（设计艺术学专业论文）数控机床CBID系统中的色彩研究与应用.pdf

颂十学位论文 摘要 本文所研究的项目是“8 6 3 ”国家高技术研究发展计划“基于案例的t 业设计 技术与辅助设计系统及应用研究”的部分：色彩方面的研究，通过基于案例的 手段和研究方法探索了一种基于案例的色彩设计的实现形式，并以此构建了基于 案例的数控机床辅助工业设计系统( c b i d 系统) 中的色彩修改器。 色彩是人类的“第一视觉”，在消费者对产品认知过程中承担着传递信息的重 要媒介作用。目前国际国内对于色彩设计的研究主要有两种模式：基于消费者的 产品色彩认知需求心理的色彩意向尺度法，以及基于孟一斯宾瑟色彩调和理论的 美度值评价法。本文在结合两种方法特点的基础上提出了一套创新的色彩实现模 式，即以基于案例的色彩辅助设计系统，辅助用户进行有效的产品色彩设计。c b i d 系统的这种实现方式可以在现有的条件下有效的解决数控机床色彩设计领域的实 用性问题，并为同类问题提供了可以借鉴的实现手段和经验。 针对与国内9 家主机厂的数控机床色彩设计合作，以及在“十五”的i c a i d 系统研发过程中所遇到的色彩问题和积累的经验，本文以满足用户实际需求和行 业发展需要的思路作为分析的起点，建设形成典型数控装备的工业设计色彩案例 库资源。在此基础上实现了设计经验、设计知识的获取和积累，以及实现了设计 案例的添加和“基于知识的i c a i d 系统”的升级和扩充。论文的最后部分探讨了 色彩设计在c b i d 系统中的实现，以及未来c b i d 系统的发展建议和构想。 关键词：c b i d ：基于案例；色彩设计；意向尺度；美度值 数控机床c b i d 系统中的色彩研究与应朋 a b s tr a c t t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h r o u g ht h ec a s ed e s i g n sa n da n a l y s i so ft h en a t i o n a l h i g h t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n ：c o l o rd e s i g n b a s e do nt h ed i s c o v e r i e sa n d i n s i g h t sf r o mt h ef o r m e rs t u d i e so ft h ep r o j e c t ，t h i st h e s i sp r e s e n t sa nc o l o rr e v i s e m e c h a n i s mo fc b i d ( c a s e b a s e di n d u s t r i a ld e s i g n ) s y s t e m t h ed e v e l o p m e n to f s y s t e mi sb a s e do np r o d u c tc a s e c o l o ri s “t h ef i r s tv i s i o n ”o fh u m a n ，a n di th a st h ei m p o r t a n tm e d i af u n c t i o no f t r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o ni nt h ep r o c e s so fc o n s u m e r sc o g n i z i n gp r o d u c t s t h e r eh a s b e e nm a i n l yp r e s e n t e dt w ok i n d so fm o d e si nt h ed o m a i no fr e s e a r c h i n gc o l o rd e s i g n i n t e r n a t i o n a l l ya n dd o m e s t i c a l l y , o n ei st h em e t h o do fc o l o ri m a g es c a l ew h i c hb a s e d o nc o n s u m e r s c o g n i t i v ep s y c h o l o g yo f p r o d u c t sc o l o r ；a n dt h eo t h e ri st h ee v o l u t i o no f b e a u t yh a r m o n yw h i c hc o m ef r o mt h et h e o r yo fm o o n s p e n c e rc o l o rc o n g r u i t y a sa n e wc o n c e p t i o n ，c o l o rr e s e a r c hb a s e do nc b i ds y s t e mc o m b i n e da d v a n t a g eo ft h et w o m