高 矚 吉曉民 郭 魂 史 麗

1.西安理工大學,西安,710048 2.常州工學院,常州,213002

品牌產(chǎn)品造型設(shè)計中形態(tài)傳承的分析與評價

高 矚1,2吉曉民1郭 魂2史 麗2

1.西安理工大學,西安,710048 2.常州工學院,常州,213002

提出了產(chǎn)品造型設(shè)計形態(tài)傳承度的概念,闡述了產(chǎn)品形態(tài)傳承的基本思想,并基于感性工學原理從設(shè)計語意的量化上確定了形態(tài)傳承的判據(jù),提出了形態(tài)傳承的評價與優(yōu)化方法。該研究為設(shè)計師進行品牌產(chǎn)品造型設(shè)計提供了概念生成的理論依據(jù),也為品牌產(chǎn)品造型輔助設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

品牌產(chǎn)品;形態(tài)傳承;傳承度;分析與評價

0 引言

產(chǎn)品形態(tài)是信息的載體,是設(shè)計師向大眾傳達思想和理念的物化,更是產(chǎn)品文化、身份的精神象征,是贏得大眾心理共鳴的設(shè)計語意表現(xiàn)形式之一。在品牌產(chǎn)品的造型設(shè)計中,為了創(chuàng)新和傳承一大批工業(yè)產(chǎn)品的品牌風格,保持產(chǎn)品品牌“生命力”的設(shè)計要義,必須要批判地傳承產(chǎn)品的形態(tài)語意。然而,品牌產(chǎn)品的風格傳承和創(chuàng)造性往往是一對矛盾,如何在品牌產(chǎn)品的創(chuàng)造性設(shè)計中,既能有序地進行創(chuàng)造設(shè)計,又能批判地傳承原有的形態(tài)設(shè)計風格,已成為當今國內(nèi)外工業(yè)設(shè)計學術(shù)界和企業(yè)實踐中亟待解決的問題,它需要一套理性而又可操作的分析和評價方法,以指導(dǎo)品牌產(chǎn)品沿襲其持續(xù)一致的設(shè)計風格。

自20世紀中葉以來,國內(nèi)外各大著名品牌企業(yè)及專家學者一直致力于保持產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計風格一致性的研究,研究方法主要有形狀文法、感性工學法、認知心理學法、模式識別法等。Stiny[1]沿用語言學中衍生文法的概念首先提出了形狀文法,即通過形狀的文法關(guān)系與規(guī)則來描述設(shè)計的空間組織或造型組成。潘云鶴[2]利用形狀文法進行了圖案設(shè)計和建筑風格的模擬。孫守遷等[3]提出了基于組件約束的風格概念生成技術(shù),定義了非風格特征線與特征線之間的約束關(guān)系,實現(xiàn)基于產(chǎn)品風格認知模型的計算機輔助概念設(shè)計原型系統(tǒng)。Chang等[4]以32款手機為樣本,利用分組認知試驗,總結(jié)出了影響手機外形相似性的兩大主要因素:總體印象和局部特征,并分析了這兩大因素對區(qū)分手機造型相似性的影響,進而用簇分析方法對32款手機進行了分類。黃琦等[5]采用多向度評測(MDS)方法提取產(chǎn)品風格特征,根據(jù)特征的識別算法和相似性算法檢索和匹配產(chǎn)品風格。Chen等[6]將復(fù)合式感性工學應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)之整合性研究,借助各種調(diào)查技術(shù)與分析方法獲取了產(chǎn)品風格與造型要素之間的關(guān)系,根據(jù)風格描述建立定性信息與幾何建模之間的映射規(guī)則,提出了應(yīng)用基本形體和整體處理方法來構(gòu)造與風格關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品形態(tài)建?；A(chǔ)結(jié)構(gòu),初步實現(xiàn)了根據(jù)風格描述來設(shè)計產(chǎn)品造型。Xie等[7]還以手機為例,探討了人類對立體形狀特征的心理認知過程,試圖建立消費者與設(shè)計師對于產(chǎn)品造型特征與風格認知之間的關(guān)系。此外,在基于產(chǎn)品特征的形狀混合技術(shù)[8]、零件加工的成組技術(shù)中對產(chǎn)品的特征表達[9]、品牌特征族的個性化產(chǎn)品造型設(shè)計[10]等方面,專家學者也作了較為深入的研究。

