林麗，李智美

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025）

隨著用戶對產品要求的不斷提升，特別是對消費類產品的需求不僅體現(xiàn)在實用功能上，還體現(xiàn)在對產品造型風格的審美要求上，當產品的實用功能和造型風格完美結合時才更能獲得消費者的喜愛[1]。產品造型風格作為消費者與設計師之間交流的重要信息基礎，是產品創(chuàng)新設計成功的關鍵要素之一。然而，在傳統(tǒng)的產品設計研究領域中，產品造型風格創(chuàng)新設計一般由設計者憑借自身對產品的認知，將自己的設計意圖映射到新產品設計中，該過程存在自主性、模糊性與不確定性等因素，難以形成一套科學合理的創(chuàng)新設計方法[2]。因此產品造型風格創(chuàng)新設計方法的構建應在避免上述問題的基礎上，既要快速設計滿足用戶的風格需求，又要在產品創(chuàng)新過程中保持設計風格的延續(xù)性，提升設計效率，從而提升消費者的滿意度。為此賦予產品獨特的造型與風格，以塑造消費者理想的產品成為研究的熱點問題。

國內外學者從多方面對其進行了研究：申澤[3]、盧兆麟[4]、Liu[5]等構建了產品設計DNA 遺傳與變異模型，以此分析產品風格的形成及創(chuàng)新過程；Chan等[6]深入研究了各種風格產品之間相似度測量方法；楊延璞等[7]基于產品族造型研究，提取樣本形態(tài)元素，由此生成眾多設計方案。此外，許多學者采用意象尺度法[8-10]研究產品風格，對產品形態(tài)要素進行分解，并從設計師的角度出發(fā)，發(fā)展新的產品造型形態(tài)。上述研究為產品風格創(chuàng)新設計提供了多種思路和途徑。然而，現(xiàn)有研究還存在一定的缺陷：多關注于產品造型風格的遺傳或是基于歷史樣本的重組與部分修改，較少研究產品造型風格的過渡性與創(chuàng)新性；大多數(shù)產品造型風格創(chuàng)新設計依賴于設計師自身的經驗和靈感，未從原型理論支持視角對產品造型風格創(chuàng)新普適性設計方法進行研究。

在產品造型設計中，同一類型的產品，甚至不同類型的產品都存在著原型，其影響著整個產品家族，亦影響造型的潛在規(guī)則[11]。基于原型理論的產品創(chuàng)新設計相關研究包括：楚東曉等[12]結合認知心理學的原型理論，基于原型的啟發(fā)創(chuàng)造出與原型相似卻不同的設計風格；張中義等[13]引入原型理論，構建可以反映共性認知的形態(tài)原型；Zhang 等[14]分析了藏語文化元素，并依據(jù)原型理論，完成了產品的創(chuàng)新設計。上述相關研究從各方面反應了原型存在的真實性，同時也驗證了原型是一種相對比較穩(wěn)定的認知結構，其具有遺傳性、過渡性和創(chuàng)新性等特點，與現(xiàn)有研究相比，原型理論可為產品造型創(chuàng)新設計在繼承原有產品風格的基礎上，實現(xiàn)具有過渡性和創(chuàng)新性的產品風格提供了可靠的理論基礎和指導。

文中將原型理論引入產品造型風格創(chuàng)新設計中，采用設計形態(tài)分析提取產品造型風格的原型特征，通過聯(lián)合分析獲取關鍵的原型特征，結合形狀文法生成基于產品造型風格原型的產品造型創(chuàng)新設計方案，并以優(yōu)雅型汽車前臉造型的創(chuàng)新設計予以驗證。

