王偉偉，楊延璞，楊曉燕，余隋懷

（1.陜西科技大學設計與藝術學院，陜西 西安 710021；2.西北工業(yè)大學工業(yè)設計研究所，陜西 西安 710072）

隨著市場競爭的加劇和技術的快速發(fā)展，企業(yè)間的競爭已由最初的市場和技術競爭逐漸轉變?yōu)槠放坪驮O計的競爭。產(chǎn)品設計是設計師通過創(chuàng)意編碼解決問題的過程，融合了形態(tài)、色彩、材質、質感等造型元素解決目標群體對功能、認知和審美的綜合需求。在設計過程中，我們需要深入研究相似或相近產(chǎn)品領域的設計特點，繼承優(yōu)勢設計特征，以更好地滿足目標群體的需求。

近年來，針對產(chǎn)品形態(tài)設計方案生成的研究主要集中在對用戶需求研究、設計語義及品牌基因研究方面，主要是在技術、成本、材料等約束的基礎上，融合產(chǎn)品族外形基因、品牌風格、感性意象等因素，通過外形線條、色彩、材質等的變化以形成系列化產(chǎn)品與差異化品牌。如：文獻[1]提出了一種以語義差異法和量化統(tǒng)計法為基礎的產(chǎn)品材質意象決策支持模型，以匹配產(chǎn)品設計過程中的材質選擇問題；文獻[2-3]利用灰關聯(lián)分析與神經(jīng)網(wǎng)絡等數(shù)學方法，探討了感性意象與產(chǎn)品造型設計要素之間的映射關系，并通過遺傳算法進行優(yōu)化；文獻[4-5]研究了采用進化計算以自動生成產(chǎn)品設計方案的方法，并應用于產(chǎn)品形態(tài)[6]、色彩[7]的創(chuàng)新設計過程。文獻[8]將產(chǎn)品族外形基因與產(chǎn)品風格意象結合，建立產(chǎn)品風格意象與產(chǎn)品族外形基因之間的雙向推理映射模型，文獻[9]從產(chǎn)品品牌視覺識別的角度進行產(chǎn)品系列化設計等。

在以上研究的基礎上，本文提出一種基于形狀文法的產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設計模型，以輔助實現(xiàn)品牌基因、參考形態(tài)元素與流行設計元素之間的融合和推演，并深入研究了其關鍵技術，給出了完整的實施方案線路。最后，利用某款針對青少年的電動踏板車的形態(tài)設計過程對該方法進行了驗證。

1 基本概念

1.1 形狀文法

形狀文法(Shape Grammar, SG)最初由George Stiny和James Gips提出并應用于繪畫與雕塑創(chuàng)作，后來擴展到產(chǎn)品品牌識別與創(chuàng)新設計領域，是一種以形狀運算為主的設計方法。形狀文法能夠使產(chǎn)品按照一定的規(guī)則生成新的形狀并保持品牌的延續(xù)性[8]，同時也用來產(chǎn)生新的產(chǎn)品造型方案[9]。根據(jù)George Stiny對形狀文法的定義，其可以表示為：

SG=(S,L,R,I)，其中：S為形狀的有限集合；SG為S經(jīng)比例、旋轉等操作衍生的形狀集；L為標記的有限集合；R為推理規(guī)則有限集合；I為初始形狀。

在實際產(chǎn)品形狀推理過程中，初始形狀為目標產(chǎn)品的形態(tài)曲線，可對部分或全部形態(tài)曲線進行推理演化，同時可以選擇是否使用形狀標記。

1.2 形狀文法推理規(guī)則

常用的形狀文法推理規(guī)則包括：

（1）置換：用其他產(chǎn)品部分形態(tài)曲線替換某產(chǎn)品的現(xiàn)有形態(tài)曲線的變化，可表示為：T0S=S′，如，S={○，◇，☆}，T0S={○，◇，□}。

（2）增刪：增加或刪除初始形狀的部分或全部形態(tài)曲線，可表示為：增加：T1S=S⊕S1=S∪S1-S∩S1，如，S={○，◇，☆}，S1={○，△}，則T1S={○，◇，☆，△}；刪除：T2S=S?S1，如，S={○，◇，☆，□，△}，S1={○，◇，□}，則T2S={☆，△}?？梢钥吹?，對于形狀增加推理，S∩S1可為空，對于刪除操作則需有S1?S。

（3）縮放：縮小或放大初始形狀的部分或全部曲線，可表示為：

當λ＞1時為擴大變換；當0<λ＜1時為縮小變換；當λx=λy時為等比縮放；當λx≠λy時為不等比縮放。

（4）鏡像：初始形狀的部分或全部曲線延某一軸線發(fā)生翻轉，可表示為：

當k＜0時，若kx=-1，ky=1，則為S沿y軸鏡像；若kx=1，ky=-1，則為S沿x軸鏡像；其他鏡像變換可由這兩種鏡像操作得到。

（5）復制：對初始形狀曲線進行復制、移動操作。

其中，N為復制操作次數(shù)，M為復制操作后形狀位置的變動。n≥0且n∈Z；當n=0時，則表示形狀S未復制，僅在x，y方向的位移為mx，my。

（6）旋轉：對初始形狀進行角度變換。

其中，θ為圖形S繞坐標軸原點逆時針旋轉的角度。

（7）錯切：錯切變換是改變圖形S的坐標值的方法，在繼承原有圖形特征的同時也進行了變化，可以表示為：

其中，hx，hy分別為S在x，y方向上的錯切量。

（8）坐標微調：

式中，Δx，Δy分別為S的坐標變動量。

在具體的設計應用過程中，幾種形狀推理往往有大量的交叉和重復，如對形狀的復制也屬于增加，單純的坐標變化亦可實現(xiàn)擴縮、旋轉與錯切等。然而在設計時為了繼承企業(yè)品牌的形態(tài)意象，應用擴縮、旋轉與錯切操作較單純的坐標變換能更好地實現(xiàn)形態(tài)風格的延續(xù)，而坐標微調則常用于產(chǎn)品形狀曲線的局部變換。