總體來看,大多數(shù)學者集中于設(shè)計文化和設(shè)計風格、產(chǎn)品主題造型特征的保持與創(chuàng)新、計算機輔助造型設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)等較為理性的研究,而關(guān)于造型形態(tài)的量值分析及傳承關(guān)系的研究還比較少。本文提出了品牌產(chǎn)品造型形態(tài)傳承度的概念,建立了形態(tài)傳承的分析和計算模型,提出了形態(tài)傳承的評價與優(yōu)化方法。

1 形態(tài)傳承度的基本定義

形態(tài)由若干個結(jié)構(gòu)分形體以鄰接的拓撲關(guān)系構(gòu)成,包括各分體的形狀、大小、拓撲關(guān)系及相對位置四部分。形態(tài)傳承度是指產(chǎn)品形態(tài)繼承和創(chuàng)新的程度,它以產(chǎn)品形態(tài)原型為模型進行形態(tài)整體和各分體的傳承度的計算。

1.1 產(chǎn)品形態(tài)原型

產(chǎn)品形態(tài)原型是將最貼近產(chǎn)品各分體形態(tài)的簡單幾何形體,按原有的拓撲關(guān)系及其相對關(guān)系進行重構(gòu)而形成的三維模型。這里的簡單幾何形體是指分體的最適包圍盒,最適包圍盒是指包含該形體的長方體、圓柱體、球體最小包圍盒中體積最小的包圍盒。如圖1所示,產(chǎn)品形態(tài)原型分為整體層、分體層和幾何層三層結(jié)構(gòu)。整體層表達形態(tài)原型的整體結(jié)構(gòu);分體層表達各分體最適包圍盒間的結(jié)合關(guān)系及相對關(guān)系,結(jié)合關(guān)系屬鄰接類型,相對關(guān)系包括分體間相對體量、相對線性尺度和相對位置的比較關(guān)系;幾何層表達各分體最小包圍盒和最適包圍盒的特征參數(shù)。當新舊產(chǎn)品的形態(tài)原型中各分體最適包圍盒間的拓撲關(guān)系一致時,稱為形態(tài)同構(gòu)。本文研究的形態(tài)傳承度計算方法為基于形態(tài)同構(gòu)的算法。

各分體的相對關(guān)系包括相對體量、相對位置、相對線性尺度三種類型。

1.2 形態(tài)傳承度的數(shù)學概念

形態(tài)傳承度計算以新舊兩個產(chǎn)品形態(tài)原型的體量或?qū)?yīng)傳承度為輸入,以組合傳承度為輸出,計算通常為數(shù)據(jù)對象間的加權(quán)閔可夫斯基距離。輸出值越小,表明前后兩個產(chǎn)品造型的傳承度越高。

圖1 產(chǎn)品形態(tài)原型的層次表示

定義1 傳承度函數(shù)量表示。一般來說,傳承度函數(shù)量可表示為如下映射:

本文以式(2)來計算新舊兩個造型形態(tài)各傳承度對應(yīng)指標之間的閔可夫斯基距離,k值取2。

定義3 ε-相似。當且僅當對象p和q之間的距離小于ε,即D(p,q)＜ε時,稱對象p與q為ε-相似。ε在本文中即為品牌產(chǎn)品形態(tài)傳承的閾值,是形態(tài)傳承中設(shè)計風格遺傳和變異尺度的界限,它由人機工學、感性工學、價值認可度等約束條件確定。當ε=0時,稱兩個對象完全傳承。

2 形態(tài)傳承的分析與計算

2.1 形態(tài)傳承的模型

圖2為品牌產(chǎn)品形態(tài)傳承模型樹狀圖,品牌產(chǎn)品形態(tài)由各分體形態(tài)及各分體的拓撲和相對關(guān)系三部分組成。各分體形態(tài)被賦予長方體、圓柱體、球體最小包圍盒,以獲得其體量值,分體以最適包圍盒為準形態(tài),基于感性工學原理通過語意關(guān)聯(lián)獲取其設(shè)計語意。一方面可以基于感性工學原理通過語意關(guān)聯(lián)獲取對應(yīng)的設(shè)計語意,另一方面它們將基于拓撲關(guān)系構(gòu)建出形態(tài)原型廣義鄰接矩陣(GAM)。形態(tài)的整體傳承包括分體集傳承和GAM傳承兩部分。