e t h o d s ，a n da s s i s tc o n s u m e rt og oa l o n gw i t he f f e c t i v ec o l o rd e s i g n c b i dw a sa n e f f e c t i v es e t t l e m e n to nt h ep r o b l e mo fc o l o rd e s i g no fc n cm a c h i n et o o l s t h i sk i n do f i m p l e m e n t a r ym e c h a n i s mp r o v i d e sae f f e c t i v es o l u t i o nt o w a r d so t h e rs y s t e m s b a s e do nt h ec o o p e r a t i o nw i t hc n c c o m p a n i e sa n dt h er e s e a r c ho nc o l o rd e s i g n i ni c a i ds y s t e m ，t h i st h e s i ss t a r t so nt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n to fu s e ra n ds y s t e m o r i e n t a t i o n ，a n dc o n s t r u c tat y p i c a li dc a s eb a s er e s o u r c eo nc o l o rd e s i g no fc n c e q u i p m e n t o nt h eb a s et h er e t r i e v ea n d a c c u m u l a t eo fd e s i g nk n o w l e d g ew a sr e a l i z e d ， a n da l s ot h ea d d i t i o no fd e s i g n e dc a s e sa n dt h ee x t e n s i o no f i c a i ds y s t e mb a s e do n k n o w l e d g e ”w a sr e a l i z e d f i n a l l y ，t h i st h e s i s d i s c u s s e st h ep r o b a b i l i t yo fs y s t e m m a i n t e n a n c ea n de x p a n d a b i l i t y k e yw o r d s ：c b i d ；c a s e b a s e d ；c o l o rd e s i g n ；i m a g es c a l e ；e v a l u a t i o no fb e a u t y h a r m o n y i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的沦文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出熏要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：獭日期：卅年，月j 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期： 日期： 年月日 年月日 第1 章绪论 1 1 色彩设计的研究背景 色彩作为工业设计要素之一，是人类的“第一视觉”，在消费者的产品认知 过程中承担着传递信息的重要媒介作用，它的象征作用和对消费者情感影响力 远大于形态和材质。工业设计色彩专家安契尔霍金( a n c h o r h o c k i n g ) 认为： “色彩能直接影响人类的思维状态与心理活动，这是商品和生产销售的命脉“。 又如法国色彩大师郎科罗先生所占，“色彩设计可以在不增加产品成本的基础上 增加产品的附加价值1 5 - 3 0 。”i ”产品色彩科学化、系统化、人性化设计的趋 势日趋明显，如苹果公司1 9 9 9 年推出的i m a c 多彩外壳电脑：2 0 0 2 年大众推 出的苹果绿p o l 0 轿车，一经上市就吸引了众多消费者的眼球，同时也创造了色 彩营销史上一个个成功的神话( 图1 1 ) 。 图l1 成功色彩案例 图片来源：w w w t o m c o m 色彩的应用迅速从建筑、纺织、服饰等传统领域渗透到家电、i t 、汽车等各 个领域，包括机床制造这种传统基础性行业。随着制造业全球化发展的趋势，企 业也试图使用各种方法提高机床产品竞争力，在色彩的应用上更加趋于大胆和人 性化。在近几届国际机床展上，生动活泼、富于变化而又搭配合理的色彩应用打 破了传统机床产品的呆板与单调，给人以耳目一新的感觉( 图1 2 ) 。 图1 2 国际机床展的创新色彩案例 1 2 色彩设计研究的方向与基于案例的色彩设计研究 人类对色彩的感知与人类自身的历史一样漫长，最早对色彩进行研究的是 数千上万年来的艺术传人，不断加深着对色彩的感性认识。