（机械设计及理论专业论文）基于web的产品造型意象信息库系统及其应用.pdf

摘要产品造型设计是依据一定的要求对产品形态、色彩、材质、贴图( 或装饰) 等几个造型元素进行创新设计、优化组合的过程，在现代产品创新与开发过程中起着十分重要的作用。它涉及到设计心理学、认知心理学、人工智能、工程科学、人机工程等相关学科，包括形象思维和逻辑思维。因此，结合这些学科的数字智能化产品造型设计系统研发已经成为产品设计领域新的研究热点之一。本文在分析研究了计算机辅助工业产品创新设计及案例推理( c b r ) 现状的基础上，构建了产品造型系统框架、产品造型元素( 形态、颜色、材质、贴图) 信息库系统；应用感性工学、认知心理学理论与方法，以产品造型元素的意象信息研究为基础，构建了产品造型的用户意象评价模型；对样本产品造型意象评价信息进行因子分析和主成分分析，探讨了由其结果构建产品造型意象空间的方法；应用a s p 、s q ls e r v e r 、d r e a m w e a v e r等技术开发了基于w e b 的产品造型意象信息库系统；应用因子分析和主成分分析方法对意象信息进行处理，筛选出一定量的意象词汇，从而构建出具体的产品造型元素所对应的意象空间；对产品造型元素、产品整体造型与用户对该产品造型的意象语意进行了分析，应用其信息建立了对应的b p 网络模型，并将其作为遗传算法的适应度函数，在案例产品的基础上进行产品造型方案遗传优化，得到更符合用户需求的产品方案；文中以电动车造型创新设计为例，将电动车造型元素中的形态分解为轮廓、部件、连接关系、细部处理，给出了电动车形态特征线表示方法，用其构建出电动车形态元素的样本库；同时也对电动车造型元素中色彩、材质和贴图进行了样本制作。通过电动车实例造型改良设计，验证了文中产品造型创新设计方法、开发的产品造型意象信息库系统的有效性。关键词：产品造型系统，电动车造型，意象信息库系统，w e b 技术，b p - c b r - g aa b s t r a c tp r o d u c tf o r md e s i g ni st h ep r o c e s so fc r e a t i v ed e s i g no ro p t i m i z a t i o no fp r o d u c t s h a p e ，c o l o r ,m a t i e r a l ，m a p s ( o ro p t i m i z a t i o n ) a n do t h e re l e m e n t st om e e ts e v e r a lr e q u i r e m e n t s ，w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nm o d e mp r o d u c ti n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s rc o v e r sd e s i g na r t s ，c o g n i t i v ep s y c h o l o g y , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，e n g i n e e r i n gs c i e n c e s , h u m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n ga n do t h e rr e l a t e ds c i e n c e s ，i n c l u d i n ga b s t r a c tt h i n k i n ga n dl o g i c a lt h i n k i n g t h u s ，t h es u b j e c to fd i g i t a lc a dp r o d u c td e s i g ns y s t e mi n t e g r a t e dw i t ht h e s et e c h n o l o g i e sb e c o m e so n eo f t h en e wh o ts p o ti nd e s i g nr e a s e a r c hf i e l d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t a t u so fc o m p u t e r - a i d e di n d u s t r i a lp r o d u c td e s i g na n dc a s ei n f e r e n c e( c b r ) ，t h i sp a p e rb u i l d st h ep r o d u c tm o d e l i n gs y s t e mf r a m e w o r k a n da n dt h ep r o d u c tm o d e l i n ge l e m e n t s( s h a p e ，c o l o r , m a t i e r a l ，m a p s ，e t e ) i n f o r m a t i o nd a t a b a s es y s t e m b