂且耗时的工作，学习曲线陡峭，新用户发现使用鼠标和键盘在二维环境中设计三维物体是繁琐、冗长且不直观的。这些系统基于系统可执行的顺序性活动。即使当用户采用既定程序和方法后，某些设计活动如自由曲线建模（用于设计复杂不规则形状）仍需通过多个控制顶点操纵样条曲线，这可能是一个困难且耗时的过程。现代需求要求现代解决方案，以实现更快的设计开发并降低新设计师的入门门槛。
以匹配设计师思维过程的速度生成或修改设计的能力可能比关注细节更为重要。已知CAD的使用会导致受限思维，将设计限定于其创建所用工具的能力范围内。当设计师的注意力从构思和外形创作转移到思考CAD中用于创建特定形状的命令和程序时，便会出现有限构思现象。双加工理论（dual-process theory）可能为这些问题提供解释，通过观察支持设计的不同认知加工类型。该理论提出设计中存在至少两种主要认知加工类型：Type 1加工是直觉性、快速的，与直觉性快速反应相关；Type 2加工是分析性、审慎且缓慢的，用于审慎分析和反思。每种加工可能在设计活动的特定阶段占主导，但总体而言它们在整个设计任务中协同作用。尽管尚待充分验证，但普遍认为当输入和表征的模态匹配时发生Type 1加工，不匹配时则需要Type 2加工来解释和操纵输入。注视时长可作为Type 2加工深度和参与度的指标。通过手势输入实现输入与表征的匹配，可导致对传达概念更完整准确的再现，并促使设计师关注概念的空间和动态特征，同时仍能使其完成设计活动的关键目标。双加工理论在设计领域尚处于初步建立阶段，其方法学应用目前依赖于对设计活动期间收集数据的编码，以及研究人员对结果的解释，这些解释作为模型构建或得出设计过程结论的基础。
商用CAD系统依赖于基于菜单的WIMP（Window Icons Menus Pointer，窗口、图标、菜单、指针）界面，这些界面复杂且不适用于外形创作。能够进行三维建模的系统一直在探索改进的交互界面，关注设计师输入信息或控制系统的能力。大多数此类系统以手势作为唯一或多种交互模态之一。最早的解决方案之一是利用自由形式手势创建非标准形状，并结合预定义手位和语音命令创建标准形状。更近期的发展聚焦于自由形式手势辅以象征性手势或其他交互模态（语音或按键），用于在三维、虚拟现实（VR）或增强现实（AR）环境中操纵或修改物体。在某些应用中，形状通过绘制轮廓然后沿路径扫掠创建，并进一步使用自由形式或参数化变形和操纵进行修改。部分研究利用自由形式手势进行曲面创建，通过追踪手的运动并将其路径转化为样条曲线或曲面的一部分。这些系统和交互模态的成熟度各不相同，均未在设计界获得完全认可或融入设计师的日常活动中。这些解决方案的新颖性主要在于与系统的交互领域，而非设计过程本身。虽然使用选定交互模态可执行的活动已在一定程度上被考虑，且或遵循参数化实体建模工作流或倾向于数字雕刻，但工作流本身并非所进行研究的主要考量因素。
本研究探索与未来系统对齐的CAD系统潜在特征，这些特征应符合设计本质且较少受历史上所用技术能力的限制。研究旨在提供更多关于设计师使用新界面时未来可能遵循的外形创作工作流中可增加哪些活动的信息，而不受当前技术的固有限制。如果 enabling 使用自然直观手势的VR/AR新界面成为现实，是否也能以全新视角审视外形创作本质以更好匹配设计过程的本质？也有可能创意外形探索所需的思维类型与遵循CAD系统程序性本质所需的思维类型相冲突，并不总能带来设计过程的改善。这些问题通过与研究，比较传统工作方式（遵循CAD系统中实体模型创建的典型顺序）与完全开放式的模型创建（利用手势作为交互模态）来进行探索，旨在考察CAD系统中使用的既定程序性规则是否应延续至未来系统。
