馬 瑞，陳澔利，穆曉鵬，尹 歡

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024；2.山西大運(yùn)汽車制造有限公司，山西 運(yùn)城 044000)

隨著經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，市場環(huán)境、社會文化以及消費(fèi)時(shí)尚會隨著時(shí)間的推移，不斷發(fā)生變化，因此企業(yè)需要在較短的時(shí)間內(nèi)迅速作出回應(yīng)，設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品造型，來滿足市場需求，并使新的造型設(shè)計(jì)風(fēng)格與企業(yè)總體品牌特征相符合。而形狀文法可以對產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)提供一定的設(shè)計(jì)思路和方法，例如，2004年美國別克汽車設(shè)計(jì)公司運(yùn)用形狀文法分析和探索了屬于別克的品牌造型語言[1]。楊濤[2]提出了基于形狀文法的汽車前臉造型意象重組方法，對汽車造型創(chuàng)新及延續(xù)提供了新的思路。孫志學(xué)等[3]通過感性情感約束和功能技術(shù)約束制定了形狀推演規(guī)則的設(shè)計(jì)思路，并將其運(yùn)用到應(yīng)急通行車的造型設(shè)計(jì)中。趙靜等[4]基于形狀文法對電動汽車平臺的繼承性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。陳威等[5]運(yùn)用形狀文法，提出現(xiàn)代有軌電車造型譜系設(shè)計(jì)方法，并對其繼承性進(jìn)行了驗(yàn)證。

在現(xiàn)有研究中，形狀文法側(cè)重于產(chǎn)品風(fēng)格塑造的特點(diǎn)得到了充分體現(xiàn)。汽車的駕駛室“前臉”部分是整車造型設(shè)計(jì)的核心，其造型風(fēng)格的創(chuàng)新性與新穎性對企業(yè)品牌塑造等方面具有重要意義；而目前少有運(yùn)用形狀文法對工程自卸車前臉造型設(shè)計(jì)進(jìn)行的研究。為此，本文基于形狀文法對工程自卸車前臉造型進(jìn)行創(chuàng)新性研究，充分運(yùn)用形狀文法法則的運(yùn)算特征，以期對卡車前臉造型設(shè)計(jì)方法提供一定的理論參考。

1 形狀文法

20世紀(jì)70年代，美國麻省理工大學(xué)教授史坦尼(George Stiny)沿用語言學(xué)中衍生文法的概念，首先提出了形狀文法。通過形狀文法可以將一個(gè)復(fù)雜的形態(tài)還原到最原始的形態(tài)：點(diǎn)，線，面，體；也可以從一個(gè)簡單的形態(tài)中推演出復(fù)雜的形態(tài)。形狀文法應(yīng)用在設(shè)計(jì)中的核心是按照人們的設(shè)計(jì)思想和要求，從一個(gè)或幾個(gè)簡單的初始形狀，依據(jù)一定的規(guī)則，產(chǎn)生出新的形狀以及新的結(jié)構(gòu)，即透過形狀的文法關(guān)系與規(guī)則來描述、設(shè)計(jì)的空間組織或造型組成[6]，如圖1所示。

根據(jù)STINY和GIPS的定義，形狀語法(SG)可以表示為：

SG=(S,L,R,I) .

式中：S為形狀的有限集合；SG為S經(jīng)比例、平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作衍生的形狀集；L為標(biāo)記的有限集合；R為推理規(guī)則有限集合；I為初始形狀。

圖1 形狀文法的推理規(guī)則Fig.1 Inference rules of shape grammar

2 大運(yùn)工程自卸車前臉造型分析

汽車駕駛室前臉部分，是汽車造型設(shè)計(jì)中最為重要的一部分，是視覺的聚焦點(diǎn)[7]，不同的品牌均有其各自不同的前臉造型風(fēng)格。前臉造型中，車燈組、前風(fēng)窗玻璃以及進(jìn)氣格柵等都由不同的幾何元素組成，都是明確的可識別性符號，代表著品牌獨(dú)特的設(shè)計(jì)風(fēng)格。為了盡量減少次要因素對結(jié)論的影響，筆者通過選取同一品牌同一車型不同系列的工程自卸車前臉造型進(jìn)行對比分析，以探究形狀文法在其造型中的應(yīng)用法則[8]。

