軌道客車車廂LED照明系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)

吳 菲，趙銀花

（長春工業(yè)大學(xué) 軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引 言

隨著鐵路客車、動(dòng)車組、城軌車等軌道客車的發(fā)展，軌道客車車廂環(huán)境品質(zhì)的打造被人們提到了一定的高度，軌道客車車廂的燈光照明設(shè)計(jì)是其中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。LED光源以其體積小、質(zhì)量輕、釋放熱能少、使用電壓低等一系列優(yōu)勢，成為燈具造型設(shè)計(jì)中最活躍、最具創(chuàng)作動(dòng)力、最能激發(fā)燈具設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)構(gòu)思的設(shè)計(jì)因素［1］，并且逐漸成為取代傳統(tǒng)光源的新的車廂內(nèi)室照明。人們對(duì)LED技術(shù)的深入研究使得LED的制造工藝有了巨大的進(jìn)步。發(fā)光效率的提高、新材料的開發(fā)和應(yīng)用、超亮度白光LED的出現(xiàn)等都使LED應(yīng)用的領(lǐng)域得以擴(kuò)大，各種各樣造型的LED燈具也慢慢出現(xiàn)在我們周圍。在軌道客車車廂照明設(shè)計(jì)領(lǐng)域，LED的研究既是技術(shù)也是一種藝術(shù)［2］。優(yōu)秀的軌道客車車廂LED照明系統(tǒng)可以使人們在旅途中減少疲勞感，并在視覺上帶來美的享受。軌道客車車廂LED照明系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)要與車內(nèi)空間的大小、形狀等屬性相協(xié)調(diào)一致，還要符合空間的總體藝術(shù)要求，形成一定的環(huán)境氛圍。優(yōu)秀的LED照明系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)有助于明確各種設(shè)備的造型輪廓，豐富空間的層次感。

1 軌道客車車廂LED照明外觀設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件

LED燈具造型設(shè)計(jì)與一般的燈具造型設(shè)計(jì)程序和方法基本相同［3］。符合其設(shè)計(jì)要求的計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用軟件應(yīng)具有二維制圖、三維造型、編輯、動(dòng)畫等功能。同時(shí)，除了直觀體現(xiàn)LED燈具的形狀、大小、色彩及材質(zhì)外，還要通過應(yīng)用軟件模擬出光源的色彩強(qiáng)度和投射形式等。除了Rhino，AutoCAD等主流燈具設(shè)計(jì)軟件外［4］，3ds max能提供燈具各個(gè)平面視圖和透視圖模型展示等功能。

燈具設(shè)計(jì)人員往往會(huì)面臨兩個(gè)問題：一是很難把握燈具外形與環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系；二是難以將自己設(shè)計(jì)的構(gòu)想迅速模擬出來。3ds max強(qiáng)大的三維建模功能可以解決設(shè)計(jì)人員遇到的這兩個(gè)問題。

3ds max是專業(yè)的三維制圖、動(dòng)畫制作的軟件。該軟件在三維造型、場景模擬、視覺效果、動(dòng)畫制作等各方面具有強(qiáng)大的功能。其三維造型靈活方便，能夠很逼真地反映出燈具模型的真實(shí)光照效果和外觀的造型效果。在3ds max中，設(shè)計(jì)者可以利用其中的材質(zhì)編輯器來建立存儲(chǔ)燈具外觀設(shè)計(jì)中需要用到的顏色和貼圖。這樣可以大大減輕繪制LED燈具產(chǎn)品效果圖的工作量。所以，如果應(yīng)用3ds max進(jìn)行LED燈具造型的設(shè)計(jì)，能更準(zhǔn)確地反映出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，更直觀地展示燈具外觀造型，起到事半功倍的效果。

3ds max從各個(gè)視圖顯示燈具外觀，如圖1所示。

圖1 3ds max從各個(gè)視圖顯示燈具外觀

2 軌道客車車廂LED照明造型設(shè)計(jì)