1 產品造型風格創(chuàng)新設計方法

美國心理學家羅施在20 世紀70 年代中期經過一系列研究之后提出了原型理論，羅施的原型理論指出原型不是單指某事物個體的簡單復制造型，而是指整合了事物相關形式或模式的具有強典型性的特征[15]，可見原型是在知識和經驗的基礎上對認知客體進行高度概括的心理表征，是在類型成員中最有代表性、最突出的成員。有的心理學家將原型理解為用戶心中最初的無意識的印象，從產品設計的角度分析，原型就是用戶對產品無意識的認識，由此通過相關的設計方法將原型轉換成真實存在的產品特征進行產品創(chuàng)新設計，能更有效地迎合用戶的喜好。產品造型風格創(chuàng)新設計的過程可以理解為引導用戶對原型進行感知的一個過程，而產品造型的原型構建則依托于對已存客觀產品造型的獲取和表達。原型理論是以原型特征為研究對象的一種設計方法體系，其基本思路為，產品類型研究（具象）-原型特征提?。ǔ橄螅?形式創(chuàng)新（具象）3 個主要階段。

產品造型風格原型是指類風格特征原始的形狀，其表達了類風格特征的形成規(guī)則與形式[16]，即依據(jù)已有的產品歸納出一系列具有代表性的特征。Aldo Rossi 等[17]學者主要從形態(tài)學的角度提取產品的原型特征，將其還原為基本幾何形的構成法則，因此文中產品造型風格原型特征提取主要以產品形狀為基礎?；谠屠碚摰漠a品造型風格創(chuàng)新設計方法流程如下，步驟見圖1。

1）產品造型風格分類，基于感性意象對產品風格進行分類。

2）產品造型設計形態(tài)分析，分解產品造型要素并列舉形狀特征，確定代表性形狀特征。

3）風格原型特征的提取，對代表性形狀特征進行離散度分析，提取分布較穩(wěn)定的形狀特征。

4）形狀要素獲取，通過聯(lián)合分析研究造型要素的權重排序，進而獲取關鍵原型特征。

5）產品造型創(chuàng)新設計，在獲取關鍵原型特征基礎上對產品造型進行創(chuàng)新設計。

1.1 產品造型風格分類

基于原型理論的產品造型風格創(chuàng)新設計方法中首先要解決分類的問題，以保證原型特征提取更加具有針對性[16]?，F(xiàn)有的產品風格分類中，對產品造型設計風格與用戶風格感知關系不大，文中主要從用戶對產品風格的感知角度出發(fā)，基于感性意象對產品造型風格進行分類，過程如下。

1）收集并篩選產品意象詞匯。

2）建立產品意象形容詞關聯(lián)，基于問卷調查及因子分析篩選出具有代表性的感性詞匯。

3）產品風格分類的建立，采用K-均值聚類分析完成產品風格分類的劃分。

1.2 產品形狀特征提取步驟

產品的風格通過造型表現(xiàn)被用戶感知，從而揭示出造型所傳達的象征意義，原型特征則是具有典型性的造型特征。產品造型風格原型特征的提取是原型理論思路的核心階段，也是產品創(chuàng)新設計的一個過渡階段，其目的是使新產品在創(chuàng)新的同時可以繼承原產品的風格。根據(jù)研究類型收集類風格的樣本圖片。為避免色彩對產品造型意象的影響，在研究過程中將樣本作灰度處理，通過語義差異法挑選出具有代表性的產品樣本。

為維持產品造型風格的生命力，提供更有效的創(chuàng)新設計指導，現(xiàn)有研究主要通過設計形態(tài)分析[18]獲取造型風格特征，并應用到新產品中。設計形態(tài)分析法作為產品造型特征提取方法，能夠有效地幫助設計師提取產品的造型特征，以獲取具有代表性的造型風格特征。因此將設計形態(tài)分析運用到原型特征的提取過程，具體應用過程如下[19]。

步驟1：逐一列舉出產品造型的形狀特征；

步驟2：將產品樣本與各個形狀特征進行一一對照并進行打分，每項分值記為式（1）：

步驟3：最后通過累計的分數(shù)確定產品造型風格中的代表性形狀特征。每行總分值（該項風格特征的總分值）記為式（2），每列總分值（該樣本風格特征總分值）記為式（3）。

1.3 產品造型類風格原型特征的提取

基于上述代表性形狀特征，將標準差系數(shù)作為比較的指標，對其進行離散度分析，得到各形狀特征在樣本中的分布情況（式4）。

式中：Vσ表示標準差系數(shù)；σ表示標準差；表示樣本特征評價值的平均值。

比較各樣本形狀特征的標準差系數(shù)，從中提取分布比較穩(wěn)定的形狀特征，即產品造型風格的原型特征J={j1,j2,…,jm}，其中J表示原型特征集合。