直到1 7 世纪6 0 年代， 牛顿、麦克斯韦及之后的色彩学家以近代光学研究成果为钥匙对色彩本质进行研 究与探索，以及相关认知心理学和心理物理学的发展，为色彩研究奠定了理性基 础。但在后来漫长的一段时间内，艺术与科学所创造的文明分别朝着各自即定方 向发展，似两条没有相交的平行线。直至进入2 0 世纪，色彩研究如马斯洛所说， 为了满足人类从低到高即生理、安全、社会、尊敬和自我实现五个层次需求“3 ， 适应社会生产力发展时，才在现代光学、心理学、神经生理学、艺术设计学等基 础上获得长足进步，成为了一门多学科综合、交叉性的边缘科学o 3 。 1 2 1 基于感性的色彩设计研究 “以人为本”是设计的摹本理念，色彩所承载的种种信息与影响人类的巨 大情感力量，承担着将创造物从冰冷的物质世界拉回到一个充满温馨人性化世界 的熏任。对于色彩感性的研究及相关应用正是色彩设计研究的核心与意义所在。 色彩感性设计以色彩和与之对应的人类行为之问的关系为主要的研究对象“1 。 人对色彩感觉大体可分为直觉反应和思维反应两个阶段。所谓直觉反应，是 指几乎不加思考而感觉到的色彩现象，出色彩刺激引起的感知现象就属于直觉反 应。对于具有相同生理构造的人类来说，色彩直觉反应的结果是产生相同或相似 的感觉，如色彩冷暖、轻重、距离感，色彩对比，视觉残像等。这个阶段的研究 从古希腊的亚里士多德时期延续至今，很多成果作为普及性知识被写进各类与色 彩有关的书目中。 而由色彩刺激引起的情感联想和象征则属于一种“思维”( 或认知) 反应， 这种思维反应的结果因人而异，不同的人受到年龄、经历、性格、情绪、民族、 风俗、地区、环境、修养等多种因素的制约，往往会引起不同的色彩反应。具有 典型代表的就有法国色彩学家朗科罗提出的“色彩地理学”研究”l ，他认为地域 性直接影响着人们的文化差异，也影响着人们对于美的看法，导致了不同的色彩 表现和组合。他寻访东西方十几个国家，饱览不同的色彩之美，实践于人们衣食 住行各个领域的设计中。 直觉反应是色彩整体性的心理体现，思维反应是色彩个体性的心理体现，而 在人类的色彩感性与认知活动中这两个反应是同时交叉进行的，它们相互联系又 相互制约，不能严格的把它们区分开来。 1 2 2 基于理性的色彩设计研究 2 0 世纪色彩具有特征性的研究成果 之一为色彩工程学。它结合了艺术家的感 性创造和科学家的理性探索，是以工程技 术为服务主体的色彩科学。对色彩的研究 存在两大技术目标：色彩的工程再现和色 彩的工程管理。 色彩工程再现是为诸如彩色印刷、彩 色摄影、荧屏成色等传播媒体与影视技术 所要求，以在批量生产或复制时色彩的逼 苎要銎塑曼竺。雹数窑妻紫运算警型与运 圈1 3 使用c i n e m a 4 d 的光能传递 算法则被发展出来，用以在不同的视觉系 渲染效果 统作业中探究色彩现象。例如以计算机三 维渲染技术领域的发展成果来看，软件渲染模块算法不断更新，从当初的 r a y t r a c i n g ( 光线追踪) 到g i o b a li l l u m i n i a t i o i l ( 全局光照) 和h d r i ( 高动 态范围图像) 技术，使p h o t o r e a l i s t i c ( 照片真实感渲染) 成为可能。 色彩工程管理是运用软、硬件结合的方法在生产中自动统一地管理和调整色 彩，以保证在整个过程中色彩的一致性。如实现各种扫描仪、数码相机、彩色打 印机、印刷机等不同输入输出设备问的色彩匹配，实现不同显示器显示色彩的一 姆黪；一 蛊礴j 一黪孽囊湖鎏喜懦入 图1 4 色彩管理系统 图片来源：大中华印艺网 致性和准确预示输出成品色彩等。色彩管理是以操作系统为中心，如苹果系统中 的c 0 1 0 r s y n c 、w i n d o w s 系统中的i c m ，以c i el a b 色空间模式作为色彩参照标 准，以1 9 9 3 年国际色彩联盟成立后制定的开放式色彩管理规则i c c 技术进行色 彩转换，支持应用软件及第三者色彩管理软件，如p h o t o s h o p 、f r e e h a n d 等，作 为使用者的色彩控制介面，结合输入输出硬件设备，完成理想一致的色彩制作。i 工程学上的成果为色彩可实现性提供了强大的技术后盾，它使高度感性的色 彩可用定量化、理性化手段进行严格工程控制，使之被引入现代互换式生产方式 中进行处理成为可能，大大扩展了色彩的应用领域。”1 1 2 3 基于案例的色彩设计研究 色彩是一种同时融合了主观感受和客观存在的复杂现象，由于产品的色彩 设计具有丰富的感性特征和象征意义，在消费者对产品认知的过程中承担着信息 传递的重要媒介作用晒3 ，因此不能简单地用科学计量方式来衡量。通过研究发现， 单纯的感性色彩设计和单纯的理性色彩设计均有一定的局限性，为了克服这种局 限性，设计师从人对色彩的感性知觉和心理效果出发，用科学的分析方法，利用 已有案例中的色彩在空间、质与量上的可变换性，按照色彩规律和造型法则去组 合产品各要素间的相互关系创造出美的、理想的产品色彩效果”1 ，这也就是基 于案例的色彩设计研究。