軌道客車車廂LED燈具的外觀是受到若干個(gè)要素所共同影響的，如形態(tài)、色彩和材料等。這些要素之間相互影響、緊密聯(lián)系。只有分別對(duì)每個(gè)要素進(jìn)行分析，才能找到好的突破點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)LED燈具外觀創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 形態(tài)要素設(shè)計(jì)

軌道客車車廂LED燈具的形態(tài)設(shè)計(jì)要遵循科學(xué)性與藝術(shù)性有機(jī)結(jié)合的原則，讓燈具設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多元化的設(shè)計(jì)趨勢。LED燈具的形態(tài)在設(shè)計(jì)時(shí)從兩個(gè)方面入手。

2.1.1 幾何形態(tài)造型法

幾何形態(tài)造型法就是運(yùn)用分割、組合、變異等手法來實(shí)現(xiàn)形態(tài)的創(chuàng)新［5］。常利用一切規(guī)則的圓形、方形等便于制作的形態(tài)來傳遞出莊重、樸實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母杏X。例如現(xiàn)在的軌道客車車廂中，LED燈具的外觀最常應(yīng)用的就是這種長方形的平面光源結(jié)構(gòu)。這種幾何形態(tài)的LED燈具造型簡潔、含蓄又凝練，構(gòu)成了干凈利落的視覺效果。幾何形態(tài)造型法的運(yùn)用更有助于材料的結(jié)合。例如一些金屬材質(zhì)，由于工藝上的限制，只能做到一些規(guī)則的形態(tài)。

幾何形態(tài)LED燈具造型如圖2所示。

圖2 幾何形態(tài)LED燈具造型

在3ds max中，可以使用多種方法來完成規(guī)則幾何形態(tài)的創(chuàng)建，創(chuàng)建面板中的Standard Primitives（標(biāo)準(zhǔn)基本體）和 Extended Primitive（擴(kuò)展基本體）就自帶了多種三維幾何圖形。

對(duì)于稍復(fù)雜的幾何形態(tài)，可以借助于Loft（放樣）命令。Loft命令的建模思路是先使用二維畫圖工具繪制出物體的軸截面圖，再繪制出截面圖作軸向拉伸的路徑（直線或曲線），然后用Loft命令將截面圖沿路徑放樣完成初步建模工作。接下來利用Loft物體的 Modify（修改）命令，將其變形成為所需要的形狀。在變形過程中，常用變形工具集中的Scale（縮放）命令，通過該命令中的增加、刪除控制點(diǎn)、移動(dòng)控制點(diǎn)等方法可以方便地創(chuàng)建出不同形狀的復(fù)雜幾何圖形。

2.1.2 自由形態(tài)造型法

這種自由并不是故作離奇，而是在對(duì)材料深入研究的情況下，通過多元形式與功能的完美結(jié)合來創(chuàng)造一種易于感受的美。這種自由形態(tài)會(huì)產(chǎn)生一種律動(dòng)美，常給人以浪漫的情感體驗(yàn)和無拘無束的舒適感覺。

相對(duì)幾何形態(tài)而言，自由形態(tài)外觀的制作更為復(fù)雜。因此針對(duì)不同形狀特征的燈具，就要采用不同的方法，還要將多種建模手段和變形修改命令結(jié)合起來使用，例如：Lathe（軸旋轉(zhuǎn)）、Loft（放樣）、Extrude（拉伸）、Edit Mesh（編輯網(wǎng)格）、Scale（縮放及擠壓）等。形狀復(fù)雜的燈具可以將它分成幾個(gè)部分分別制作，最后用Group（編組）或Boolean（布爾計(jì)算）將其合并。

