情感化造型基元的擬合模型

付曉莉，仝小冬，尚會(huì)超，丁同銳，崔汝晨

（中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院, 河南 鄭州 451191）

隨著產(chǎn)品同質(zhì)化愈發(fā)顯著，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)在屬性提出更高要求。通過(guò)外觀設(shè)計(jì)傳達(dá)產(chǎn)品的內(nèi)在隱性意象，能夠迎合消費(fèi)者感官需求并且有效提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。產(chǎn)品的內(nèi)在屬性設(shè)計(jì)包含大量感性因素，在定性、定量方面具有一定難度。感性工學(xué)(Kansei Engineering, KE)通過(guò)工程技術(shù)結(jié)合用戶意象調(diào)研，將感性意象轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要素，在該領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用[2]。由于其所使用的形態(tài)學(xué)圖表法存在解構(gòu)方式的局限性[3]，傳統(tǒng)感性工學(xué)模型在實(shí)際應(yīng)用中價(jià)值不高[4]。此外，產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)還面臨著另外一個(gè)難題：產(chǎn)品外觀造型與硬件結(jié)構(gòu)之間的兼容性較差。根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目狀況，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造型設(shè)計(jì)存在知識(shí)領(lǐng)域壁壘，造成兩者協(xié)作困難，需在試制過(guò)程中耗費(fèi)大量工作對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，這種設(shè)計(jì)現(xiàn)狀給工程技術(shù)人員和企業(yè)發(fā)展均帶來(lái)巨大阻礙。

工學(xué)與設(shè)計(jì)學(xué)相互融合有助于提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)迭代冗余[5]。PETIOT等[6]通過(guò)綜合運(yùn)用多種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)用戶感性意象進(jìn)行分析并開(kāi)發(fā)出用于理解和制定用戶需求的語(yǔ)義工具，用于輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行玻璃杯設(shè)計(jì)。RAZZA等[7]通過(guò)調(diào)查剃須刀用戶感性意象并進(jìn)行度量，建立用戶情感與造型設(shè)計(jì)要素間映射關(guān)系。羅仕鑒等[8]將進(jìn)化計(jì)算與產(chǎn)品族外觀基因理論相結(jié)合，提出滿足用戶感性需求的運(yùn)動(dòng)型多用途汽車產(chǎn)品族側(cè)面外觀基因設(shè)計(jì)方法，并構(gòu)建了計(jì)算機(jī)概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)需要在規(guī)則下對(duì)各要素綜合運(yùn)用，為解決傳統(tǒng)造型設(shè)計(jì)中單一部件單獨(dú)組裝造成的局限性，林麗等[9]首先論證多維KE模型特征形態(tài)解構(gòu)方法，優(yōu)化了傳統(tǒng)感性工學(xué)模型造型特征關(guān)系的整體性。劉玲玲、范靈秀 [10-11]等對(duì)多維KE模型提出優(yōu)化與改進(jìn)。劉征宏等[12]通過(guò)對(duì)產(chǎn)品特征進(jìn)行解構(gòu)并構(gòu)建多維KE模型，經(jīng)模型比對(duì)和實(shí)驗(yàn)分析，證明外觀多維度設(shè)計(jì)具有更高的預(yù)期精確度。多維KE的研究要求具有較強(qiáng)的產(chǎn)品解構(gòu)能力，為結(jié)合產(chǎn)品物理功能的造型研究提供啟發(fā)，對(duì)造型設(shè)計(jì)與功能結(jié)構(gòu)的融合研究還有待深入。眾多造型設(shè)計(jì)研究重在設(shè)計(jì)結(jié)果的反向驗(yàn)證，對(duì)面向用戶情感需求的正向設(shè)計(jì)過(guò)程與整體造型產(chǎn)出的研究則更加缺乏。因此本文基于可拓學(xué)結(jié)構(gòu)化與定量化特點(diǎn)，提出一種情感化造型基元的擬合模型。在消費(fèi)者的情感需求研究中引入視知覺(jué)原理，以情感意象激發(fā)視知覺(jué)中的形、色、質(zhì)各要素裂變，增殖出多維造型要素拓展元。通過(guò)多維造型要素與機(jī)械結(jié)構(gòu)的多級(jí)可拓變換，優(yōu)化模型中造型要素結(jié)構(gòu)。在滿足產(chǎn)品整體造型設(shè)計(jì)的同時(shí)兼顧產(chǎn)品內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)外觀造型的影響，提高造型設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性與智能計(jì)算的可結(jié)合性。