a s e do nt h ep r o d u c td e s i g ne l e m e n t so ft h ei m a g ei n f o r m a t i o nb yu s i n gt h er e a s e a r c ho fp e r c e p t u a le n g i n e e r i n ga n dc o g n i t i v ep s y c h o l o g y , t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h ep r o d u c tu s e ri m a g ee v a l u a t i o nm o d e lo ft h ep r o d u c tf o r m t h i sp a p e rm a k e ss o m ef a c t o ra n a l y s i sa n dp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i st ot h ee v a l u a t i o nv a l u eo f t h ei m a g es a m p l e ，a n dd i s c u s s e st h em e t h o do fb u i l d i n gt h ep r o d u c tf o r mi m a g es p a c eb yu s i n gt h er e s u l t s t h i sp a p e rp r o p o s e sa l lp r o d u c tf o r mi m a g ei n f o r m a t i o nd a t a b a s es y s t e mb yu s i n ga s p , s q ls e r v e r , d r e a m v e a v e rt e c h n o l o g yo rs o f t w a r ew h i c hc a nc o l l e c ti m a g ee v a l u a t i o nv a l u eo ft h ep r o d u c tf o r me l e m e n t s t h i sp a p e ru s e sf a c t o ra n a l y s i sa n dp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i st om a n i p u l a t et h ei m a g ev a l u ed a t a , i no r d e rt ob u i l dt h ep r o d u c tf o r mi m a g es p a c eo fs p e c i f i cf o r me l e m e n t a r e rt h ea n a l y s i so f t h e s ep r o d u c tf o r me l e m e n t s ，p r o d u c to v e r a l lf o r ma n dt h eu s e r s s e m a n t i c sd a t ao fp r o d u c ti m a g e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h st h ec o r r e s p o n d i n gb pn e t w o r k ，a n dm a k e si ta st h eg e n e t i ca l g o r i t h mf i t n e s sf u n c t i o n t og e tt h ec l a s s i cp r o d u c t , t h i sp a p e ro p t i m i z e st h ep r o d u c tc a s e s t h i sp a p e ru s e se l e c l m m b i l ei n n o v a t i v ed e s i g na sa ne x a m p l et oi l l u s t r a t et h i ss y s t e mo p e r a t i o nm o d e ，p r o p o s e sam e t h o do fd e c o m p o s i n ge l e c t r o m b i l ef o r mi n t ot h ef o u re l e m e n t sa so u t l i n e ，c o m p o n e n t ,c o n n e c t i o na n dd e t a i l ，a n dg i v e st h er e p r e s e n t a t i o no fe l e c t r o m b i l em o r p h o l o g i c a lf e a t u r e sl i n e ，t h e nb u i l du pt h ef o r me l e m e n ts a m p l el i b r a r y , a n