我國歷來重視情感交流且有著悠久的文化傳統(tǒng)，中國的傳統(tǒng)文化與設(shè)計(jì)哲學(xué)本身就蘊(yùn)含著情感化的設(shè)計(jì)思想［6］。如果將應(yīng)用情感化設(shè)計(jì)的理念［7］與上述兩種燈具造型方法結(jié)合起來，可應(yīng)用于軌道客車車廂LED的外觀設(shè)計(jì)，使得在快節(jié)奏現(xiàn)代化社會(huì)中生活的乘客們在途中也能感受到良好的乘坐體驗(yàn)。這種設(shè)計(jì)理念最直接的方法就是將中國元素運(yùn)用到LED燈具造型設(shè)計(jì)和外觀裝飾元素的設(shè)計(jì)上。中國的傳統(tǒng)元素有很多，文化風(fēng)格元素、自然風(fēng)格元素、建筑風(fēng)格元素等都可運(yùn)用，如中國的水墨、書法、京戲、皮影、飛天、龍鳳等。也可以在燈具造型上做仿古裝飾，使其既保留了傳統(tǒng)古典風(fēng)格又不乏現(xiàn)代的氣息。還可以使用植物紋、動(dòng)物紋、幾何紋等進(jìn)行裝飾。

中國元素在LED燈具造型中的運(yùn)用如圖3所示。

圖3 中國元素在LED燈具造型中的運(yùn)用

2.2 材質(zhì)要素設(shè)計(jì)

材質(zhì)可以決定或改變風(fēng)格，是LED燈具造型設(shè)計(jì)中重要的元素之一。材質(zhì)要素的運(yùn)用不僅僅體現(xiàn)在單一材質(zhì)的表現(xiàn)上，更體現(xiàn)在多種材料的組合對(duì)比之中。如何在有限的材料中選擇組合以及加工處理出全新的體驗(yàn)是尤為重要的。

燈具外觀設(shè)計(jì)本身的選材可以非常豐富，既可以使用人工合成的材料，如不銹鋼、塑料、玻璃，也可以使用自然的材料，如陶瓷、藤、木等。不同材料會(huì)傳達(dá)出不同的情感特征，給人以不同的心理感受。但具體到客車車廂的LED燈具材料，在選擇時(shí)需考慮到功能性與LED本身的特點(diǎn)。因?yàn)長ED的發(fā)光亮度大，很容易使光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。所以在?duì)LED燈進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)考慮到散熱的問題，如散熱不及時(shí)，其使用壽命將大大降低。

針對(duì)軌道客車車廂設(shè)計(jì)的LED燈具材料采用了金屬材質(zhì)與塑質(zhì)材質(zhì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)手法。燈具的邊框裝飾線使用金屬材質(zhì)中的鋁制材料，鋁制外殼不僅外觀精美、重量輕且易散熱，而且LED燈具本身具有科技感，采用金屬質(zhì)感可以更好地傳達(dá)出科技?xì)庀?、滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)所追求的簡潔美和韻律美。燈罩部分使用塑質(zhì)材質(zhì)，塑質(zhì)材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、透光性較好、可塑性強(qiáng)、材料柔和，給車廂環(huán)境添加溫馨的氣氛。塑質(zhì)不同于塑料，它經(jīng)過特殊的加工處理，即使受熱也不會(huì)輕易變形［8］。

利用3ds max中的材質(zhì)編輯器，通過對(duì)LED燈具的外觀材質(zhì)Opacity（不透明度）、Noise（噪音度）、Specular level（鏡面反射度）、Glossiness（光澤度）等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，來模擬金屬、鋁制、塑質(zhì)、高分子材料等。

利用材質(zhì)編輯器模擬透明材質(zhì)如圖4所示。

圖4 利用材質(zhì)編輯器模擬透明材質(zhì)

2.3 色彩要素設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，色彩的存在必須依附于造型，只有當(dāng)色彩與形態(tài)結(jié)合在一起時(shí)，才能具有極強(qiáng)的表現(xiàn)特征［9］。LED燈具外觀中的色彩，不僅要研究其色相、明度與純度的關(guān)系，還要研究色彩對(duì)人的心理、生理上產(chǎn)生的情感。LED燈具的色彩可以表達(dá)出不同的情緒，可以使燈具本身更有生命力。