基于案例的色彩设计研究结合了艺术家的感性创造和科 学家的理性探索，能够起到对主观和客观色彩因素的综合分析作用。 工业设计师对色彩的感觉是来自于专业的训练和以往经验的积累，这是一种 典型的基于案例的设计。例如在数控机床的色彩设计中，如果设计师对色彩的运 用较为大胆，他们便不会局限于产品常用的色彩搭配，而是大胆地选用各种纯度、 明度的色彩组合，并且运用适当的处理手法，使得机床产品色彩丰富，给人焕然 一新的感觉，同时也更好地表达了机床的造型特征。在色彩设计阶段，这些设计 师对色彩搭配的选择往往来源于现有的机床产品资料，他们需要参考大量的资 料，并从中获得有关产品配色方面的知识，这就是基于案例的色彩设计。结合设 计实践和前期调研，以下是基于案例的数控机床色彩设计过程理想模型，如图 1 5 。 图1 5 基于案例的数控机床色彩设计过程理想模型 1 3 基于案例的设计研究现状及文献综述 目前在设计思维领域中已有许多研究者f 探讨借助于过去的设计经验、知识 来解决新的设计问题的相关课题，即探讨案例知识( c a s ek n o w l e d g e ) 、基于案例 推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 、以及基于案例设计( c a s e b a s e dd e s i g n ， c b d ) 的重要研究课题“。 基于案例推理的发展最早起源于美国( 二十世纪八十年代末) ，之后在欧洲 兴起。近几年，随着机械学习( m a c h i n el e a r n i n g ) 的蓬勃发展，c b r 愈来愈受重 视，且已被广泛应用于各领域，如军事、医疗、法律、工程、设计等。目前， 以德国、英国、美国的研究最为领先，投入的学者及研究团体也最多。 基于案例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 是近年来人工智能领域所发 展出的一种推理方法，其概念源自于认知活动中的记忆结构与心理机制，是知识 表达的一种方法。在c b r 中，知识是以案例的形式来表示的。它以问题及解决 方法为推理的基础，当事件发生时，运用相似性比对，利用过去的案例经验来作 为解决问题的思考方向与解决方式或是针对过去的案例做进一步的修改，为问题 的解决方法“”“”提供了一种新的解决途径。 基于案例推理的整个循环从新问题的产生开始，新问题产生后通过其需求的 输入从案例库中提取出一个或者多个最相似案例，重用这些案例得出问题的建议 方案，如果需要，再修改建议方案，以求得问题的最终解，最后，将该问题的解答作 为新案例保存到案例库中“。如此就形成了一个循环系统，每经历一个新问题 的引用，案例库相应产生一笔新的信息，系统从而也达到自学习的目的。“。 1 3 1 基于案例的设计的知识组织模式 c b r 是通过修改重用以往解决问题的方案来解决当前问题的方法。它是一个 包括案例检索、案例重用、案例修改、案例存储( r e t r i e v e ，r e u s e ，r e v i s e ， r e t a i n ) 的循环过程。案例库模拟人脑的记忆，存储了过去的一些相关经验( 案 例) ，这些案例按一定的方式组织，以便在需要的时候能够即时取出；回忆过程 翌竺三! b ! 支。耸妻? 要竺耋 新问题输入 出相关案例的过程：被检索r 出的案例可能与新的情形 不完全一致，这时候需要对 该案例的某蝗特征进行修 改，以便适应新的情况；修 改后的案例是否符合耨的 情况，需要有一定的评价检 验，如果发现不符合实际情 况，还需要进行修正，最后 新的实例按一定的策略加 入案例库中。如图1 6 通常把c b r 的推理过程 概括为4 r 一一r e t r i e v e ， 图1 6c b r 的推理过程 r e u s e ，r e v is e ，r e t a in 。c b r 先从案例库中检索出与当前问题类似的以往问题的 解决方案，称为案例：再以此为出发点，综合运用领域知识、推理投术帮助设计 n 引u 一 一 解释 师不断交互修改该案例，直至产 生能够解决当前问题的新方案； 最后将评估合格的新方案作为案 例存入案例库中。 基于案例的推理是一个问题 求解的方法，它把人的思维求解 过程中的“提出问题一一寻求方 案一一确定方案”的过程通过一 个在计算机中的循环来实现。图 1 7 是c b r 推理过程的另外一种表 达。 c b r 充分利用人类的经验知识， 将人类以往处理某类问题的经验 作为现在处理这类相似问题的参 考。和基于规则的推理r b r ( r u l e b a s e dr e a s o n i n g ) 及基于模型 图1 7c b r 与问题求解”“ 的推理m b r ( m o d e l 一b a s e d r e a s o n i n g ) 相比较，基于案例的推理具有如下潜在的优势： 获取知识就是获取或收集以往的案例( c a s e ) ，这样就避开了“知识获取瓶 颈”的问题； c b r 无需精确的领域( d o m a i n s p e c i f i c ) 模型，即使在无法得到领域模型时也 能够进行推理，使得它的应用范围更广； c b r 能够很快提供一个解决方案，从而避免再次进行推导求解；当有案例足 够数量的案例作为支撑时，就提供了解决新问题的便利； c b r 系统能够把新的知识转化为案例而存储在案例库中，实现自学习的过程， 不断的获取新知识达到动态学习的目的； 案例的获取 案例获取是建立基于案例推理的智能辅助设计系统的关键技术之一。