da l s ot h eo t h e rt h r e ee l e c t r o m b i l e f o r me l e m e n t ：c o l o r , m a t e r i a la n dm a p s b yu s i n gt h ee x a m p l eo fe l e c t r i cc a rd e s i g n , t h i sp a p e rs h o w st h a tt h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c tf o r mi m a g ei n f o r m a t i o nd a t a b a s es y s t e mi sa v a i l a b l e 1 畸w o r d s ：p r o d u c tf o r ms y s t e m , e l e c t r o m b i l ef o r m , i m a g ei n f o r m a t i o nd a t a b a s es y s t e m , w e bt e c h n o l o g y , b p - c b r - g a长安大学硕士学位论文1 1 研究背景第一章绪论产品造型在工业产品设计领域中占着十分重要的地位，无论是审美性或实用性的功能、造型都直接影响产品对用户的认知，成为左右用户对产品感觉的关键因素，因而也是产品是否可以占领市场份额的重要手段，直接关系到企业的社会效益和经济效益。产品造型作为产品的物质形态，造型时着重于产品材料质感、色彩、形态以及加工技术等本身的规律研究。然而由于造型设计对产品所产生的社会和经济效益难以精确的评估，因此造型设计往往在机能和经济条件下妥协。过去，产品造型设计往往根据设计师的主观和自身的美学修养，先行考虑人因、制造、机能等约束条件，最后才考虑人类自身的心理和审美的功能。这些根据厂商与设计者的利益和意念所生产出的产品不一定能满足用户的需求，用户往往只能被动地接受这些产品。随着以计算机辅助设计及制造( c a d c a m ) 为主的设计以及制造自动化技术在现代生产中的日益渗入应用，设计的效率和水平在很大程度上有所提升，产品与产品之间的技术性参数差距将渐渐缩小。怎么样在猛烈的市场竞争中掌握消费者对产品外形的心理需求，设计出符合消费者精神需求的产品，对企业提高自己产品的市场竞争力具有重要的意义。因此，以人类感性意象作为设计思考的出发点，以用户需求作为造型设计原点，以计算机辅助技术作为支持，将更有机会突破前人的成就，设计出更多的符合人类需求、审美观的产品。1 2 国内外研究概况1 2 1 产品造型特征的发展状况产品造型包括：几何形态( 简称形态) 、色彩、材质、贴图( 或装饰) 、动态、空间六项要素。其中空间、动态为非物质性要素，形态、色彩、材质、贴图( 或装饰) 是物质性要素。产品造型设计主要有以下几个特点【1 l ：设计路径和设计结果的多样性；体现产品个性化的创新性；产品造型的目标信息的模糊性，表现为产品信息是不确定的、定性的、不完全的、不精确的。因此，如何准确、客观的表达产品造型特征显得尤为重要。关于产品造型中形态元素的表达，部分研究人员提出采用特征线表达的方法。如赵丹华等提出在构建1 0 0 个汽车外形数字化模型的基础上，提出了使用特征的概念来描述对汽车造型，文中提取2 0 条汽车的造型特征线，并将它分为主特征线、过渡特征线、以及附加特征线，建立了基于特征和特征线的汽车造型数字化描述模型 2 1 。胡伟峰提出第一章绪论汽车造型特征线是有特定结构约束和造型内涵的构造线，被标记为腰线、侧面轮廓线等名称【3 】o也有研究人员提出对造型要素进行分解，如孙菁提出对样本的造型要素进行分解，以建立造型要素分析表，接着参照样本集群分析的结果，参考专家经验，从各群中进行选择，使代表性样本能够包含造型要素中各项目的特征，以便能够客观的进行实验l l j 。陈娇红提出分别构建基于产品造型风格的几何形态库、材质库、颜色库和贴图库【4 l 。这些造型特征表达方法比较单一，构建的造型特征库不够完整。因此，如果将上述方法综合的运用起来，将会收到更好的效果。1 2 2 用户需求信息表达及其获取技术研究现状用户需求的获取是产品设计的首要环节，也是进行用户需求分析与处理的基础。郑华林等通过映射现有产品的历史数据的方式来建立产品需求的拓扑结构，并结合领域知识对产品需求结构进行修改和完善，然后采用w e b 方式以规范的需求拓扑结构模板广泛的收集用户需求【5 1 。车阿大等在人工智能技术的基础之上建立了获取用户需求的模板 6 1 ，在此基础上岳同启等人引入智能a g e n t ，建立智能的用户需求获取系统【7 1 。朱凌云给出了用户需求获取的基本步骤和实现的三种方式【8 】：依据获取的原始用户需求信息存在的问题，建立了从需求结构与需求描述两个方面进行的用户需求规范的过程模型；使用v i s u a lc + + 作为开发工具，开发了基于s q ls e r v e r 2 0 0 0 的用户需求信息库系统，并对数据挖掘技术在用户需求分析中应用进行了研究；在需求模板的基础上建立的用户需求获取与规范方法大大简化了用户对需求的表达过程，在此模板的指引下，用户能够方便地表述其对产品的需求。