通過對山西大運(yùn)汽車制造有限公司(以下簡稱大運(yùn))現(xiàn)有上市卡車調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大運(yùn)旗下的工程自卸車有N6系列、N8C系列、N8E系列、N8V系列、N9系列，如圖2所示。

2.1 整體形態(tài)分析

筆者嚴(yán)格按照形狀文法的理論，即從一個(gè)復(fù)雜的形態(tài)還原到最原始的形態(tài)——點(diǎn)、線、面，進(jìn)而將現(xiàn)有造型還原為其設(shè)計(jì)的初始狀態(tài)。為減少其他變量對實(shí)驗(yàn)的影響，選取同一品牌，噸位相同及駕駛室尺寸接近的車型作為設(shè)計(jì)原型。根據(jù)工程自卸車前臉中不同的功能將“前臉”劃分成了不同的區(qū)域，筆者分別對4個(gè)系列工程自卸車前臉部分的擋風(fēng)玻璃、燈組(前大燈，頂部視寬燈)、保險(xiǎn)杠、前面罩等外輪廓幾何形狀，以及其前臉部分功能分區(qū)的關(guān)鍵特征線和局部分型線進(jìn)行提取。如圖3所示，前臉外輪廓的頂部最高點(diǎn)與底部保險(xiǎn)杠的最低點(diǎn)連線形成線條a，它的走向顯示出“前臉”整體輪廓近似梯形，4款車的上下進(jìn)氣格柵造型略有不同；b曲線為擾流罩的關(guān)鍵特征線，即為進(jìn)氣格柵與擾流罩的分型線；c曲線為下進(jìn)氣口與保險(xiǎn)杠的分型線，線條b和線條c的走向顯示出上下進(jìn)氣格柵整體呈U型，從前風(fēng)窗玻璃一直延伸至保險(xiǎn)杠上沿，形成了獨(dú)特的造型風(fēng)格。保險(xiǎn)杠的基本形狀呈長方形，不同系列略有變化。

隨著汽車品牌和社會潮流的迅速發(fā)展，N8V系列的前臉造型和整體設(shè)計(jì)風(fēng)格融入了一些全新的元素，包括蘊(yùn)含中國傳統(tǒng)文化的甲胄式黑黃相間的粗壯進(jìn)氣格柵前臉，形似披膊的包角導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，造型硬朗、運(yùn)動感強(qiáng)，使車輛更富有張力，彰顯威嚴(yán)和安全。保險(xiǎn)杠迎合進(jìn)氣格柵，整體也呈U型，延伸至兩側(cè)；同時(shí)大燈與保險(xiǎn)杠形成“咬合”造型，使整個(gè)型面更具整體性，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合, 達(dá)到了精神需求與物質(zhì)需求的雙重滿足[9]。此外，粗壯塊面的設(shè)計(jì)風(fēng)格為品牌增加了一道“靚麗的風(fēng)景線”。

圖3 大運(yùn)工程自卸車前臉初始形狀提取Fig.3 Extraction of initial shape of front face of engineering dump truck of DAYUN

2.2 局部形態(tài)分析

進(jìn)氣格柵和大燈組是整個(gè)前臉造型設(shè)計(jì)的核心部分，充分體現(xiàn)了企業(yè)的品牌風(fēng)格。以進(jìn)氣格柵為例，如圖3所示，進(jìn)氣格柵的整體造型均采用橫向設(shè)置，通過多次使用形狀文法的復(fù)制以及局部增刪等命令，以增加整車的穩(wěn)定感。前擋風(fēng)玻璃、上下進(jìn)氣格柵、大燈以及保險(xiǎn)杠腳踏板的初始形狀均是運(yùn)用形狀文法的運(yùn)算命令變形組合而成的，擾流罩分型線曲率逐漸變大，保險(xiǎn)杠與格柵的初始形狀在N6、N8C、N8E系列車型中基本未發(fā)生變化；局部造型變化較大的為N8V系列，該系統(tǒng)車型在遵循大運(yùn)基本初始形狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合品牌的設(shè)計(jì)主題，融入了中國傳統(tǒng)文化甲胄的造型元素，頂部遮陽罩、進(jìn)氣格柵以及保險(xiǎn)杠的獨(dú)特造型多次運(yùn)用了形狀文法中的增刪與置換命令，擾流罩分型線由直變曲，整體造型體現(xiàn)出粗壯的肌肉感，使整車造型形成了視覺的統(tǒng)一，充分體現(xiàn)出造型的邏輯性。品牌的圓形logo與上進(jìn)氣格柵組合，使此部分成為視覺的焦點(diǎn)，配合進(jìn)氣口的形態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)一步強(qiáng)化了品牌信息，而下部保險(xiǎn)杠的整體形態(tài)曲線并未發(fā)生明顯變化。