系统要 进行正常的推理决策，必须要有足够数量的案例作为支撑。因此，案例知识库中 确保有相当数量的案例，是一个基于c b r 的系统正常工作的前提条件。 作为一个具有再学习功能的智能辅助系统案例获取主要从其手段、来源等方 面来考虑。一般将案例获取知识源分为两类：人类专家和非人类专家。这罩的专 家是广义上的定义，只要能提供有价值的信息的介质均称为专家，如互联网、书 刊杂志，广播媒体、数据库等等，当然，具有专业才能的人也是专家。 通过设计者的资料收集，按照系统中所 需要的案例特征属性参数进行整理，最后输 入到案例知识库中，这是目前c b r 最常用的 案例获取方法。但随着人工智能学科的快速 发展，对案例获取提出了新的要求。机器学 习、机器识别、半自动化、数据挖掘等成为 可实现的案例知识获取手段。如图1 8 是在 基于c b r 的专家系统中案例获取模型。 囤1 8 案例知识获取模型 案例的修改 案例修改是本论文研究的重点之。在c b r 系统中，通过检索得到的初步案 例解的集合，一般会和当前问题的要求存在差异，这时需要对候选案例进行重用 和修改。案例的修改需要以案例的评价为基础，并参考系统知识库和系统使用者 的经验等多种因素。 对候选案例的修改一般分两步来进行：确定新问题的要求和候选案例之间的 不同：以候选案例为起点进行修改。 案例的修改可以是对一个候选案例的修改，也可以是对多个候选案例的重组 和修改的过程。案例的修改过程具有很大的领域相关性，也是c b r 技术种具有最 多难点和复杂性的环节。领域一般知识对案例修改的支撑是本论文另一个研究重 点。一般知识( g e n e r a lk n o w l e d g e ) 是c b r 过程的支撑，即c b r 过程中所有模 块的技术或算法又都是基于一般知识的。目前c b r 系统中的案例修改研究的难点 包括：多案例集成机制、历史数据的记录和利用、再设计回溯点的确定等。 由于案例修改的领域相关性和研究上的困难，目前还没有各个领域通用的案 例修改策略，缺乏实用的修改方法，案例修改技术的发展空间还较大1 4 5 1 。有很 多基于c b r 或c b d 的系统甚至不提供案例的修改功能。 k o l o d n e r “( 1 9 9 3 ) 总结了九种案例修改的方法：置换法重建( s u b s t i t u t i o n m e t h o d sr e i n s t i t u t i o n ) 、参数调整( p a r a m e t e ra d j u s t m e n t ) 、局部搜索( 1 0 c a l s e a r c h ) 、记忆质询( q u e r ym e m o r y ) 、专项搜索( s p e c i a l i z e ds e a r c h ) 、基 于案例的置换( c a s e b a s e ds u b s t i t u t i o n ) 、转化法( t h et r a n s f o r m a t i o i l m e t h o d s ) 、常识转换( c o m m o n s e n s et r a n s f o r m a t i o n ) 、基于模型的修改( m o d e l g u i d e dr e p a ir ) 、特殊目的的修改和改编( s p e c i a l p u r p o s ea d a p t a t i o na n d r e p a i r ) 、诱导( d e r i v a t i o n a lr e p l a y ) ；而h a n n e y ”( 1 9 9 5 ) 针对多案例组 合提出了一些方法：a n g iv o s s “”提出应按照领域模型知识的多寡来划分案例的 修改方法。 总之，目前常用的案例修改方法有基于规则的修改、基于模型的修改、基于 类比的修改、基于推导类比的修改等。而这些方法可以划分为两个大的类别一一 基) 二知识或规则模型的方法和基于类比的方法。前者侧重利用规则性的和模型化 的知识柬满足解的要求，后者则侧熏于利用过程性的知识来满足解的要求。两者 各有优点与不足：前者简单实用，但需要的知识存储量大，且知识获取困难。后 者修改过程比较实用，但有着很强的领域相关性，实现起来也比较复杂。 案例的存储 案例的存储对于保证c b r 系统的运作效率非常重要。案例库要具有一个有条 理并且易于管理的结构，这种结构有利于有效的从案例库中搜索和提取所需案 例。并且要选择一种适当的存储方法，其既能保证案例和索引语义的丰富性又能 尽量简化进入案例库提取案例的过程。目前，人们通常会通过建立案例存储模型 来勰决这些问题。比较有影响的两个案例存储模型是s c h a n ka n dk o l o d n e r 的“动 态存储模型”和p o r t e ra n db a r e i s s 的“类别一一样本存储模型”“。 