但该方法多数主要考虑企业设计的想法，从而建立需求模板，限制了用户的自主性和个性化需求的表达，很难把用户需求获取的方法扩大到产品设计以外的其它范围中；当产品种类比较多或比较复杂时，模板的构建量将会大大的增加。在对用户需求信息的表达方面，但斌等人建立了用户需求信息的分类模型，它将用户需求信息分为参数型、二元型、描述型、选项型和解释型五类1 9 1 。探讨了不同类型的用户需求信息相应的形式化语义描述方法。在此基础上，采用框架法对二元型、选项型和参数型等结构化用户需求信息进行表达，对于半结构化的描述型用户需求信息和非结构化的解释型用户需求信息，采用模糊框架进行表达。1 2 3 产品造型意象信息表达及其获取技术研究现状产品造型意象是指人对产品形态、色彩、材质等所产生的直觉联想。产品的造型意象同时存在于设计师和用户的大脑之中。如以汽车造型为例，意象就是设计师进行汽车造型时的情感表达，和用户对于汽车造型的情感体验。因此，若能了解用户对汽车造型的感性意象，并在汽车造型设计中合理运用，就可以使汽车造型设计尽量符合用户的情感体验需求，这对于汽车造型设计具有非常重要的意义。2长安大学硕士学位论文胡伟峰等人引入了造型特征的概念，选取汽车的主特征线作为研究对象，利用感性工学和统计分析的方法确定了主特征线的敏感感性意象形容词，并求出了敏感感性意象形容词与主特征线之间的定量关系；由此定量关系可以求得与用户造型感性意象最一致的值，从而可以提高汽车造型设计方案的成功率；以一个实际汽车的改型项目为应用案例【。苏建宁通过分析产品意象的认知理论，进而提出基于感性意象的产品造型设计方法【1 0 1 。马新建等将意象尺度、相关分析和聚类分析法相结合，研究依据造型特征的产品分类方法；在对某种产品几个典型造型实例进行意象尺度评判的基础上，应用相关分析法确定相对较独立、较能准确评价该产品造型的一组形容词对，依此组形容词对为评价指标，对该产品各实例造型进行评价测试，用聚类分析法将实例按造型进行分类1 1 1 。孙菁以汽车正面造型为例验证了面向用户意象的产品造型建构模式：利用多元尺度法、因子分析法、聚类分析法等提取影响用户心理感受的产品造型特征与代表性语义，采用回归分析建立了汽车造型特征与代表性语义之间的对应关系的函数式1 3 j 。这些研究都是在造型特征的基础上建立的意象信息库。1 2 4 基于案例推理( c b r ) 方法的研究现状基于案例的推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 理论是一种源于过去的经历或实际经验的推理。通过前因结构链( 如规则链) 导出结论的一个过程，是传统的推理观点对推理的理解，这种规则链的推理方法被许多专家系统所使用i l 到。基于案例的推理则是一种完全不同的方法，它主要使用的信息不是规则而是案例。一般，在c b r 中用一个案例表示一个问题的状态描述及其求解策略。案例在案例库中按一定的模式组织并存储，当出现新问题时，系统依照相似性度量指标以及匹配策略和索引策略，在案例库中检索出与当前问题最相似的案例( 集) ，并且修改其求解策略，使其求解达到适合当前问题的要求，最后将求解策略与新问题当作一个新的案例存入案例库中，以备后需。近年来，国内外己经在进行将案例推理应用于产品创新设计的研究。k i y o s h is h i m a m u r a 和s o n i al b a l d o c h i 等构想并且演示c b r 在解决定制、销售和产品设计问题中的用处和优势，并作为企业对业务灵活的系统，以及企业对消费者的应用程序实现【l 引。l a s z l of a r k a s 用“虚拟功能生成元的概念对现有机构的基本设计原理进行确认和概念化，然后众多的“生成元”和真实的设计实例一起被存储在一个实例存储器中，并依据其功能进行索引：通过对从实例存储器中检索得到的若干生成元的组合即可得到一个期望的机构概念设计备选方案集【1 4 1 。湖南大学的谭浩通过对一种典型的工业产品数控机床的造型设计问题求解过程调研与实验研究，在一个实例研究的基础上，提出了的产品造型设计情境知识框架【l5 1 。山东大学的宋坤重点研究了支持c b r 的p d m 系统建模、设计案例建模、相似设计案例检索等关键问题，实现了支持c b r 的p d m 系统，对遗传算法在产品设计问题中的应用进行了系统的研究i l 到。总之，国内对这方面的研究才刚刚开始，相关的研究成果还比较少，而将基于案例推理应用到产品造型创新设计中的案例则少之又少了，因此，将c b r 应用到产品造型3第一章绪论创新设计中具有极大的研究价值和应用前景。1 2 5 产品造型意象信息库的研究现状李永锋采用基于神经网路的产品造型设计方法，研究过程中首先确定感性词汇与造型设计要素，在此基础上，利用b p 神经网络模型建立两者之间的关系，通过对b p 模型中的编码、输入层、输出层、隐含层、激活函数以及相关参数的分析设置，进行产品感性意象设计的实验仿真，最后通过测试验证了模型的有效性，结合折叠自行车的设计进行研究1 2 0 l 。s h i h - w e n 和h c h u a n g 提出针对基于神经网络产品设计方法：这个实验应用计算机建模，模糊集理论和语义差异法；实验结果分析采用反向传播神经网络，此网络建立产品形态参数和形象形容词之间的关系；建立设计元素、产品形象和产品形态规则之间的联接数据库；并在此数据库的基础上建立了产品形态设计的计算机辅助设计系统【2 。