3 大運(yùn)重卡形狀文法推演規(guī)則

3.1 線的推演規(guī)則

貝塞爾曲線(又稱貝茲曲線)作為一種應(yīng)用于二維圖形應(yīng)用程序的數(shù)學(xué)曲線，可以依據(jù)多個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)繪制出一條光滑曲線。根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目n的不同，可以將貝塞爾曲線稱為n次曲線。

按照形狀文法的理論，首先需要將大運(yùn)工程自卸車外輪廓線(即寬與高)以及局部分型線進(jìn)行提取，由于駕駛室的長寬高尺寸一致，且貝塞爾曲線具有仿射不變性和幾何不變性等特性,能夠保持產(chǎn)品的主要形態(tài)特征，因此，筆者選取駕駛室前臉的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)以確定一條直線，使用計(jì)算機(jī)軟件中的3次貝塞爾曲線建立平滑的曲線模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

B(t)=T0(1-t)3+3T1t(1-t)2+
3T2t(1-t)+3T3t2,t∈[0,1] .

(1)

式中：T0、T1、T2、T3分別為3次貝塞爾曲線中的4個(gè)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)依次定義為(x0,y0)，(x1,y1)，(x2,y2)(x3,y3)；T0和T3分別為工程自卸車正立面的側(cè)面特征線最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，同時(shí)也是貝塞爾曲線的控制端點(diǎn)；曲線起始于T0點(diǎn)，由T1和T2點(diǎn)控制方向走勢，最終到達(dá)T3.需要注意的是，曲線一般不會經(jīng)過T1和T2點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)只是提供方向資訊。T0和T1之間的間距，決定了曲線在轉(zhuǎn)而趨進(jìn)T3之前，走向T2方向的“長度有多長”。結(jié)合汽車前臉造型各功能分區(qū)，由于車身整體比例與各零部件尺寸一致，對局部形態(tài)以及前臉側(cè)面特征線進(jìn)行運(yùn)算，通過改變T1與T2兩點(diǎn)的坐標(biāo)位置，來改變曲線的形狀。圖4選取N6系列車型中的側(cè)身輪廓線、擾流罩分型線作為樣本，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選取。

圖4 特征線貝塞爾曲線節(jié)點(diǎn)選取Fig.4 Node selection of Bezier curve

3.2 面的推演規(guī)則

運(yùn)算命令R0為置換命令，即用全新的形狀替換原有產(chǎn)品的初始形狀或局部形態(tài)。運(yùn)算命令R1為增加命令，在初始形狀的基礎(chǔ)上增加全新的形狀。運(yùn)算命令R2為刪除命令，在初始形狀的基礎(chǔ)上刪除局部形狀或全部形狀。運(yùn)算命令R3為復(fù)制命令，按照初始形狀制作成相同的形狀。運(yùn)算命令R4為縮放命令，單軸或兩軸縮小或放大初始形狀的部分或全部曲線，即在x軸或y軸方向進(jìn)行比例縮放。運(yùn)算命令R5為平移命令，即對初始形狀的節(jié)點(diǎn)在x軸或y軸方向進(jìn)行位移。