1 造型要素基元模型

1.1 造型設(shè)計(jì)

1.1.1 情感化設(shè)計(jì)

情感化設(shè)計(jì)是從消費(fèi)者心理需求出發(fā)，將感性內(nèi)容轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)參數(shù)加以應(yīng)用[13]。通過(guò)研究分析消費(fèi)者在面對(duì)產(chǎn)品時(shí)模糊、細(xì)膩的感性心理，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)采取與感性需求相應(yīng)的設(shè)計(jì)要素，以保證產(chǎn)品滿足消費(fèi)者的心理需求，如圖1所示。

圖1 情感化設(shè)計(jì)的基本分析框架Fig.1 The basic analysis framework of emotional design

明確情感化設(shè)計(jì)的基本框架后，應(yīng)理解情感化設(shè)計(jì)還依賴人對(duì)物的情感化語(yǔ)義準(zhǔn)確表征[14]，而情感化設(shè)計(jì)方法在準(zhǔn)確定位消費(fèi)者模糊細(xì)膩的感性心理時(shí)存在誤差，仍有待改進(jìn)。工業(yè)設(shè)計(jì)中，造型藝術(shù)主要是通過(guò)視覺(jué)感知[15]。受視知覺(jué)原理啟發(fā)，可將視知覺(jué)與造型藝術(shù)的關(guān)系作為情感化語(yǔ)義表征，為造型情感化設(shè)計(jì)增加理論依據(jù)。

1.1.2 視知覺(jué)原理

從人類生理構(gòu)造的微觀層面考察，可以發(fā)現(xiàn)視覺(jué)機(jī)能對(duì)形式情感有著直接影響，并反映出在這一過(guò)程中主體人的心理及生理感受，如圖2所示。產(chǎn)品的感性意象往往是隱晦和難以捕捉的，在實(shí)際調(diào)查中往往出現(xiàn)表達(dá)誤差，非最優(yōu)定義情感化語(yǔ)義方法[16]?？紤]調(diào)查深度和調(diào)查成本的局限性，難以全面、準(zhǔn)確地概括出消費(fèi)者的情感需求，故提出運(yùn)用視知覺(jué)原理作為造型情感化設(shè)計(jì)的語(yǔ)義表征。

圖2 視知覺(jué)原理框架Fig.2 Visual perception principle framework

1.2 產(chǎn)品造型信息處理框架

基元模型為解決產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程中的矛盾問(wèn)題提供另一種解決途徑[17]。可拓學(xué)所運(yùn)用的思維模式，可在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中為基于情感意象的造型特征組合提供方法思路[18]。故將該方法應(yīng)用于產(chǎn)品造型要素可拓，可建立一種基于情感化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型要素基元模型。根據(jù)視知覺(jué)原理，在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中引入可拓論，根據(jù)所建基元模型B=(O,C,V),定義對(duì)象O為情感意象,特征C為形、色、質(zhì);定義量值V為特征C所分別對(duì)應(yīng)的造型元素，建立基于視知覺(jué)原理的形、色、質(zhì)推導(dǎo)機(jī)理，如圖3所示。

圖3 造型要素推導(dǎo)機(jī)理Fig.3 Derivation mechanism of modeling elements

在可拓表征下，視知覺(jué)原理為情感化設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供依據(jù)，同時(shí)情感化設(shè)計(jì)也作為視知覺(jué)原理在造型設(shè)計(jì)中的載體。計(jì)算機(jī)智能設(shè)計(jì)以其高效、便捷等特點(diǎn)逐漸成為當(dāng)下輔助設(shè)計(jì)課題的主流[19]，將可拓表征結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立視知覺(jué)情感要素庫(kù)，也為計(jì)算機(jī)技術(shù)下的產(chǎn)品智能設(shè)計(jì)鋪墊基礎(chǔ)。

1.3 構(gòu)建造型要素基元模型

1.3.1 多維造型基元模型

劃分產(chǎn)品造型維度為情感意象，形、色、質(zhì)特征與造型元素。在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，情感意象群Oi(i=1,2,···,n)作為裂變活動(dòng)起始點(diǎn)首先裂變，增殖出與情感意象對(duì)應(yīng)的形、色、質(zhì)群cXi,cSi,cZi三維度組元；三維度組元繼續(xù)裂變，增殖出大量的拓展元，如圖4所示。情感意象群，形、色、質(zhì)群以及對(duì)應(yīng)的量值v1m所構(gòu)成的陣列B表示為