上述文献均是直接建立产品造型模型，本文是应用神经网络构建产品造型设计方案遗传优化算法中用到的适应度函数。同时，神经网络也用于对优选出的产品造型模型进行评价。h s i n - h i sl a i 等提出使用神经网络评估最优的产品形态组合：在这个过程中，作者使用了两个神经网络模型来训练网络，即混合神经网络模型和单神经网络模型 2 2 1 。在应用遗传算法对产品造型进行优化中，刘弘应用数学函数对应的曲线可以形成二维草图，经计算机处理后的三维图，能产生造型各异的组合体；把生成的组合体和人工设计的组合体统一保存到原型实例库中，对组合体进行二进制编码，然后执行简单的遗传算法，能生成不同的组合方案；由于利用了c a d 的可视化环境，并结合人类设计师的智慧及进化计算技术，因此可以产生很多新颖的产品造型形态方案1 2 3 j 。在产品设计过程中造型或外观的优化是一个非常重要并且十分耗时的过程，特别是在概念设计阶段。j i a ns u n 、j o h nh f r e z e r 等人开发了一个进化设计系统，该系统能够不断发展易于制造并且能够满足给定的几何约束的产品造型设计；文中涉及的主要问题之一就是在概念设计中如何应用进化方法来表达设计，在这一进程中可以使用遗传算法来产生和优化富有创新性的几何部件和零件1 2 4 1 。候嘉琳等以轿车形态设计为例，提出了应用遗传算法的量化美学设计；通过对3 5 种轿车的工业美学设计案例研究，定义了两类共3 1 种形态要素，做相应的基因编码，构造适应度函数，通过组合交叉和变异产生进化种群，遗传进化优选出的种群解码成为问题的最优解1 2 5 1 。与此类似还有m i t 的c a i d 实验室的s t e p h e nn s m y t h 和d a v i dr w a l l a c e 提出的综合模型：将与品牌识别相关的美学形态元素定义为品牌d n a ，设计师通过人机交互描述产品原型和框架，以此定义进化方法( 过程) ，根据现有的产品几何结构定义期望的目标形态，通过控制交叉和变异选择最优的设计方案1 2 6 1 。赵婷婷提出了概念设计过程中选择最优结构的定量求解方法：通过分析产品的功能与结构之间的相互关系，以及结构与结构之间的相互关系，建立用户需求与产品结构、功能与产品结构、以及产品结构与结构之间的相关矩阵，结合分段基因表达方法，从而建立了结构选择的多目标优化模型，并且通过改进的遗传算法对优化模型进行求解【2 7 j 。4长安大学硕士学位论文这些研究都是在完全创新性构建的产品方案的基础上进行的方案优化。本文提出在现有产品案例库的基础上进行产品造型方案优化。1 3 课题研究的目的和主要内容1 3 1 本课题研究的主要目的随着社会发展以及科技的进步，以“人性化”、“个性化 、“以用户为中心的设计进行产品创新设计的理念己深入人心，也是现代产品设计追求的目标。当前市场上的各种产品种类繁多，功能齐全，风格多样，影响消费者购买行为的因素也越来越复杂和多样化。在这样一个大背景下，以用户为导向的产品设计日益彰显出它的重要性和必然性。为了达到以用户为中心的创新设计，需要在产品形态设计与产品使用者之间进行沟通，了解和预测用户的行为以及建立产品造型意象信息库。这将涉及到工程设计、美学、心理学、认知科学、环境科学及信息科学等多种学科的知识来构建产品造型意象空间与产品造型意象信息库系统。基于上述考虑，本文主要研究的是从产品造型意象出发，以感性工学作为研究基础，通过建立产品造型意象信息库，用神经网络和遗传算法等，推演出产品造型中的各个基因，如形态、色彩、材质、贴图等因素与消费者心理反应( 意象耋形容词对) 的非线性映射关系，并以此为目标函数，对案例库中的产品造型进行优化设计。对产品造型与消费者意象之间关系的深入研究，可以使产品造型设计更加的具有针对性和导向性，提高产品造型对于其目标群体的满意指数，减少设计过程中的盲目性和边缘性。1 3 2 本课题研究的主要内容琴本课题主要研究如何在w e b 的基础上建立产品造型意象信息库系统，并以电动车作为实例加以说明。当企业需要对现有的产品进行创新设计时，一般都会从它的结构、材料、造型、环保性等多个方面进行改进，而产品造型则是最为关键的一个方面。但是创新并不是随意的改变原来产品的固有造型，没有经过理性和感性的思考的改变，往往达不到预期创新的效果，更没办法满足用户的需求。因此，本文通过构建产品造型系统和产品造型意象空间，然后在其基础上再建立产品造型意象信息库系统，并对所得信息进行数据处理，最后使用遗传算法、神经网络和c b r 对创新的产品造型方案进行优化，从而得到更高满足用户需求的产品造型方案。本课题主要研究基于w e b 产品造型意象信息库系统的建立及其应用。主要研究内容有以下几个方面：( 1 ) 构建产品造型系统框架。应用产品造型元素( 形态、材质、颜色、贴图等)构建信息库。包括应用案例分析、数据库技术、计算机技术等构建产品造型元素信息库。( 2 ) 构建产品造型意象空间。包括基于案例的用户对产品感性意象获取方法、意象的表达方式、用户满意度表达、产品造型设计元素意象描述模型。结合意象的特征，第一章绪论应用感性工学、认知心理学研究产品造型意象的结构量化表达，建立计算机支持的基于意象的产品造型信息组织管理方法。( 3 ) 构建产品造型意象信息库及其基于w e b 技术的实现。即构建产品造型元素与产品造型意象空间之间相关关系的信息库。