2.2 形態(tài)傳承度的計算方法

形態(tài)傳承度分為整體傳承度和各分體傳承度。整體傳承度以產(chǎn)品的形態(tài)傳承模型為基礎(chǔ),包括分體集傳承度矩陣和形態(tài)鄰接關(guān)系傳承度矩陣兩部分。分體集傳承度矩陣元素由根據(jù)各分體的三種最小包圍盒的體量參數(shù)計算出的飽和度或相對尺度集成而得;形態(tài)原型廣義鄰接關(guān)系傳承度矩陣元素由各分體最適包圍盒間的拓撲和相對關(guān)系比較量集成而得,它們都是品牌產(chǎn)品造型創(chuàng)新設(shè)計中“批判吸收”的科學設(shè)計理念的形式化表現(xiàn)。

圖2 品牌產(chǎn)品形態(tài)傳承模型

圖3 三種最小包圍盒的參數(shù)表示

可以將各分形體的包圍盒參數(shù)用矩陣形式表示,每個分體的包圍盒有21個特征參數(shù)(圖3),即 xi1,xi2,…,xi21。其中 ,xi1、xi2、xi3為長方體最小包圍盒之長、寬、高;xi4、xi5為圓柱體最小包圍盒之底圓直徑和高;xi6為球體最小包圍盒直徑;xi7、xi8、xi9為長方體最小包圍盒中心點的坐標;xi10、xi11、xi12為長方體最小包圍盒之長邊分別與X 、Y 、Z 軸的夾角;xi13、xi14、xi15為圓柱體最小包圍盒中心點的坐標;xi16、xi17、xi18為圓柱體最小包圍盒軸線與三坐標軸的夾角;xi19、xi20、xi21為球體最小包圍盒中心的坐標。每一個分體的21個參數(shù)構(gòu)成一個行矩陣, 即 F′=[Fij] =[xi1 xi2 … xi21],以表達各分體的形體特征,i為分體號,j=1,2,…,21。

2.2.1 分體集包圍盒參數(shù)矩陣的建立

2.2.2 分體集傳承度矩陣的建立

分體集傳承度矩陣的每一行為對應(yīng)某一分體的飽和度傳承度和相對尺度傳承度兩項內(nèi)容,其中飽和度是指分體與球體、圓柱體、長方體三種包圍盒體積之比值(圖3)。由于產(chǎn)品形態(tài)的變化導(dǎo)致包圍盒體積的不同,且產(chǎn)品自身體積也在發(fā)生變化,故新舊產(chǎn)品飽和度比較值是一個變化的數(shù)。相對尺度是指新舊產(chǎn)品的包圍盒上對應(yīng)的特征尺寸之比值。新舊產(chǎn)品之間的飽和度傳承度和相對尺度傳承度的計算可按式(2)進行。

設(shè)V′i和Vi是新舊產(chǎn)品分體i的體積,V′ij和Vij是對應(yīng)分體i三個包圍盒體積,則新舊產(chǎn)品分體i的飽和度可分別表述為

2.2.3 形態(tài)原型廣義鄰接關(guān)系傳承度矩陣的建立

產(chǎn)品的形態(tài)原型建立后,即可建立起相應(yīng)的形態(tài)原型廣義鄰接矩陣(具體構(gòu)建方法將在另文論及)。GAM模型對形態(tài)原型結(jié)構(gòu)信息的描述較為全面,矩陣族F3中非φ量均為各分體中影響設(shè)計風格的流比較量,如:

其中,k=1,2,3,4。圖4表示了F3中矩陣的嵌套關(guān)系,Vi和Vj分別為行和列中分體,列中的分體Vj作為信息提供者,行中的分體Vi作為信息接收者。矩陣中MAk為分體Vi和Vj之間存在的信息依賴關(guān)系。當m(Vi,Vj)=φ時,表示分體Vi和Vj之間不存在信息依賴關(guān)系。在矩陣F3中,分體V2接受V1輸出的信息。Ci和Cj分別為分體間的流類型,Iki(i=1,2,…,8)為相應(yīng)行列間的迭代,Ik1為體量流的T元素,Ik2為兩分體最適包圍盒體積比,Iki(i=3,4,5)為兩包圍盒在 X、Y、Z方向線性尺寸比,Iki(i=6,7,8)為兩包圍盒中心點在X、Y、Z方向的坐標差。從下至上,每層都代表著形體拓撲關(guān)系的考察評價項目,也是產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計風格描述的對象之一。