圖4 造型基元模型的發(fā)散分析Fig.4 Divergence analysis of modeling primitive model

1.3.2 造型多維模型的變換

圖5 情感化造型基元變換Fig.5 Emotional modeling primitive transformation

2 基于基元模型的情感化造型方法

通過(guò)對(duì)情感化設(shè)計(jì)、視知覺(jué)原理和基元模型分析研究，建立三者間密切聯(lián)系構(gòu)架。下面將情感化設(shè)計(jì)、視知覺(jué)原理及可拓論有機(jī)融合，構(gòu)造成一體化系統(tǒng)模型。

2.1 情感化造型的獲取

式中：T=Ta∧Tb(a ≠b)，Ta=σaρ，Tb=σbρ ；σa,σb分別表示不同造型元素a和b的美學(xué)約束因數(shù)， ρ表示整體拓展元密度。

上述步驟完成造型要素的組合，經(jīng)技術(shù)人員評(píng)審實(shí)現(xiàn)情感化造型要素的獲取。該系統(tǒng)不僅滿足消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品造型的情感需求，同時(shí)還可獲得大量?jī)?yōu)質(zhì)可拓造型方案。方案獲取流程如圖6所示。

圖6 情感化造型獲取流程圖Fig.6 Emotional modeling acquisition flowchart

2.2 協(xié)同機(jī)械結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品造型擬合方法

為促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與外觀造型設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)進(jìn)行,消除產(chǎn)品外觀造型與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的干涉，首先對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部零部件輪廓放大，同時(shí)考慮構(gòu)件運(yùn)動(dòng)范圍、散熱等因素建立功能需求空間；進(jìn)一步考慮零件與機(jī)身壁殼之間距離和預(yù)留固定件空間，建立出功能殼體。將情感化造型添加至功能殼體表面，結(jié)合刪減變換剔除與功能殼體不相適應(yīng)的情感化造型單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)械協(xié)同變換，相應(yīng)的基元變換表示為造型元。

刪減變換實(shí)現(xiàn)有指向性篩選，形成符合產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)的造型組合要素。圖7反映產(chǎn)品情感化造型擬合流程。通過(guò)對(duì)情感化基元造型流程和功能殼體建立流程進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一，以滿足情感需求為主要設(shè)計(jì)導(dǎo)向。同時(shí)引入產(chǎn)品內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)作為影響因素，實(shí)現(xiàn)外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)融合的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，構(gòu)成情感化造型基元的擬合模型，如圖8所示。

圖7 產(chǎn)品造型擬合流程圖Fig.7 Product modeling flow chart

圖8 情感化造型基元的擬合模型Fig.8 The fitting model of emotional modeling primitives

2.3 優(yōu)度評(píng)價(jià)

情感化造型基元的擬合，給出了滿足用戶情感與功能需求的產(chǎn)品造型方案。最后通過(guò)優(yōu)度評(píng)價(jià)進(jìn)一步驗(yàn)證情感化造型基元的擬合效果[15]，過(guò)程如下：

(1) 確定衡量指標(biāo)。根據(jù)消費(fèi)者的情感需求確定。設(shè)某產(chǎn)品造型的衡量指標(biāo)集合為R={Oi,i=1,2,···,n}。

(3) 首次評(píng)價(jià)。利用必須滿足的條件對(duì)情感化造型基元的擬合模型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行篩分，除去不滿足指標(biāo)λ 的方案。

(4) 設(shè)定J個(gè)待評(píng)造型方案關(guān)于第i個(gè)情感意象的取值范圍為{完全符合，符合，一般，稍有偏離，偏離}，根據(jù)各衡量指標(biāo)取值范圍建立如下關(guān)聯(lián)函數(shù)

式中：ki(xij)表示待評(píng)造型方案j關(guān)于各個(gè)衡量指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。

將情感意象輸入權(quán)值作為優(yōu)度評(píng)價(jià)權(quán)系數(shù)，邀請(qǐng)專家根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)對(duì)模型輸出方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。整理評(píng)價(jià)結(jié)果，得到待評(píng)方案關(guān)于各衡量指標(biāo)的取值及關(guān)聯(lián)度。則待評(píng)方案關(guān)于各衡量指標(biāo)的規(guī)范關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為

為檢驗(yàn)待評(píng)造型方案能否滿足用戶多樣化的情感需求，根據(jù)權(quán)系數(shù)所確定的各個(gè)情感意象重要程度，對(duì)造型方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可確定優(yōu)度計(jì)算公式