1 3 2 基于案例推理在设计中的应用 c b r 推理技术引入设计领域是为了克服传统的基于规则的专家系统和基于 模型的推理系统的缺陷。知识系统在设计领域已应用多年，特别是专家系统 ( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 在c a d 中的应用确实推动了智能c a d 的发展，但这些应用 系统均不可避免地存在以下问题：知识获取问题、知识表示问题、进化能力差即 自学习能力差、实施专家系统的过程复杂，需要专门的技术、经常需要许多人的 工作、系统运行过程中难以 维护等。而c b r 推理技术则 可避免这些问题，并且具有 如下优点：c b r 推理不需要 精确的领域知识，因而知识 的提取变成了一个收集案 例的过程；c b r 推理的执行 过程简化为对于案例典型 特征的描述和表达，这比产 生一个精确的模型或众多 图1 - 9c b 8 技术已经广泛运用于设计领域 的规则要容易的多；应用数 据库技术不仅解决了大量信息的存储问题，而且提供了一个规范的、有序的知识 管理结构：c b r 技术能通过把新的知识转换为案例而实现自学习，使系统的维护 更容易。 正是由于c b r 技术具有上述种种优点，其在计算机辅助设计方面的应用对于 推动c a d 系统向着更加全面且实用的方向发展具有非常重要的意义“。基于案 例设计的相关研究在软件设计、建筑设计、机械设计、配餐设计、布局设计、结 构设计等领域己建构了系统化的方式并逐步进入应用阶段“，如图1 9 所示。 什么是“基于案例设计”( c a s e b a s e dd e s i g n ，c b d ) 昵? 广义上的“基于案 例设计”即是一种以莳人所做过的设计案例作为设计的知识基础，并在其基础上 运用模拟、转化、调整、合并等不同设计的手法，将已有的案例修改成符合现有 的需求使用的一种设计方法“。狭义的“基于案例设计”即是案例使用的系统 化方法，例如：“基于案例设计辅助系统”的构建“。 c b d 是在1 9 8 8 年k o l o d n e r 主持的第一届国际c b r 技术研讨会上正式被提出 的，从n a y i n c h a n d r a 的c y c l o p s 3 一一第一个真正的c b d 系统开始，c b d 技术 的发展也只有十几年的历史，但近几年国内、外作了大量的研究工作，并开发了 许多原型和商用系统，这不仅大大地推动了智能c a d 技术的发展，而且充分证明 了c b d 在智能c a d 方面研究和实践的成功性“。 在c b d 系统中系统根据用户对设计条件的描述，抽象出其主要特征，并建立 筛选条件，根据这一条件从案例库中选择与设计要求最接近的案例，对比两者之 间的区别，调整选定的不能满足条件的因素，生成最终的设计方案，并更新案例 库。 案例本身除了是一具体的个案外，其基本上是设计知识的浓缩或解决的方 案。案例可缩短设计解答的途径，提高设计的效率“。案例中蕴含了许多设计 过程中难以用文本表述的共识以及隐性知识。案例的使用是在作品的原创性之外 提供他人它案的设计经验，使设计者得以迅速的进入状况、增加设计知识以及 扩展设计的可能性。 然而，案例在产品设计上的运用一直缺乏有效的系统化方法，运用案例的经 验无法累积，设计者便再地费时于案例的选择与调适上。现在相关的设计研究 者已试图将案例知识整理、归类成一案例信息系统，有关案例知识的系统可方便 设计者们搜寻、选择与应用适当的案例于新的设计案中，它可提供作设计的参考 数据，且此数据是可被重复阅读、使用“。 1 3 3 基于案例设计在工业设计中的应用研究 根据1 9 8 0 年国际工业设计学会联合会( i c s i d ) 第1 1 次年会上公布的工业设 计的定义，我们可以知道：工业设计是一种知识性工作，工业设计人员需要通过 训练而获得技术知识、经验和视觉感受力来完成产品材料、结构、形态、色彩、 表面加工以及装饰等方面的创造性工作。所以对于工业设计的辅助实质上就是将 工业设计知识外在化表现以及将其内在化为设计人员自身能力并产生新的设计 的过程。在计算机辅助工业设计方丽，就是如何通过计算机及其相关技术解决工 业设计知识的获取、存储、表达以及运用的问题。现有的c a d 系统很大程度上还 只是停留在几何建模和辅助产品设计概念的表现上，而对于工业产品早期的概念 设计阶段的辅助是非常有限的。在工业产品早期的概念设计阶段，由于设计者对 设计对象了解的不够全面和深入，设计概念形成中的可用性知识和实用性知识难 以具体化，而且以隐性的方式体现在设计过程中，因而给知识的获取和表达带来 了很大的困难，这也是制约计算机辅助设计向产品设计的早期阶段一一即概念设 计阶段拓展的巨大障碍。c b d 方法的应用，由于其知识获取的简易性和知识表示 的隐性化的特点，以及使设计开始于检索出的较优解即成功案例基础之上而大大 提高了设计的效率和质量，再通过其后的调适、优化过程使计算机辅助产品概念 设计得以实现。 