包括应用模糊评判、案例等构建意象与形态、意象与颜色、意象与纹理( 或贴图) 、意象与材质的关联程度模型与意象认知模型，并用基于w e b 技术加以实现。( 4 ) 研究基于遗传算法、神经网络和基于案例推理技术的产品造型方案优化设计及其计算机辅助技术。包括基于意象与神经网络的适应度函数构建、基于成功案例的造型元素组合模型构建、基于遗传算法的产品造型方案优化等。( 5 ) 研究应用模糊综合评判、神经网络、评价指标体系、成功的产品案例构建方案多层和多目标综合评价模型及其计算机辅助技术。包括评价指标体系的构建( 社会、技术、经济、审美) 、收集成功产品案例、应用模糊综合评判( 汇集专家的经验) 神经网络样本的生成、基于神经网络多层评价模型的构建。实现对遗传算法优化的产品造型方案进行进一步的分析。论文共包括六单元，总体结构框架如图1 1 所示。图1 1 论文总体结构框架6长安大学硕士学位论文第二章产品造型系统框架构建产品造型设计是指对产品的几何形态、色彩、材质、装饰( 包括贴图、纹理等) 、空间等方面的创造性的活动【2 8 】。在本章节中，主要研究构建产品几何形态、色彩、材质、贴图四个造型元素的信息库的方法，便于产品造型设计系统的应用。2 1 产品造型系统及其组成元素产品造型系统是产品系统的一个子系统，它由几何形态、色彩、材质、贴图等元素组成，并将这些元素相互联系、相互作用成有机的整体，对外形成其独有的功能( 如美感、遮盖、支承等) 。产品造型设计就是在用户意象需求的驱动下，对其系统功能、结构与元素进行设计。2 1 1 产品造型的几何形态产品造型的形态是传递产品信息的第一要素。它能使产品的质、组织、结构、内涵等内在本质因素上升为外在表象因素，并通过视觉使人产生一定的心理反应。产品造型的形态是信息的载体，通常设计师利用特有的造型语言进行产品的形态设计。消费者在选购产品时，通常也是通过产品造型的形态所表达出的某种信息来判断和衡量与其内心想法是否一致，从而最终决定是否购买。1 ，产品造型的形态分类，“形 根据认知的角度和方法的不同，可以分为很多不同的种类。从人的认知角度看，形态可以分成现实形态与理念形态，现实形态按照它的来源可分为自然形态和人文形态，人文形态从表现形式上又可分为具象形态与抽象形态等( 如图2 1 所示) 2 8 o 因此，在实际的划分中我们要根据具体的研究目标来分析。图2 1 形态的分类本小节中研究的工业产品形态是一种人文形态，它是人在大自然地启发下创作出的形态。总的来说当今工业产品的形态构成按照抽象的程度可分为具象形态( 图2 2 ) 、模拟形态( 图2 3 ) 、象征形态( 图2 4 ) 、抽象形态( 图2 5 ) 四种类型【2 9 1 。7第二章产品造型系统框架构建图2 3 模拟动物形态的家饰用品图2 4 颇具象征意义的趣味家具设计图2 5 颇具抽象意义的交通工具设计2 、产品造型的形态表达我们使用造型特征表示产品造型，产品造型特征聚焦于产品整体风格、形面感觉、细部处理，甚至发展到多代产品款式的造型元素描述以及造型所表达的结构、形面信息的描述。因此产品造型特征的提取和表达对于产品形态描述来说也就至关重要了。为了更完整的表达产品造型形态，我们对产品造型的形态可分为以下四个方面。( 1 ) 轮廓。轮廓是构成产品形态外缘线，它是产品造型形态构成的重要因素，它是影响产品造型风格的外观轮廓线条。轮廓的亮度在不同的区域会有明显的变化，也就是明度级差突然变化。产品造型形态的轮廓聚焦于对产品的整体风格、形面感觉、细部处理，甚至延续于多代产品的造型元素的描述，以及产品造型所携带的结构和形面信息的描述。产品轮廓线的提取和表示意味着对产品造型描述和整体的把握，是一个解构产品造型形态的过程，同时为产品造型的重构和差异化设计提供基础【2 】。一个产品实体由多个不同形状的面来表示，而面的特征又是由不同的特征线组成。因此，在这里我们使用特征线来描述产品形态的轮廓。产品造型特征线可以分为整体轮廓特征线、局部轮廓特征线。整体轮廓特征线是指能够影响产品造型风格的外观轮廓线条；局部轮廓特征线指的是影响产品局部造型特征的线条。在这里我们用来描述产品形态轮廓的就是整体轮廓特征线( 如图2 6 所示) 。：一r一潭j 严|囤长安大学硕士学位论文( 2 ) 部件。部件指的是构成产品形态的零件( 或其组合件) 。产品的各个部件的描述使用上面提到的局部轮廓特征线来表示。如图2 7 所示为电动车造型的组成零部件。声灯体阿罩a |尾箱后盏j -脚踏板饰条其他把手车灯后视镜等图2 7 电动车造型零部件( 3 ) 连接关系。产品外部形态中部件之间的连接组装或者是衔接关系：如卡槽、嵌套、自由过渡等。这些部件之间的衔接关系决定了产品整体形态的流畅度和完整性，同时也决定了用户视觉上的流向( 如图2 8 所示) 。鬻、图2 8 电动车部件问的连接关系( 4 ) 细节处理。产品外部形态特征中，决定形态质量的是针对产品细节的处理。如产品上某个小按钮、指示灯或外部接e l 的细节设计。细节之处彰显品质，所以说细节的处理也会在一定程度上影响用户对产品整个造型的心理评价。产品细节的设计不光要满足审美上与整个外部造型统一和谐，同时在功能设计上应以人性化设计为主( 如图2 9所示) 。图2 9 电动车前轮部件细节处理9l广k第二章产品造型系统框架构建2 1 2 产品造型的色彩色彩设计是产品造型设计的重要内容之一，对产品的外观质量有着直接的影响。