1.4 產品造型要素與風格意象的映射

1.4.1 產品形狀特征編碼

根據(jù)設計形態(tài)分析結果，對所獲得的產品形狀特征進行編碼，并將其轉化為二維平面概括性圖形。

1.4.2 基于映射實驗的產品造型風格關鍵原型特征提取

1）樣本選擇。采用數(shù)理統(tǒng)計中的正交計劃減少待測產品數(shù)量，從而減少實驗過程中的樣本數(shù)量。根據(jù)所得的產品形狀特征，通過SPSS 正交計劃生成待測試樣本。

2）實驗實施。選擇相關受試者。基于產品相關感性詞匯建立李克特量表評分問卷，要求受測者根據(jù)自己的感受對正交計劃所生成的待測試樣本打分。

3）結果分析。由實驗得到被測試對象對待測試產品在感性意象上的評分均值，結合正交計劃對收集到的量表數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析[2,21]，其輸出結果為各造型要素在該感性意象中所占的權重和各形狀特征的貢獻率。通過上述結果分析，即可得到產品造型風格關鍵原型特征。

1.5 基于形狀文法的產品造型風格創(chuàng)新設計

形狀文法作為原型理論思路的形式創(chuàng)新階段方法，其優(yōu)勢在于能夠很好地繼承原型特征并生成大量創(chuàng)新設計，從而突出原型特征過渡性的特點，促進原型特征的深度創(chuàng)新設計。形狀文法（Shape Grammar）可以使產品造型風格根據(jù)設計的要求，依據(jù)語法規(guī)則生成新的產品造型并維持原產品的造型風格[22]。目前，形狀文法已被成功運用于多個領域[7,23]，經大量專家學者的驗證得出通過形狀文法可以使新產品在繼承原有造型風格的基礎上，使產品造型具有創(chuàng)新性，對產品造型風格原型特征的傳承和創(chuàng)新具有很大意義?；谛螤钗姆ǖ漠a品造型風格創(chuàng)新設計流程圖見圖2。

圖2 基于形狀文法的產品風格創(chuàng)新設計方法流程圖Fig.2 Flow chart of product style innovative design method based on shape grammar

2 案例驗證

汽車前臉是最能體現(xiàn)汽車風格差異的地方，也是決定消費者是否愿意購買一輛車的主要標準[24]。因此文中將汽車前臉作為研究的對象。

2.1 獲取汽車前臉造型風格類型

1）通過論文、網(wǎng)站等收集和篩選出55 對汽車前臉意象詞匯及68 張汽車前臉樣本，經語義差異法篩選出30 對代表性意象詞匯與36 張代表性汽車前臉圖片樣本。

2）建立汽車意象形容詞關聯(lián)，基于上述30 對意象詞匯與收集的36 張汽車前臉樣本結合制作問卷并收集資料統(tǒng)計，采用主成份分析法對資料矩陣降維處理，共性因子的選擇采取凱莎原則（各題平均共同性最好在0.7 以上）篩選出6 對意象詞匯。

3）通過K-均值聚類對6 個因子分析（見表1），數(shù)值越高表明訪問者對該因子的認同度越高，考慮因子特征和形容詞的概括性將聚類2 中優(yōu)雅的、女性的合為一個因子，以及聚類3 中熱情的、活潑的合為一個因子。綜上所述，汽車前臉造型風格可分為大眾型、熱情型、優(yōu)雅型、豪華型4 類。

表1 最終聚類中心Tab.1 Final clustering center

2.2 汽車前臉形狀特征的提取

依據(jù)汽車前臉分類結果，考慮到目前汽車市場的女性用戶數(shù)量劇增，根據(jù)調查顯示多數(shù)女性用戶更偏向于優(yōu)雅型汽車，因此文中以優(yōu)雅型汽車前臉為例，判別上述36 個樣本所屬的類型，由此篩選出12 個優(yōu)雅型汽車前臉樣本，見圖3。