1 4 “十五”研究成果与“8 6 3 ”研究课题 錾趁垄l 压曼里丕笙主鲍丝篷丛盔兰查旦 1 4 1 “十五”课题的色彩研究成果与存在问题 “十五”期间，湖南大学承担的国家重点科技攻关项目基于设计知识与 用户知识的网络化数控机床造型设计与人性化界面设计及应用研究，最终研究 以设计并建立基于设计知识和用户知识、具有初步智能和协同机制的数控机床造 型设计和人性化设计网络平台一i c a i d ( i n t e r n e t b a s e dc o m p u t e ra i d e d i n d u s t r i a ld e s i g n ) 系统为目标”。 “十五”项目中，机床色彩研究是外观造型设计和人性化设计技术的研究范 畴，旨在对机床感性色彩设计进行研究，量化感性问题，为网络建构提供数据化 的知识结构。项目研究在帮助设计者学习机床色彩知识的同时，使用可数据化的 知识结构在i c a i d 系统中辅助其进行机床色彩的概念设计工作，并通过网络使设 计师和用户进行更为直观而快捷的在线交流和评价活动。最终通过色彩设计使机 床产品更加具有非凡的竞争力。 项目开发的i c a i d 系统实现了数控机床色彩的在线调色器技术，但系统中色 彩设计研究还存在不够完善的地方，在一些方面还有待于进一步的补充、改进和 提高，通过可用性评估发现“，其中最大的问题就是：用户认为配色器提供的 机床类型与目标方案存在差异，其配色不能反映最终方案的效果。为了增强图库 中所选色彩的可用性，提供与目标方案更加合适的配色方式和配色器，在“8 6 3 ” 课题中作了大量的研究，为最终解决这个问题做了充分准备与铺攮。 1 4 2 “8 6 3 ”课题与课题来源 本论文课题来源于湖南大学承担的国家8 6 3 高新技术项目基于案例的工业 设计技术与辅助设计系统及应用研究。课题的目标是在“十五”攻关项目的基 础上，运用“基于知识的i c a i d 系统”，通过为国内主要数控机床主机厂提供一 系列机床装备的造型设计，构建基于案例的计算机辅助工业设计系统，并形成具 有自主知识产权的设计创新平台，并在数控机床主机厂示范应用。课题研究以满 足用户实际需求和行业发展需要的为目的，以现代集成制造系统为依托，以机床 主机厂产品为设计案例，进行机床外观造型设计、色彩设计、产品形象设计，形 成典型数控装备的工业设计案例库资源。实现设计经验、设计知识的获取和积累。 课题集成工业设计领域多种类型知识的表达和应用技术，包括造型设计与加 工制造( 钣金加工、成本计算和开发周期等) 及相关工艺知识( 如表面处理色 彩喷涂等) 的知识获取和更新等关键技术，实现基于案例的工业设计技术和辅 助设计系统。 1 5 论文的研究方法与组织 本论文研究属“8 6 3 ”国家科技攻关项目“基于案例的工业设计技术与辅助 设计系统及应用研究”的一部分，以基于案例推理的思想( c a s e b a s e d r e a s o n jn g ) 为依托，通过对数控机床产品的案例色彩研究，将色彩知识进行合 理的辅助应用，构建出数控机床色彩辅助设计模块，有效的融入到c b i d 辅助设 计系统中。 色彩设计理论研究采用心理学实验法、案例设计、色彩分割取样等方法，以 数控机床为重点研究对象，在产品造型设计专门领域，通过建立面向设计对象的 产品外观造型理论模型，研究并构建具有激发创新设计功能的工业设计知识管理 和应用系统，目标是使之成为工业设计技术在制造业推广应用的技术平台。 系统开发采用多种技术的综合，包括j a v a s c r i p t 、f l a s h 、x h t m l 、c s s 、d o m 、 p h p 、m y s q l 、a c t i v e - x 。c b i d 系统运用的服务器端脚本语言是p h p 。c b i d 的知 识库采用m e t a d a t a 技术实现。c b i d 系统的数据库采用m y s q l 技术实现。 论文组织如下： 第i 章绪论 第2 章数控机床的色彩设计研究 第3 章c b r 理论在数控机床色彩设计中的应用 第4 章色彩设计在c b i d 系统中的实现 结论 第2 章数控机床色彩设计研究 本章讨论的数控机床色彩设计研究是色彩设计领域的一般知识研究。一般知 识( g e n e r a lk n o w l e d g e ) 是c b d 过程的支撑，c s d 过程中所有模块的技术或算法 又都是基于一般知识的，即案例知识与一般知识具有很大的领域相关性。本章探 讨基于意象尺度法的色彩设计研究与基于美度研究的色彩设计研究，前者是为 c b d 系统的索引结构提供般知识支撑，通过降维处理获得色彩的意象尺度；后 者为c b d 过程中的评价、修改色彩设计提供一般知识支撑。 2 1 基于意象尺度法的色彩设计研究 作为“人为事物科学”的设计，其研究方法有别于自然科学。设计要善于判 断问题，抽象该问题的本质，又具象地掌握这类问题所存在形式。意象尺度( i m a g e s c a l e ) 就是一种具体的研究和实用性的方法。 意象尺度法( s e m a n t i ed i f f e r e n t i a lm e t h o d ) 是由美国心理学家o s g o o d 于1 9 5 7 年提出，主要是借助实验、统计、计算等科学方法，通过对人们评价某一 事物的层次心- 理量的测量、计算、分析，降低人们对某一事物的认知维度，得到 心理意象尺度图，比较其分布规律的一种方法“。