产品形态情感化设计研究

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摘要：在产品造型中快速解决用户日益倾向多样化和个性化的感性需求问题。通过研究用户参与设计的模式，提出了感性信息“转嫁-映射”概念，即利用超椭圆方程提取形态横截面特征，通过用户对单体形态横截面特征的风格感知评价实验，创建形态横截面原型风格特征库，将感性信息转嫁到单体形态横截面特征参数中。用户可通过语义检索获取自己所需的形态横截面原型，并通过调整原型参数将感性信息与产品形态特征进行映射，构成新的形态原型。由设计师在形态原型的基础上完成设计方案，解决了产品情感化设计决策的科学依据，为产品的情感化设计提供了研究基础。

关键词：工业设计;情感化设计;转嫁-映射;感性需求;决策

产品造型中快速解决用户日益倾向多样化和个性化的感性需求问题是当前智能设计关注的热点。有创造力的设计师与未接受过设计培训的人在数据分析和计算机辅助的情况下共同完成产品设计与开发已成为可能[1]。满足用户感性需求的产品不仅仅取决于物理层面的功能属性，还需要通过构建“意义”的形式来激发愉悦和情感。[2]由于用户对产品的需求表达，并不是一种理性的、可定量的信息，而是模糊的、多数以定性为主的感觉性的信息[3]，所以，要实现产品智能设计满足用户感性需求，需要在开发过程中能够准确地影射用户的感性需求，即在用户的感知中获得比较优秀的形态[4]。在传统情况下，积极有效的方法是设计师在设计过程中通过设计多种方案来迎合用户的感性需求，工作量大，方案决策不确定性因素大，在具体实施面向用户感知的产品设计时，很难将这些感性类的语言与造型的特征直接转化[5]。因此，在造型过程中，如何有效获取产品感性需求信息、提取产品造型特征，并将感性需求信息转化到产品造型特征中是面向用户感知的产品情感化设计与决策中的关键问题[6]。关于用户需求方面的研究，Otto等用基本型、期望型和兴奋型三种需求类型描述了用户需求[7]。1984年，日本卡诺博士建立了KANO模型[8]，以直观描述不同产品阶段的动态需求。以外观个性化设计为主的产品创新设计是影响用户对产品情感化感知的主要因素。文中提出了感性信息“转嫁-映射”概念，即用户根据自己的感性需求，通过“调整产品造型特征原型参数”将感性需求信息经“转嫁媒介（原型设计）”与产品造型特征进行映射，从而实现“面向用户参与的产品情感化设计”，为后期以用户为核心的产品情感参数化的智能设计与决策提供研究基础。

一、感性信息的“转嫁-映射”概念

如何让用户在产品概念早期参与到设计当中，并将感性需求在关键设计与决策环节中反映出来，是当前产品情感化智能设计与决策的发展基础。用户参与设计的积极性决定了产品映射用户感性需求的准确性。让用户在设计过程中扮演积极的角色可以有效地将感性需求量化并纳入设计过程[9]。在互联网技术的支持下，消费者参与产品设计的程度更加深入，大大减少了产品与消费者真正需要之间的差距。[10]从目前的设计方法来看，根据用户参与设计的程度和方式，可以将用户参与设计的模式分为直接参与和间接参与。用户直接参与可以让产品设计更能够准确地反映用户需求。间接参与，则需要设计师将获取到的用户需求根据自己的设计手法反映到产品设计当中。无论是用户直接还是间接参与设计，都需要将模糊的、不确定的，甚至隐含的感性信息以可视、可触等物理要素呈现出来。作为承载可视信息的产品造型（产品形态、产品色彩），文中提出感性信息“转嫁-映射”的概念，是指首先通过用户对形态的感知评价，建立可通过语义检索的“造型特征原型库”，这样库中的“原型”便成为感性信息与产品造型特征的“转嫁媒介”。用户在参与产品设计时，通过语义检索调出“造型特征原型库”中的形态原型（Form）[F]或色彩原型（Color）[C]，“调整产品造型特征原型参数”将自己对产品的感性需求信息经“转嫁-媒介(原型设计)”映射到产品造型特征中，即直接将自己的感性偏好转化到新的形态原型设计[F']或新的色彩原型设计[C']中，然后交由设计师完成后期的设计深入，从而将用户感性信息转化到产品造型当中，实现用户参与的产品情感化设计，如图1。