色彩可以通过抽象的形态来表现各种不同的感觉、不同的情感变化，其中最本质的原因就是色彩的三要素( 明度、纯度、色相) 在发生着变化。也就是色彩的冷暖感觉、收缩感觉、扩张感觉等在发生着变化【3 0 1 。正确运用色彩的三要素，将会对产品的造型设计产生非常重大的影响。1 、色彩的配色原则图2 1 0 盂塞尔色立体朝匣堕图2 1 1 孟塞尔色立体骨架示意图在孟塞尔色立体( 图2 1 0 ) 基础上，根据色彩的明度、色相、纯度变化关系可将色彩的搭配分为三种形式：弱对比色彩搭配、中对比色彩搭配和强对比色彩搭配。在产品设计时一般采用两种或两种以上色彩组合1 3 0 l 。在进行大多数的工业设备配色设计时，宜采用程序的对比，这样既保证色彩设计所产生的趣味，又能使这种趣味持久。在进行小型工业产品、家电等进行配色时，宜采用纯度高、对比强的配色，既可突出产品的形象，又能增添环境生气，比惯用的全灰色具有更生动的艺术效果。2 、产品色彩的表达在对色彩进行表示时采用r g b 色彩模式表达。r g b 色彩模式使用r g b 模型( 如图2 1 2 所示) 为图像中每一个像素的r g b 分量分配一个0 - - - , 2 5 5 范围内的强度值1 3 0 ! 。r g b 图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上重现1 6 7 7 7 2 1 6种颜色。图2 1 2r g b 模型在r g b 模式下，每种色彩的r g b 值都可使用从0 ( 黑色) 到2 5 5 ( 白色) 的值表1 0长安大学硕士学位论文示。比如，红色可以使用r 值2 5 5 、g 值0 和b 值0 。当r g b 值的三种成分值相等时，便会产生灰色阴影。当r 、g 、b 的值均为2 5 5 时，显示为纯白色；当该值均为0 时，结果是纯黑色。但在做电动车色彩样本时，这种表达方式不够直观，很难让受试者产生意象认知。所以本文通过将具体的色彩搭配应用电动车模型中，用色块和相应r g b 数值进行综合表达，使得样本形象性得到提高。2 1 3 产品造型材料的质感产品造型重要因素之一就是材质。因为材质能给人带来多个感官的体验，并且材质的触觉体验会影响消费者对产品形态的评价，所以材质设计在产品造型创新体系中占有十分重要的地位。1 、材质的质赢质感又叫“质地”或“肌理”。质感是材料的本质属性，它所表达的是材料本身所给人的实体感觉，它的感受也随着人的感受方式或材料的加工方式不同而有所变化。质感包含两个基本属性【3 2 】：生理属性和物理属性。生理的属性是指即材料给人的触觉和视觉感觉系统所带来的刺激性心理反应。像：坚硬与柔软、温和与冰冷、稀疏与稠密、干燥与湿润等；物理属性是指材料所传达给人类知觉感知系统的刺激反应。例如某一具体材质的价值、类别、功能、性质、强度等。总而言之，“质感”就是指物体材质所呈现在颜色、形状、光泽度、透明度、纹理等多种基本属性的综合表现。2 、材质的基泰要素构成材质的基本要素主要有【3 2 】：( 1 ) 材料质感的光泽：因为有了光的存在，所以人们才能更好的认识材质，从而可以更进一步的观察材质。光是造就各种材质美的先决条件，在光的照射下，材料呈现出不同的色彩，同时还呈现出复杂而又多变的光泽。材质的光泽美受到光的角度、强度、光色等因素的影响。根据光泽度的不同，可以将材料分为透光材料、反光材料、哑光材料等，如图2 1 3 所示。图2 1 3 材料质感的光泽表示现代生产中使用到的材质多数情况下都会在其表面进行涂装效果处理如涂漆等，以加强其美观性，光泽度。油漆的光泽度还与油漆的色彩有关。( 2 ) 材料质感的颜色：一般都在材料的表面做适当的处理，例如热着色剂、物理第二章产品造型系统框架构建加工等方法，目的是在材料的表面形成符合设计者要求的颜色需求。如图2 1 4 所示，同一露产品中的颜料材质，对其进行不同的着色处理，给人们带来了不同的质感体验。图2 1 4 产品材料质癌的颜色( 3 ) 材料质感的质地：质地是材质的内在本质属性，它通过材质的坚硬度、轻重、冷暖、粗糙度、相对湿度等表现出来。材料质地包括天然材料和人工加工材料两种。如图2 1 5 所示塑料产生不同质地效果的产品。图2 1 5 产品材料质感的质地( 4 ) 材料质感的肌理：材质的肌理是由人工材质的人为组织结构，或天然材质自己的组织结构结合材质的其它属性而共同展现的结果。通过人的触觉，可以体会到材质独特的肌理属性。它是产品造型美构成的重要因素，合理的设计可以提高产品的外在的形态美。肌理是在视觉或触觉上可以直接感受到的材料的表面特征。材料不同，肌理也会有所不同。因此，不同的材料才会给欣赏者带来不同的视觉或触觉效果，从而间接影响人的心理反映。比如有的肌理能给人以坚硬、粗犷、厚实、强韧的感受，有的肌理能给人以轻柔、细致、温和、通透的感觉。即使是同一类型的材料，不同的型号之间也有也有微妙的肌理差异。这些变化丰富的肌理与产品造型的多样化是相互呼应的。如图2 1 6 所示是一款产品中的不同部位的不同肌理处理，给使用者带来了不同的质感感受。肌理美显示材料自身所具有的触觉质感，它与塑料、涂料、金属以及各种新型材料和工艺手段相联系，可以保持物体材质特点和加工特点，形成不同的重量感、透明感以及冷暖感，表现出丰富的表情性乃至人情味。它的效果主要体现为物体材质的自我之美，使产品显得单纯朴素，经济美观，而且更具有个性特色。