圖3 優(yōu)雅型汽車前臉樣本Fig.3 Elegant car front face sample

結合文獻[24-25]及專家對汽車前臉樣本的造型要素分析，將汽車前臉的造型要素主要分為前大燈、進氣格柵、前引擎蓋、霧燈等4 個部分，各造型要素對應的形狀特征共15 種。制作樣本設計形態(tài)分析問卷，讓43 位被測試對象根據(jù)5 點法進行打分，運用式（1）得出每個特征所有調查結果的平均值。再經式（2）—（3）得出每項特征在汽車前臉樣本中的總分值和每個汽車前臉樣本具備的優(yōu)雅風格特征總分值。其調查結果經整理見表2。

表2 汽車前臉設計形態(tài)分析結果Tab.2 Analysis results of car front face design form

1）樣本。有6 個樣本的形狀特征評價值總分超過平均值，樣本11 是特征表現(xiàn)最強的汽車前臉樣本。

2）形狀特征。有8 項形狀特征的評價值總分超過平均值。為突出形狀特征的代表性，取總分值超過均值20%的形狀特征作為實驗對象（共6 項），形狀特征編碼分別為3(36.25)、4（29.75）、5（27.875）、9（28.25）、10（26.625）、12（26.5）。

2.3 汽車前臉造型類風格原型特征的提取

對以上6 項代表性形狀特征進行離散度分析，由式（4）得到形狀特征在樣本中的分布情況，分布偏向穩(wěn)定的形狀特征即為汽車前臉造型風格的原型特征，結果見表3。

表3 6 項特征的離散度分析結果Tab.3 Dispersion analysis results of 6 features

根據(jù)分析結果，以標準差系數(shù)低于60%為原則，提取汽車前臉造型風格原型特征。如分布最為穩(wěn)定的前大燈不規(guī)則四邊形、進氣格柵不規(guī)則梯形、前引擎蓋不規(guī)則梯形、霧燈不規(guī)則四邊形作為優(yōu)雅汽車前臉造型的原型。

2.4 汽車前臉造型要素與風格意象的映射

2.4.1 汽車前臉形狀特征編碼

在歸納出的各造型要素對應形狀特征的基礎上，編碼汽車前臉形狀特征，見表4。

表4 汽車前臉形狀要素與形狀特征Tab.4 Shape elements and shape features of car front face

2.4.2 汽車前臉造型風格關鍵原型特征提取

1）樣本選擇。汽車前臉主要由4 個造型要素組成，根據(jù)每個造型要素的形狀特征，可以組合出3×4×3×5=180 種汽車前臉造型。采用正交設計減少待實驗汽車前臉樣本數(shù)量，將汽車前臉樣本從180 種減少到25 種。結果見表5。

表5 正交計劃形成待實驗汽車前臉樣本Tab.5 Orthogonal plan to form the car front face sample to be tested

2）實驗實施。邀請24 位被測試對象，基于25個汽車前臉待測試樣本結合感性意象建立5 點量表評分問卷。要求被測試對象基于問卷，根據(jù)自己對樣本的真實感受完成語義差異法量表。

3）實驗結果分析。統(tǒng)計得到被測試對象對樣本在感性意象上的評分均值，將汽車前臉樣本評價值輸SPSS 中，結合正交計劃進行聯(lián)合分析，從而獲得各汽車前臉形狀要素在優(yōu)雅意象中所占權重，如表6所示。

表6 各造型要素在優(yōu)雅意象評價上的權重和形狀特征的貢獻率Tab.6 The weight of each modeling element in the evaluation of elegant image and the contribution rate of shape features

綜上所述，各造型要素根據(jù)權重排序為：ΦB>ΦD>ΦA>ΦC。由此得出，汽車前臉原型特征中，進氣格柵不規(guī)則梯形、霧燈不規(guī)則四邊形是最為關鍵風格原型特征，前大燈不規(guī)則四邊形次之，前引擎蓋不規(guī)則梯形占比最小。