LED照明系統(tǒng)的色彩在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了對(duì)比調(diào)和的形式美法則，采用暖黃色的光源。在軌道客車車廂中，人們在很多情況下并不需要很亮的白光，偏暖的黃光更適合乘客們心理和生理上的感受。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，三基色的LED可以實(shí)現(xiàn)亮度、灰度、顏色的連續(xù)變換和選擇，使燈具的照明從普遍意義上的白光擴(kuò)展為多種顏色的光［10］。本設(shè)計(jì)把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到軌道客車車廂中，可以讓乘客根據(jù)整體照明需要來設(shè)定照明的效果。例如在北方寒冷的冬季，車廂內(nèi)運(yùn)用暖光源來使乘客增添溫暖的心理感受。而炎熱的夏季則適合運(yùn)用冷光源，帶給乘客涼爽清新的氛圍。所以本設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同空間、時(shí)間來選擇并控制LED燈的亮度、灰度和顏色，模擬出各種光環(huán)境來引導(dǎo)、改善乘客情緒，體現(xiàn)更人性化的照明環(huán)境。

通過在3ds max中設(shè)置材質(zhì)編輯器Diffuse（反射）的RGB值來調(diào)節(jié)出色彩。借助系統(tǒng)自帶的光源面板模擬出光源顏色，最后在背景面板中設(shè)置一張背景圖片，就完成了燈具外觀效果圖的制作。通過這種方法設(shè)置的色彩和燈光，可以使燈具外觀表面光滑細(xì)膩、線條清晰、立體感強(qiáng)、富有質(zhì)感。

調(diào)節(jié)反射面板中的RGB值來確定色彩，如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)反射面板中的RGB值來確定色彩

除上述外，設(shè)計(jì)師還需反復(fù)推敲燈具外型和功能之間的關(guān)系、LED燈具與人的尺度關(guān)系、車廂內(nèi)整體與局部之間的比例關(guān)系等細(xì)節(jié)，例如燈具的按鈕、開關(guān)、旋鈕等操作和控制部件的處理。有時(shí)成功的設(shè)計(jì)往往是由這些精心刻畫的細(xì)節(jié)所決定的。LED燈具造型的首要目的在于其使用功能的實(shí)現(xiàn)，所以不能僅停留在燈具外觀的優(yōu)美性上，要使乘客們在一次次使用體驗(yàn)中感受到適用性、功能性，這才是LED燈具造型設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。

因此，對(duì)LED燈具外觀造型的研究要結(jié)合形式美法則原理，從形態(tài)、材料和色彩等方面來綜合設(shè)計(jì)。盡管由于人們生活背景的差異，不同造型對(duì)于不同背景下的受眾會(huì)產(chǎn)生不同的寓意，但在一定的背景下，總有些共性的東西支撐著這些元素的合理運(yùn)用。燈具外觀造型不僅是設(shè)計(jì)師情感傳達(dá)的媒介，也是軌道客車車廂中獨(dú)特設(shè)計(jì)風(fēng)格的體現(xiàn)。

3 結(jié) 語

軌道客車的車廂LED照明外觀對(duì)人的工作生活影響巨大，這種巨大不是高山仰止、一蹴而就，而是細(xì)水長流、積水成淵。尤其在重壓之下的都市生活中，燈光照明設(shè)計(jì)可以間接滿足人們視覺生理和審美心理的需要，使軌道客車車廂空間最大限度地體現(xiàn)實(shí)用價(jià)值和欣賞價(jià)值，并達(dá)到使用功能和審美功能的統(tǒng)一。在具體的燈光設(shè)計(jì)中，通過燈光的明暗、隱現(xiàn)、抑揚(yáng)、強(qiáng)弱等有節(jié)奏的控制，充分發(fā)揮LED燈光的光亮和色彩的作用，采用透射、反射、折射等多種手段，可以創(chuàng)造出溫馨柔和或者節(jié)奏明快的效果。未來我國軌道客車車廂LED照明的外觀設(shè)計(jì)應(yīng)在節(jié)能、綠色、適用、美觀的原則下展開大膽的創(chuàng)想。車廂內(nèi)室LED照明除了為人們提供必要良好的光照條件外，還應(yīng)使燈光有增加室內(nèi)空間藝術(shù)效果、加強(qiáng)空間層次、烘托空間氛圍、增添情趣性等功能。

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