1 2长安大学硕士学位论文图2 1 6产品材辛 质撼的腮2 1 4 产品造型的贴图大部分产品的造型都进行贴图的设计，很多产品就是因为有了合适的贴图，才使得产品更加美观、大方，受到广大消费者的喜爱。贴图不同于纯粹的造型艺术，它除了具有审美性之外，还具有极大的从属性和被限制性【3 3 1 。首先，贴图从属于产品形态。被装饰主体的功能结构对贴图提出了特殊的要求，如花纹人性于器皿，壁画人性于建筑等。其次，贴图必须要具有审美价值，贴图风格取决于不同时代、民族、地区的设计者和使用者的审美感受。有什么样的审美就有什么样贴图风格。贴图的种类是多种多样的，按材质的质感来分可分为：皮革、金属、纸质等；按照其所表现出的风格特点来分可以包括：古典的、现代的、圆润的、高贵的、简洁的、大方的、轻巧的、质朴的、浪漫的、稳重的、清新的等( 如图2 1 7 所示) 。此外，贴图的位置不同、面积的大小也会表现出不同的风格特征。如图2 1 8 所示的两款电动车相比较可以看出：( a ) 款电动车有大面积的贴图，就显得比较女性化、活泼、可爱，色彩明快。( b ) 款贴图面积比较小，给人的感觉就比较大气，沉静。漆攀蛩：黎j 。篱( a ) 古典的( b ) 浪漫的( c ) 时尚的图2 1 7 贴图图样雌、嘞：。嘲学p 彬( a )( b )图2 1 8 不同贴图位置和面积的电动车、-毋厂一一簸，第二章产品造型系统框架构建2 2 产品造型系统的数学模型2 2 1 产品造型元素的数学模型1 、形态的数学模型产品造型的形态可由轮廓、部件、细节及连接关系四个方面进行描述。而轮廓、部件均由特征线以及特征线间的连接点( 节点) 表示。因此产品形态的数学模型可用由特征线和节点所构成的拓扑图表示。在表示产品轮廓时，一个产品的轮廓由多条特征线组成。这些特征线间往往有两种关系：有次序连接关系，即必须在第一条特征线连接完成的基础之上，才能开始连接下一条特征线；特征线间无关连，即两个特征线互不相关。设g s = ( c ，e ) 是一个具有刀个顶点的有向图，c 中顶点的序列c l ，c 2 ，o e o9c n称为一个拓扑序列，当且仅当该顶点序列满足下列条件：若在有向图g s 中，从顶点c i到c i 有一条路径，则在序列中顶点c i 必须排在c j 之前。产品形态的数学模型就可以表示为g s = ( c ，e ) 。找一个有向图的一个拓扑序列的过程称为拓扑排序【3 卯。下面给出有向图拓扑排序算法的基本步骤：从图中选择一个入度为o 的顶点，输出该顶点；从图中删除该顶点及其相关联的线；重复执行、直到所有顶点均被输出，拓扑排序完成或者拓扑图中再也没有入度为0 的顶点( 此种情况说明原有向图含有环) 3 5 1 。可以证明，任何一个无环的有向图，其全部顶点都可以排成一个拓扑序列。而且其拓扑序列不一定是唯一的。下面以图2 1 9 为例说明拓扑排序过程。顶点入度c 10c 2lc 32c 0c jlc 63叵小圆圆圆叵小圆圆c a ) 有向图( b ) 邻接表图2 1 9 有向图及入度邻接表首先节点c l 、c 4 的入度都为0 ，选c l ，删除c l 及其边e l 、e 2 ，调整c 2 的入度为o ，c 3 的入度为l ，此时c 2 、c 3 的入度为o ，选c 4 ，删除c 4 及其边e 3 、c 4 ，调整c 3 、c 5 的入度为0 ，从c 2 、c 5 、c 3 中选c 2 ，删除c 2 及边e 5 ，调整c 6 的入度为2 ，从c 3 、c 5 中1 4长安大学硕士学位论文选c 3 ，删除c 3 及边e 6 ，调整c 6 的入度为1 ，删除c 5 及边e 7 ，调整c 6 的入度为0 ，输出c 6 ，至此拓扑排序完成，拓扑序列为c l ，c 4 ，c 2 ，c 3 ，c 5 ，c 6 。拓扑序列在数据库中最终用矩阵l 来表示。矩阵l 中元素用岛来表示，若f 位于，的前面，则将其赋值为l ：若，位于f 之前，则将其赋值为1 ；若f 与，没有关系，则将其赋值为o 。2 ，色彩表达的数学模型应用r g b 色彩模式表达产品造型的色彩，给每一个像素的r g b 分量分配一个0 2 5 5 范围内的强度值，其数学模型为：色彩( 红，绿，蓝) = c ( 尺，g ，易)( 2 1 )3 、材质表达的数学模型产品材质可分为金属、塑料、皮革、玻璃等，因此，产品材质的数学模型可表示为：材质( 金属，塑料，皮革，玻璃，其他) = m t r ( mp ，三，g ，e )( 2 2 )材质中对于所属的材质将其赋值为1 ，否则将此种材料赋值为0 。4 、贴图表达的数学模型产品贴图的属性分别为图案风格、大小、贴图位置，因此其数学模型可表示为：贴图( 图案风格，大小，位置) = a d ( s 乃乩三d )( 2 3 )在贴图中，对于图案风格规定将风格古典、浪漫、时尚、高贵、可爱、简洁分别赋值为1 、2 、3 、4 、5 、6 。对于图案大小规定将图案占其总面积的1 8 、1 4 、3 8 、1 2 、5 8 、3 4 、7 8 、1 分别赋值为1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 。对于位置规定将部件平均分为左上、左中、左下、右上、右中、右下六个区域，若图案位于单独的一个区域上，则分别将其赋值为l 、2 、3 、4 、5 、6 ，如表2 1 所示；若图案位于其中