2.5 汽車前臉造型類風格設計推演

2.5.1 初始形狀確定

依據(jù)汽車前臉造型風格原型特征提取結果結合映射實驗，在汽車前臉造型風格創(chuàng)新設計過程中，應在關鍵風格原型特征（進氣格柵、霧燈、前大燈）塑造強烈的風格，其中將汽車前臉造型風格關鍵原型特征作為形狀文法的初始形狀，并對初始形狀進行編碼，見圖4。

圖4 初始形狀Fig.4 Initial shape

2.5.2 語法規(guī)則的選取

為繼承汽車前臉原有的造型風格，對汽車前臉關鍵風格原型特征采用放射變換和貝塞爾曲線方法進行非精準性的變形，使其更大程度地繼承了汽車前臉風格。再通過生成性規(guī)則（置換、添加）對權重因子小的前引擎蓋進行創(chuàng)新設計，即R={仿射變化、貝塞爾曲線變換、置換、添加}。

2.5.3 確定約束條件

通過對汽車前臉的結構分析，確定其主要的約束為：汽車前臉的長高之比為1

2.5.4 推演設計

通過形狀文法基本規(guī)則，運用計算機輔助設計軟件對初始形狀進行矢量圖處理。

按照形狀文法規(guī)則形式定義α→β，初始形狀用I來表示，另外用R表示設計規(guī)則，阿拉伯數(shù)字則表示不同變化的區(qū)分，例如貝塞爾曲線變化Rb1、Rb2。變化后的形狀用I1h表示，1 代表進氣格柵，h 角標表示為變換后的進氣格柵，其他形狀以此類推。

對I1、I2、I3執(zhí)行Rf、Rb語法規(guī)則，各自生成幾種圖形。同時對I4執(zhí)行Rz、Rt語法規(guī)則，再生成幾種圖形。具體規(guī)則變化見圖5。

2.5.5 設計方案

根據(jù)制定的形狀文法規(guī)則，依據(jù)汽車前臉初始推演的形狀對圖形進行形狀重組，形成種類龐大的產品設計方案。邀請經驗豐富的設計師依據(jù)美感和可實現(xiàn)性并結合問卷調查提取4 種產品組合進行造型設計方案，見圖6。

圖6 4 款汽車前臉初步方案Fig.6 Preliminary scheme of 4 kinds car front face

以方案一為例的設計方案為，貝塞爾曲線變形1項：前大燈。放射變換2 項：進氣格柵、霧燈。置換1 項：前引擎蓋。重組方案見表7。

表7 方案1 汽車前臉造型重組方案Tab.7 Car front face modeling reorganization scheme

2.5.6 創(chuàng)新方案評價

采用5 階SD 法對4 款新方案調查問卷評價。評價結果顯示，4 款方案的優(yōu)雅意象風格分值都在平均分以上，驗證設計符合要求，方案1 風格符合程度最高，說明該方法可以有效延續(xù)產品造型風格，并得到產品的新設計方案。

3 結語

通過原型理論方法思路（產品類型-原型提取-形式創(chuàng)新）來指導產品造型風格的創(chuàng)新設計流程。運用設計形態(tài)分析、離散度分析提取汽車前臉造型類風格的原型特征為：前大燈不規(guī)則四邊形、進氣格柵不規(guī)則梯形、前引擎蓋不規(guī)則梯形、霧燈不規(guī)則四邊形。運用SPSS 中的正交計劃結合聯(lián)合分析對優(yōu)雅型汽車前臉造型要素進行權重排序，得到關鍵原型特征，并將其應用到形狀文法創(chuàng)新設計中，既突出原型特征的過渡性又保證了創(chuàng)新設計過程中風格的繼承性與創(chuàng)新性。以“優(yōu)雅型”風格為例，驗證了文中所提出的方法，并對汽車前臉進行了創(chuàng)新，進一步評估了創(chuàng)新方案，證明了研究所提出的方法具有可行性。針對原型特征研究依托于大量歷史樣本的調研，對新產品的創(chuàng)新具有局限性，單一原型特征與其他因素之間的關系需要進一步探究，以保證研究的科學性和正確性。