若S=(A，B，C)，S1=(C，B，E)，其中不同字母代表不同的幾何形狀。若用S1中的E與S中的A進(jìn)行置換，則R0S=(E，B，C)；若在S中增加S1中S沒有的元素，則R1S=(A，B，C，E)；在S中刪除與S1相同的幾何形狀，則R2S=(A)；若節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)為(x，y)且x軸與y軸的縮放比例分別為λx與λy，則對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行縮放命令時(shí)通過運(yùn)用矩陣乘法進(jìn)行運(yùn)算，即：

當(dāng)λx，λy>1時(shí)表示在x軸和y軸上進(jìn)行放大；0<λx，λy<1時(shí)表示在x軸和y軸上進(jìn)行縮?。欢?dāng)λx=λy時(shí)表示等比縮放。

(2)

4 造型推演及方案評價(jià)

從設(shè)計(jì)需求角度出發(fā)，首先需滿足技術(shù)功能。在滿足工程技術(shù)條件的前提下，進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，依據(jù)現(xiàn)有大運(yùn)工程自卸車的車身、正立面的各部件尺寸，在布局合理的前提下，運(yùn)用形狀文法的推演規(guī)則，結(jié)合人機(jī)、材質(zhì)加工技術(shù)等多因素約束，對前臉中各功能部件進(jìn)行線、面的形態(tài)推演。圖5是對進(jìn)氣格柵以及擾流罩分型線推演過程的簡單示意圖。圖中R0表示置換，R1表示增加，R2表示刪除，R3表示復(fù)制，R4表示縮放，R5表示平移。從圖5中可以看出，圖3中所提取的大運(yùn)工程自卸車前臉進(jìn)氣格柵的初始形狀m和n均由M表示；曲線b、b1為左右兩側(cè)進(jìn)氣格柵分型線，將曲線b的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別設(shè)置為T0、T3，作為貝塞爾曲線的控制端點(diǎn)，并在該曲線上提取T1、T2兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來控制貝塞爾曲線的走勢，b1同理b.M1是m經(jīng)過3次R3復(fù)制命令，以及y軸方向的R5等距平移命令后所獲得m2、m3和m4，且將m2，m3和m4運(yùn)用R4命令進(jìn)行x軸方向的縮小。在M1的基礎(chǔ)上，運(yùn)用R2命令在m,m2,m3,m4上均刪除一個(gè)經(jīng)過R4縮小命令后的m4，獲得新的圖形組合M2.運(yùn)用初始形狀n，經(jīng)過3次R3復(fù)制命令，以及y軸方向的R5等距平移命令后所獲得的n2，n3和n4，且n4運(yùn)用R4命令進(jìn)行x軸方向縮小，n3運(yùn)用R4命令在x軸方向放大獲得圖形M3.在M3的基礎(chǔ)上，將n3運(yùn)用R4進(jìn)行放大，獲得圖形M4.曲線b，b1的T0、T3點(diǎn)位置始終不變。通過調(diào)節(jié)控制點(diǎn)T1，T2，T'1，T'2的x軸、y軸的坐標(biāo)值，可生成無數(shù)條分型線b，b1的設(shè)計(jì)方案。筆者只調(diào)節(jié)了T1，T2，T'1，T'2節(jié)點(diǎn)X的坐標(biāo)值，使曲線b，b1的走向與格柵形狀相吻合，生成M1，M2，M3，M4中4種分型線設(shè)計(jì)方案。

圖5 進(jìn)氣格柵圖形、擾流罩分型線形態(tài)演變過程Fig.5 Evolution process of intake grille figure and spoiler parting line shape

由于大運(yùn)N8C系列車型尺寸及整體輪廓并未發(fā)生較大變化，因此將其作為此次研究車型尺寸的模板，將其導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CorelDRAW中，運(yùn)用貝塞爾曲線繪制前臉關(guān)鍵特征線及部分功能部件的分型線，并運(yùn)用形狀文法推演規(guī)則中的置換和增刪等命令，結(jié)合初始形狀進(jìn)行基礎(chǔ)面的形態(tài)推演。如圖6所示，由于3次貝塞爾曲線所選取的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置不同，形狀文法的文法規(guī)則運(yùn)用的次數(shù)以及運(yùn)用的規(guī)則不同，因此所生成的方案數(shù)量較大。