圖4 廣義鄰接矩陣的嵌套關(guān)系圖

新舊產(chǎn)品形態(tài)原型廣義鄰接關(guān)系傳承度矩陣中每一水平層傳承度的值C A i可按下式計算:

2.2.4 形態(tài)整體傳承度的計算

形態(tài)整體傳承度C由分體集傳承度矩陣及形態(tài)原型廣義鄰接關(guān)系傳承度矩陣中的元素集成,分體集傳承度為

2.2.5 權(quán)重系數(shù)的確定方法

系統(tǒng)中對象間組合的優(yōu)先次序并不同。本文通過引入模糊一致關(guān)系,將各屬性的優(yōu)先次序轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)值,實現(xiàn)對優(yōu)先次序的定量描述,具體的權(quán)重計算方法參見文獻[11]。

3 形態(tài)傳承判據(jù)的確定法則

產(chǎn)品形態(tài)傳承的判據(jù)以矩陣的形式表現(xiàn),它是產(chǎn)品各分體及其拓撲、相對關(guān)系傳承閾值的集合,其矩陣元素與分體集傳承度矩陣和形態(tài)原型廣義鄰接關(guān)系傳承度矩陣各元素對應(yīng)。

3.1 形態(tài)傳承判據(jù)矩陣的基本概念

產(chǎn)品形態(tài)傳承的判據(jù)矩陣是控制形態(tài)原型整體和各分體傳承程度的界限,是形態(tài)進行遺傳和變異的尺度。新舊產(chǎn)品形態(tài)的最優(yōu)語意等級矩陣進行差運算后,同位矩陣元素差值δ=1,則對應(yīng)矩陣元素值εi=0.1(依據(jù)感性工學可作適當調(diào)整)。矩陣E=[εi](i為矩陣的元素號)即為形態(tài)傳承判據(jù)矩陣。最優(yōu)語意等級矩陣與分體集傳承度矩陣、形態(tài)原型廣義鄰接關(guān)系傳承度矩陣相對應(yīng),其概念將另文述及。

3.2 形態(tài)傳承判據(jù)矩陣的構(gòu)成

產(chǎn)品形態(tài)的傳承度矩陣F由分體集傳承度矩陣FF和形態(tài)原型廣義鄰接關(guān)系傳承度矩陣FG組成。對應(yīng)于傳承度矩陣,形態(tài)傳承判據(jù)矩陣E由分體集傳承判據(jù)矩陣E1和分體組合傳承判據(jù)矩陣E2組成。其中,E1為一維列矩陣,E1=[εi](i=1,2,…,n),E2為分體組合相對應(yīng)的矩陣,E2=[εAi](i=2,3,…,8)。

4 形態(tài)傳承的評價與優(yōu)化

4.1 形態(tài)傳承的評價

形態(tài)傳承的評價分為整體評價和各對應(yīng)特征屬性評價兩類,特征屬性評價采用矢量、張量分析方法對對應(yīng)元素逐個分析比較,即Ci＜εi,i=1,2,…,n;C A i＜εA i,i=2,3,…,8。

整體評價采用對應(yīng)于式(7)～式(9)的同樣的閾值權(quán)值進行形態(tài)判據(jù)矩陣各元素的合成,然后將產(chǎn)品形態(tài)整體傳承度C與合成判據(jù)E比較,即C＜E。

4.2 產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在產(chǎn)品形態(tài)原型傳承評價的基礎(chǔ)上,可以通過傳承模型對相應(yīng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,以提高與客戶所需產(chǎn)品設(shè)計風格的符合度,為產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計提供理論依據(jù)。

優(yōu)化工作主要有:在形態(tài)原型不變的情況下,對產(chǎn)品進行個性化變型,即改變形態(tài)原型中各分體的最適包圍盒的形狀或大小,通過局部形態(tài)的變化,尤其是重要視覺元素的變化來優(yōu)化產(chǎn)品整體設(shè)計風格;調(diào)整形態(tài)原型中各分體最適包圍盒間的拓撲關(guān)系,或調(diào)整各分體最適包圍盒間相對體量、線性尺寸比、相對位置尺寸,來優(yōu)化產(chǎn)品形態(tài)的整體設(shè)計風格。