式中：i=1,2,···,n；j=1,2,···,J。

若優(yōu)度評(píng)價(jià)結(jié)果顯示所有衡量指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度大于0，則表明造型方案基本符合要求；而且優(yōu)度值越高，待評(píng)方案就越滿足用戶需求，同時(shí)也驗(yàn)證了情感化造型基元的擬合模型具有較高可行性。

3 實(shí)例研究

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)將產(chǎn)品造型與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，并考慮怎樣簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和豐富外觀造型創(chuàng)意。本文以設(shè)計(jì)腹腔穿刺器為例，探討該方法設(shè)計(jì)應(yīng)用效果。

3.1 情感需求及產(chǎn)品目標(biāo)表征

腹腔穿刺器(Laparoscopic Trocar)用于建立其他器械進(jìn)入人體腹腔的通道[21]。近年來(lái)微創(chuàng)手術(shù)得到越來(lái)越多的認(rèn)可，腹腔穿刺器市場(chǎng)需求隨之增高[22]。

設(shè)計(jì)師根據(jù)初期市場(chǎng)需求，制定描述用戶對(duì)期望產(chǎn)品的感性意象詞匯，結(jié)合李克特量表設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷。為避免不同個(gè)體對(duì)意象詞匯的理解存在誤差，將每個(gè)意象詞匯分別附上相應(yīng)的2 ～3張產(chǎn)品造型圖加以解釋，所選圖片應(yīng)具有代表性。測(cè)試完成后收集問(wèn)卷，對(duì)評(píng)分大于等于三級(jí)的詞匯進(jìn)行整理歸納并刪除低分詞匯。通過(guò)對(duì)5位醫(yī)師以及25名患者進(jìn)行測(cè)試，得到問(wèn)卷結(jié)果，見(jiàn)圖9。

圖9 情感意象需求調(diào)查統(tǒng)計(jì)Fig.9 Survey statistics of emotional image demand

根據(jù)調(diào)研結(jié)果建立情感化造型基元模型。

經(jīng)過(guò)基元可拓得到多種造型要素，隨后進(jìn)行基元變換，最終得到基于感性意象的基元可拓造型元素，結(jié)果如表1所示。

表1 腹腔穿刺器造型基元可拓結(jié)果Table1 Modeling primitive extension result of trocar

3.2 產(chǎn)品功能殼體構(gòu)造

在建模軟件Unigraphics NX10.0環(huán)境中，根據(jù)腹腔穿刺器功能原理、零部件相互間位置等因素，按照功能殼體建模方法，得到腹腔穿刺器功能殼體的三維模型，如圖10所示。

圖10 腹腔穿刺器的功能殼體建模Fig.10 Functional shell modeling of trocar

3.3 造型擬合

將造型基元可拓結(jié)果與產(chǎn)品功能殼體擬合，賦予相應(yīng)形、色、質(zhì)要素，形成方案如圖11所示。結(jié)合優(yōu)度評(píng)價(jià)，結(jié)果表明所有衡量指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度都大于0，方案滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)驗(yàn)證了情感造型基元的擬合方法具有可行性。

圖11 腹腔穿刺器造型方案Fig.11 Modelling scheme of trocar

3.4 方法組比對(duì)

在視知覺(jué)表征的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入機(jī)械結(jié)構(gòu)作為造型影響因素，應(yīng)用可拓模型實(shí)現(xiàn)情感化造型的結(jié)構(gòu)化、定量化表示。經(jīng)過(guò)與現(xiàn)有造型方法比對(duì)，如表2所示。情感化造型基元擬合模型實(shí)現(xiàn)滿足用戶感性需求的多要素整體造型設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)屬性實(shí)現(xiàn)由內(nèi)而外的造型設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考。

表2 情感化造型設(shè)計(jì)方法組對(duì)比Table2 Emotional modeling design method group comparison

4 結(jié)語(yǔ)

情感化造型基元的智能擬合模型將視知覺(jué)原理與情感化設(shè)計(jì)結(jié)合，在造型設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)二者理念互補(bǔ)，有助于定性、定量表達(dá)出消費(fèi)者情感意象。通過(guò)將設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中的思維具象化，將產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同外觀造型設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相輔相成，約束基元模型按照理想狀態(tài)下發(fā)展。后續(xù)研究重點(diǎn)將是產(chǎn)品造型擬合研究和參數(shù)化軟件的二次開(kāi)發(fā)。