圖6 基礎(chǔ)面及局部分型線的形態(tài)推演示意圖Fig.6 Shape deduction of foundation surface and local part profile

筆者結(jié)合大運(yùn)穩(wěn)定莊重的品牌特征和視覺風(fēng)格，以對上下進(jìn)氣格柵進(jìn)行再設(shè)計(jì)為考察點(diǎn)，結(jié)合圖6所示的進(jìn)氣格柵與擾流罩分型線的造型推演方案，最后選取如圖7所示的4種前臉造型設(shè)計(jì)方案。所選取的方案在運(yùn)用大運(yùn)工程自卸車特有的形狀文法規(guī)則的基礎(chǔ)上，大量使用了水平線條，上下進(jìn)氣格柵整體形狀依舊采用“倒梯形”，自下而上呈現(xiàn)階梯狀，多次運(yùn)用初始元素，從上到下采用物象堆積法，其數(shù)量由密到疏，體量從大到小，整體視覺重心下移，給人以穩(wěn)定和莊重的感覺，色彩整體采用黑紅色進(jìn)行涂裝，通過色塊對比，營造了穩(wěn)定感[10]。

圖7 工程自卸車前臉造型形狀文法推演示意Fig.7 Engineering dump truck front face shape grammar deduction

筆者選取100名被測試者，通過投票的形式從圖7所示的4種待選方案中選擇最可能作為大運(yùn)新款工程自卸車前臉造型的方案。被測試者包括10名行業(yè)設(shè)計(jì)師、40名在校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生、30名非工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生以及20名大運(yùn)重卡用戶。調(diào)研過程如下：

1) 將4款設(shè)計(jì)方案圖同大運(yùn)品牌的4款工程自卸車(N6、N8C、N8E、N8V)放在同一張A4紙上，并將其打印100份，分發(fā)給被測試者，并表明調(diào)研意圖。

2) 將100名測試者所做的選擇結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其中，專業(yè)設(shè)計(jì)師、本專業(yè)學(xué)生、非本專業(yè)學(xué)生、用戶所占權(quán)重比分別是4∶2∶1∶3，分別對其進(jìn)行賦值加權(quán)計(jì)算， 得到 4 個(gè)待選方案所對應(yīng)的加權(quán)平均人數(shù)為{12，24，37，27}(如表1所示)，因此確定C方案為最優(yōu)方案。

3) 所選最優(yōu)方案中的進(jìn)氣隔柵保留了整體呈“倒梯形”的品牌特征，同時(shí)上下進(jìn)氣格柵采用封閉處理，從上到下由密到疏。最后將推演出的C方案導(dǎo)入Rhino 5軟件中進(jìn)行三維建模，并運(yùn)用Keyshot軟件對模型進(jìn)行渲染，渲染效果圖見圖8.通過方案數(shù)據(jù)評價(jià)表可以證明，應(yīng)用基于“形狀文法”理論的工程自卸車前臉造型設(shè)計(jì)方法達(dá)到了目標(biāo)要求，該方法是可行且有效的。

表1 4種方案數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Evaluation table of data statistics 名

圖8 最終方案展示圖Fig.8 The final display picture

5 結(jié)束語

本文通過提取某品牌工程自卸車前臉的圖形元素，分析現(xiàn)有產(chǎn)品各功能分區(qū)的初始形狀和關(guān)鍵線條，并結(jié)合品牌特征、用戶需求、傳統(tǒng)文化及國內(nèi)外重卡產(chǎn)品的先進(jìn)理念，運(yùn)用形狀文法的設(shè)計(jì)規(guī)則，在短時(shí)間內(nèi)生成系列化的產(chǎn)品，增加車企在市場中的競爭力。該方法能夠較好地同時(shí)從同族產(chǎn)品與其它系列產(chǎn)品中獲取形態(tài)元素，且最大限度地體現(xiàn)品牌特征，接近設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足用戶需求。但如何將前臉中外在的形式美和內(nèi)在的科學(xué)先進(jìn)性能完美地結(jié)合[6]，尚需要進(jìn)一步的探索。