5 應(yīng)用實例

以某品牌電動沖擊鉆為例進行驗證。圖5和圖6分別為沖擊鉆改良設(shè)計前后的造型,很顯然它們鉆頭的形態(tài)完全一致,而其他組成分體形態(tài)則有一定的變化。圖7和圖8分別為它們的形態(tài)原型,圖9顯示了新產(chǎn)品四個分體的三種包圍盒,根據(jù)新舊產(chǎn)品的 F1、F2、F3元素值,按照式(3)～式(9),即可計算出沖擊鉆整體和分體的傳承度(表1、表2)。式(3)～式(9)中權(quán)重系數(shù)將基于沖擊鉆的設(shè)計風格具體給定(略)。

圖5 舊產(chǎn)品造型

圖6 新產(chǎn)品造型

圖8 新產(chǎn)品形態(tài)原型

圖7 舊產(chǎn)品形態(tài)原型

圖9 三種包圍盒

表1 沖擊鉆GAM中傳承度值

表2 產(chǎn)品各項傳承度值

表1、表2中的數(shù)據(jù)表明,傳承度的數(shù)值能很好地反映新舊產(chǎn)品形態(tài)的傳承性,傳承度越小,傳承性越好。例如,鉆夾頭的飽和度和相對尺度傳承度均為0,說明新舊產(chǎn)品的形態(tài)是完全一樣的;從鉆體的傳承性來看,C11=0.15和C21=0.08說明鉆體形態(tài)變化不大;C13=0.36和C23=0.12說明前柄形態(tài)飽和度有著較大的變化;從整體形態(tài)來看,由于C=0.22,較小,通過確定適當?shù)拈撝礒=0.25,可以認為新產(chǎn)品在形態(tài)上較好地保持了設(shè)計風格。

6 結(jié)束語

品牌產(chǎn)品形態(tài)的傳承作為一種延續(xù)品牌“生命力”的設(shè)計要義,已成為企業(yè)鞏固其核心競爭力的法寶。本文提出了產(chǎn)品造型設(shè)計形態(tài)傳承度的概念,理性地建立了產(chǎn)品形態(tài)傳承度計算的基本思想,并構(gòu)建了其計算法則,研究工作將為設(shè)計師進行品牌產(chǎn)品造型形態(tài)設(shè)計提供概念生成的理論依據(jù),也為品牌產(chǎn)品造型設(shè)計輔助系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計風格的變化度測算奠定了基礎(chǔ)。

在本文工作的基礎(chǔ)上,后續(xù)將研究:①通過對幾種品牌產(chǎn)品的實例分析,驗證和完善形態(tài)傳承度指標體系和計算法則;②開發(fā)基于形態(tài)傳承度理論的品牌產(chǎn)品造型設(shè)計輔助系統(tǒng)。

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Analysis and Evaluation of Form Inheritance in Con figuration Design of Brand Products

Gao Zhu1,2JiXiaom in1Guo Hun2Shi Li2
1.Xi'an University of Technology,Xi'an,710048 2.Changzhou Institute of Techno loge,Changzhou,Jiangsu,213002

A new concept,product configuration design “inheritance degree” was proposed,analyzed and constructed rationally the basic thoughts of product configuration inheritance,based on princip lesof kanseiengineering to ensure the criteria of inheritance from quantizing design semantics.A method of evaluation and optimization of themorphological criteriawas put forward.The research p rovides the theoretical basis of the generation o f concep ts for designers to exploitbrand p roducts and lays a theoretical foundation for the development of brand product configuration design of auxiliary system.

brand p roduct;form inheritance;inheritance degree;analysis and evaluation

TP391

1004—132X(2011)11—1341—06

2010—07—19

陜西省自然科學基金資助項目(2010JM 7011);國家自然科學基金資助項目(50905087)

(編輯 袁興玲)

高 矚,男,1965年生。西安理工大學藝術(shù)與設(shè)計學院碩士研究生導(dǎo)師,常州工學院機電工程學院副教授、博士。主要研究方向為產(chǎn)品造型設(shè)計理論、工業(yè)設(shè)計信息化。吉曉民,男,1958年生。西安理工大學藝術(shù)與設(shè)計學院教授、博士研究生導(dǎo)師。郭 魂,男,1975年生。常州工學院機電工程學院副教授、博士。史 麗,女,1980年生。常州工學院藝術(shù)與設(shè)計學院講師。