具体来说是一方面通过寻找 与研究目的相关的意象语汇来描述研究对象的意象风格，同时使用类似“对称一 一不对称”等多对相对、相反的形容词对从不同的角度或维度来度量“意象”这 个模糊的心理概念。并建立五点或七点心理学量表，运用多元分析中的主成分分 析进行研究”。意象尺度法主要是借助实验、统计、计算等科学方法，通过对 人们评价某一事物的层次心理量的测量、计算、分析，降低人们对某一事物的认 知维度，并得到意象尺度图，比较其分布规律的种方法。 2 1 1 意象尺度图在色彩设计中的应用 在色彩设计中意象可理解为，它不仅反映色彩本身，更在于它能唤起某种相 应的表象或感觉，深入到人们的认知审美情趣中去，满足产品存在于人们心目中 的某种所需形象。它是直觉反应和思维反应的综合体。这种色彩意象是透过人的 感知系统，如视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等来获取。并且根据个人的知识与 经验来诠释，经过识别后的信息才会进入记忆系统被存储并被使用”“。 一一一行动器l j k 图2 1 感知系统产生意象的过程 磊，囊_ 量忆 警鬻 舟觉。 -10 一爱 赏 丞 苜器党 卜 啦 ，奁 色彩意象是流动的，它随着社会文化、感觉经验、价值观念的改变有所调整。 每个人也由于不同的生活环境、经历等影响使其具有不同的审美观，对产品产生 的色彩意象也就不会完全相同。任何思维，尤其是创造性思维，都是通过意象进 行的妇”。设计过程中，视觉语言的本质就是表达意象”“，所以设计师在进行色 彩设计时，对具有数理统计意义的消费者群体进行色彩意象研究是非常必要的， 研究人类群体所共有的色彩意象的认知特征，尽可能的运用色彩调和的配制关系 创造一个与欲传达信息相符合的方法，实现色彩设计的实用功能”1 。 意象尺度法在色彩设计中的应用相当普遍，重在色彩的心理效应方面的研 究，尤其在日本和台湾十分流行。如日本典型的色彩研究及应用机构一一色彩研 究所，用色彩意象尺度法为日本银行界做企业形象定位，为各种产品、包装定位 图2 2 香烟产品和企业标志的色彩意象尺度图 图片来源：亚洲c i 设计闷 等。台湾学者在九十年代针对产品形象展开系统调查与统计分析，并采用意象尺 度法确定产品意象用语和概念意象，探讨产品在认知空间上与韩国、f 本产品的 差距等”“1 。 2 1 2 意象尺度在c b i d 系统中的应用 在国内，湖南大学的赵江洪教授率先提出了设计过程中视觉语言的本质就是 表达意象的理念“，开展了国内意象心理方面的研究。机床案例在意象尺度图 上以一定的变化规律，如：形态t 的从曲到直，从统一到变化。以及色彩上的从 暖到冷、从软到硬的变化，这就分别概括了案例库中机床设计方案在形态和色彩 上的分布特性，并简洁明了地呈现出来。 意象是色彩、造型、材质等多种因素的综合心理表现，单独研究色彩或形态 的意象可以更容易发现其中的规律，具有明确的色彩一般知识的意义。在数控机 床色彩研究中，通过色彩意象实验建立的市场现有数控机床产品色彩意象分布 图。它是通过收集整理现有机床行业产品色彩配置情况，通过科学方法定位和分 类色彩样本的表达形式。强调色彩样本之间的关系，是一个具有明确分布和变化 规律的示意图。在设计的定位阶段，运用色彩意象尺度图，用户可以清楚的了解 现有产品色彩形象，确定市场趋势及产品定位，对设计方案的选择和评价有重要 的意义，同时也可以提升产品设计的有效性和针对性。图2 3 为c b i d 系统中作为 图2 3 数控机床意向尺度图 1 般知识提供设计分析的数控机床意象尺度图。案例来源包括国际国内优秀数控 机床设计案例，d m g 、c i n c i n n a t a 、m a z a k 、沈阳一机、江苏多棱和大连机床。 意向尺度法在数控机床色彩研究中具有重要价值，它强调色彩样本之间的关 系，对于了解同类产品色彩分布和变化规律有直观明确的指导作用，具有良好的 整体性。因此，意象尺度作为设计问题求解具有指导作用，尤其是在案例熏用、 案例修改中对整体品牌风格定位和色彩 设计评价的支撑作用。( 如图2 4 ) 但是， 由于意象尺度法是一个“定性一一定量一 一定性”的过程，当意向尺度法运用到某 一产品方案的色彩设计时，其定性描述的 特性使其得不到确切的定量参数。因此， 在理性分析和评价方面有所欠缺。在这个 问题的探讨上，孟一斯宾瑟美度评价的介 入在一定程度上缓解了这个难题的解决。 2 2 基于美度研究的色彩设计研究 孟一斯宾瑟美度评价公式是通过数 图2 4 色彩意向尺度图定位 学计算的方式对于简单的几何色块的配 色提供了经验性的依据，它的结论接受了感受性、定性分析的古典调和理论的验 证”1 。它可以用计算方法求得配色的“调和美”( c o l o r h a r m o n ye v a l u a t i o n ) 程度，并计算出相应的参数，这为一感性问题提供了可能的理性化的解决方式。 2 2 1 孟一斯宾瑟色彩调和理论 孟一斯宾瑟色彩调和理论是美国科学家帕里盂( p a r r ym o o n ) 和多米 娜斯宾瑟( o o m i n ae b e r l es p e n c e r ) 于2 0 世纪4 0 年代共同研究的成果。它以 孟塞尔色体系为色彩标识基