本研究聚焦于CAD系统中手势交互工作流的优化问题，旨在探索如何使设计工具更符合设计师的自然思维过程。研究人员开展了一项对比研究，比较受当前CAD系统能力约束的基于手势的物体创建工作流与给予用户完全自由的工作流之间的差异。研究发现，在自由创作阶段，参与者常常偏离如果要在CAD系统中创建形状时所遵循的程序性顺序。即使在自由创作阶段，部分参与者仍遵循典型CAD工作流，但试图将雕刻或成形启发式活动嵌入这些工作流的特定步骤中，这一现象在需要更复杂CAD工作流的形状创建时尤为突出。
该研究由49名产品设计工程学生参与，样本队列来源为处于倒数第二年和最后一年学习阶段的学生或近期毕业生，平均拥有4.9年CAD经验和1.4年专业设计经验。研究人员采用的主要技术方法包括：基于手势的交互实验设计、两阶段对比研究法（引导式工作流阶段与自由创建工作流阶段）、手动编码进行手势识别，以及通过双摄像记录系统进行行为数据采集。研究方法的核心在于比较同一批参与者在两种不同条件下的行为差异，其中半数参与者以相反顺序完成两个阶段以减少学习效应。
研究结果部分呈现了三类物体的创建工作流分析。在杯子创建工作流中，大多数参与者首先通过拉伸圆形轮廓成圆柱体或雕刻圆柱体，然后进行"抽壳"处理并添加把手。自由阶段出现了一种新工作流，即在同一平面绘制大小两个圆并拉伸至不同高度形成杯体。在手机外壳创建工作流中，引导阶段所有实例遵循同一工作流，而自由阶段出现了三种变体，参与者减少了创建辅助几何的考虑，更专注于形状本身。在六边形板创建工作流中，引导阶段与自由阶段的差异最为显著，自由阶段涌现出五种新变体，大量采用"雕刻"活动（如"向下推中间"、"向外拉各边"）或"成形"活动（如"弯曲边缘"、"切割六边形"并"压下中心并弯曲边缘"），即包含对假想曲面的操纵，类似于物理现实中的操作，而非使用平面、曲面和线条创建形状。
研究进一步分析了引入雕刻与成形范式的特征。数据显示，自由序列中出现更多变体（16种对比8种引导序列），且自由序列平均步骤数较少（4.5步对比5.9步），手势数量也显著减少（平均6次对比11次）。包含雕刻或成形活动的工作流完成时间更短，不过手势持续时间保持一致（约3秒）。值得关注的是，这些新范式在六边形板创建中尤为突出，可能与该形状在CAD中创建需要更复杂命令、涉及非垂直平面有关。研究指出，当前实体建模工作流在用户在三维环境中与三维物体交互时或许并非最直观的，而雕刻和成形活动与形状的空间本质更为匹配，可能减少用户的认知负荷。
在讨论部分，研究人员分析了实际应用的技术壁垒。CAD系统高度成熟且深度嵌入工业实践，完全改变设计工作流的全新交互系统可能因过于颠覆而不受欢饮。然而，在中期CAD软件开发中，可考虑在特定活动中粒度化嵌入雕刻和成形范式，如放样（lofting）和扫掠（sweeping）等目前需要大量步骤和辅助几何创建策略的活动。若能实现用户指定关键参数而软件接管实际形状创建，将提升用户体验并缩短工作流时长。研究也承认了实验局限性：未要求参与者关注尺寸精度等细节；仅观察了三种物体；在二维屏幕上展示物体而非沉浸式环境；以及部分参与者未完全按规格创建形状。
研究结论指出，给予用户自由时，参与者常偏离传统CAD程序性顺序，倾向于采用与表示模态更匹配的雕刻和成形方法。这些变化可能使用户表征与所执行活动的本质更趋一致，潜在降低系统用户的认知负荷。虽然证明这一点需要进一步探索，但在现有工作流中引入粒度化元素——例如使用手势引入雕刻或成形方法替代需要额外辅助几何创建的放样或扫掠命令——可能是有益的方向。这一发现对理解自然交互与设计思维的匹配具有重要理论意义，同时为CAD系统的未来交互设计提供了实践指导，论文发表于《Proceedings of the Design Society》。