2 推理模型構建

根據(jù)形狀文法相關理論與推理規(guī)則，提出基于形狀文法的產(chǎn)品形態(tài)設計推理模型，如圖1所示。

圖1 基于形狀文法的產(chǎn)品形態(tài)設計推理模型

該模型主要包括3個大的部分。

模塊一：產(chǎn)品研究模塊。從目標產(chǎn)品出發(fā)，根據(jù)設計定位進行詳細地設計研究。首先，選擇目標產(chǎn)品的同族產(chǎn)品，構建同族產(chǎn)品集Pf；并篩選與目標產(chǎn)品相關性較高的非同族類產(chǎn)品，構建其他可參考產(chǎn)品集Pdf。其次，采用型譜分析、因子分析等方法，對同族產(chǎn)品和其他可參考產(chǎn)品進行形態(tài)分析，抽取其共性的形態(tài)元素，構建形態(tài)特征群，用于第二個階段的形態(tài)推理。

模塊二：形態(tài)推演模塊。由模塊一分析得到的產(chǎn)品形態(tài)特征元素，輸入形狀文法推演引擎，選擇推理規(guī)則，并輸入設計約束（如尺寸約束等）進行形態(tài)推理演化。

模塊三：方案生產(chǎn)模塊。設計師從推演得到的諸多設計方案中初步篩選，在進行詳細的方案評價后，對方案進行細化設計，以確定最終方案。

3 產(chǎn)品研究與形態(tài)推演

以某款電動滑板車設計為例，運用形狀文法進行產(chǎn)品形態(tài)設計。通過與產(chǎn)品廠家溝通，確定產(chǎn)品目標人群是年齡段為6~16周歲的青少年，產(chǎn)品意象定位為動感、時尚。

3.1 目標產(chǎn)品分析

為了明確針對設計目標的主要造型要素，首先對電動滑板車進行形態(tài)層次分析，總結出電動滑板車的外形要素主要包括：手把、轉向桿、前叉、前輪、車架、踏板、電池盒、電機、后輪和支架。由于電機、前輪、后輪和支架屬于采購標準件，車架為踏板的內(nèi)部支撐，故在分析時不予考慮。其次，通過有針對性的問卷調查分析影響產(chǎn)品意象認知的主要形態(tài)要素。實際發(fā)放問卷300份，調研人群為初中生和高中生，有效問卷269份，問卷統(tǒng)計結果如表1所示。結果表明，56.8%與52.1%的青少年認為踏板更能體現(xiàn)電動滑板車的動感與時尚感，其次是手把。因此，本文將主要分析踏板形狀的演化過程。

表1 電動滑板車意象調研結果

3.2 產(chǎn)品篩選與形態(tài)分析

根據(jù)產(chǎn)品的意象定位，搜集和篩選可參考的電動滑板車同族產(chǎn)品與其他可參考產(chǎn)品，并提取可用于形狀推演的形態(tài)元素。部分產(chǎn)品如表2所示。

表2 產(chǎn)品篩選與形態(tài)分析（部分）

3.3 形態(tài)推演

對目標產(chǎn)品的初始形狀進行編碼，目標產(chǎn)品的形狀由曲線集合{A1A2，A2A3，A3A4，A4A5，A5A6，A6A1}構成。從表2的同族產(chǎn)品中選擇P1、P2、P4，異族產(chǎn)品中選擇Pd1，與目標產(chǎn)品形狀同時輸入形狀推演引擎，作為推演的初始形狀，如圖2所示。推演的尺寸約束設為540mm≤L（長）≤620mm，105mm≤H（高）≤160mm，在寬度方向上不做限制。推演過程示例如圖3所示。

圖2 初始形狀

圖3 推演過程示意

圖3中r1表示置換操作，r2表示增減操作，r3表示縮放操作，r5表示復制操作，r6表示旋轉操作，r8表示微調操作。

4 方案生成與細化

形狀文法生成的方案數(shù)量較大，包括過程方案與最終方案。從生成的初步方案中篩選出4個踏板形態(tài)組成整車方案，然后從動感與時尚角度采用語義差分法并用7級量表用于用戶心理意象測試，如圖4所示。

圖4 意象測試表截圖

組織20位中學生進行測試，評價結果均值統(tǒng)計如表3所示。

表3 方案意象測試結果統(tǒng)計表

統(tǒng)計結果顯示，方案1具有較強的動感，而方案3的時尚感較強，綜合來看，P3>P1>P2>P4，對P3和P1細化并構建三維模型，最終效果如圖5所示。

圖5 方案細化效果圖

5 結 論

在深入分析電動踏板車形態(tài)特點的基礎上，本文提出了一種基于形狀文法的產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設計推演模型，并從產(chǎn)品研究與形態(tài)分析、形態(tài)推演、方案生成等3個大的方向進行了論述，結果表明，該方法能夠較好地同時從同族產(chǎn)品與其它參考產(chǎn)品中獲取形態(tài)元素，且能夠最大限度地接近設計目標、滿足用戶需求。當然這一理論的廣度和深度還有待于進一步深入探討，接下來的工作是：① 打破形狀文化的二維限制，研究適用于三維形態(tài)的形狀文法推演機制；② 研究形狀文化推演過程的智能設計技術，為進一步構建產(chǎn)品智能快速設計平臺奠定基礎。

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