二、感性信息“转嫁-映射”下的形态原型情感设计方法

（一）基于形态横截面特征提取的“形态原型”设计。产品形态原型设计可以利用最贴近产品形态的简单几何体来概括，例如用球体、柱体、方体对形态围合。相对复杂的产品形态，可将其分解为不同的、单一的、子形态的组合，同样可以用球体、柱体、方体来概括这些“子形态”。这样，复杂产品的“形态原型”是由多种简单几何体按照复杂产品形态的拓扑关系重构组合而成的三维模型[12]。通常，这些长方体、球体、柱体被定义为包围盒。1976年Clark提出包围盒技术概念，采用简单的几何形体将复杂的几何物体围住的方式，通过对两个几何物体的包围盒是否相交，来判断它们是否碰撞。目前包围盒技术被广泛地应用到刚体触碰、变形体触碰、机器人视觉识别、图像分析以及形态信息获取、形态设计等领域当中[12]。包围盒技术在形态信息获取与设计中的应用越来越受到重视。包围盒图作为几何模型具有简单和紧凑的特性，便于形状风格分析。为了解决用户直接参与形态设计，所以，将构成产品形态的包围盒转化为参数化设计，这样用户就可以通过参数调整影射出自己的感性需求。对称形态的美感是人类所共知的，所以多数产品的形态中，对称的形态很多。为了实现感性设计的“参数化”文中提出用超椭圆方程来获取对称形态的横截面二维造型特征[14]，这样用户可以通过参数化调整把自己的感性需求映射到新的形态原型当中。把X、Y项的指数看成椭圆方程的变量，则得到“超椭圆”的笛卡尔表达式（1），即（1）a，b分别是椭圆的长半轴、短半轴的长，当=1时，为一般椭圆方程。设p，q为任意正实数，并替代，且p≠q，上述椭圆方程的表达公式变为超椭圆方程式（2）。（2）式（2）克服了x，y只适应于典型椭圆形的问题，可以形成不同曲率、曲线特征的图形[14-16]。用超椭圆方程提取形态的截面图形，可解决产品形态截面中较为复杂的曲线特征提取。如果用不同的“半椭圆”进行组合来提取形态截面曲线，则能满足更多图形的特征提取，如图2。取a为1/2的产品子形态横截面宽度w，b可与b’取不同的值，具体参数设置标注见图2中的（a）。文中用MATLAB开发了超椭圆提取与输出产品子形态截面特征图形的程序，模拟输出的椭圆a相同，不同长轴b，b’，及不p，同q和p’，q’组成的图形，图2中的（b）。用超椭圆将产品关键部位的横截面特征提取，是一种二维的图形。通过建立z坐标，并将指定图形Cij（u）在坐标空间内进行平移T、绕z轴旋转Rz(θ）、缩放S等方法建立三维几何体Cij（u）‘，即（3）（二）用户感知评价下的形态横截面原型风格特征库创建。有关形态风格方面的研究，日本色彩设计研究所小林氏在对“形态和联想”的调查发现“外凸的形状表示温暖，内凹的形状表示寒冷；带角的形状表示坚硬，去角的形状表示柔软”等，且这些感知在一定的时期内相对稳定，可适用于不同的产品情感化设计。所以研究具有共同感知特性的形态及其所对应的感性信息可以很好地反映出用户群的需求倾向。形态横截面原型风格特征库的创建可以实现通过语义检索得到用户感性需求所对应的形态设计特征。创建步骤如下：步骤一提取产品横截面形态特征；步骤二通过感知评价实验获取用户对产品横截面形态特征的感知评价信息等；步骤三将获取的感性信息进行量化并将横截面形态分类处理；步骤四将量化好的分类信息映射到产品形态特征参数中；步骤五构建可语义检索的形态特征原型库。由于用户对产品形态风格的感知主要来自于三维形态体的感知，并不能直接感受到形态横截面的风格。因此，本研究文中根据市场上收集的支架产品12个，用式(1-2)获取相关的椭圆参数，输入到MATLAB程序中，输出提取的横截面的造型特征。通过用户对形态横截面的风格感知评价构成“形态横截面特征原型风格特征库”。如图3中的样本以及表1中的“图形”。确定“清新的——沉闷的（F-D）”、“动感的——安静的（M-Q）”、“流行的——淘汰的（P-O）”、“舒适的——不适的（Co-Uc)”等4对感性词汇作为用户对产品个性化感知评价语义词对，分别对应1-0的分值。通过打分实验，利用加权平均法得出单体横截面特征||M-Q||、||F-D||、||P-O||、||Co-Uc||的风格感知值，如表1。按照风格语义评价进行排序，得到如图3所示的支架横截面特征风格感知情况。图3中，横排并列的截面图形表示通过评价获取的用户感性信息近似。并以此构成“形态横截面特征原型风格特征库”。如果参与感知评价的人数越多，感知评价越准确。（三）基于形态横截面原型语义检索的产品形态情感设计。首先将产品复杂形态拆分为子形态，子形态横截面原型风格特征库的建立是根据用户感性需求语义评价构建的，每种截面原型都对应着用户的感性评价值。基于横截面原型语义检索的产品形态情感化设计让用户根据自己的感性需求找到合适的语义及其阈值对应的原型，调整相应的参数进一步直接反映自己的需求，设计出新的子形态原型，组合新的形态原型，进而构成新的产品形态原型。然后由设计师在新的产品形态原型基础上完成相应的产品造型设计。如果用户满意，设计师完成后期产品深入设计，如果不能满足用户感性需求，则可以返回，重新获取产品形态原型，继续设计流程。设计流程如图4所示。

三、用户感性信息“转嫁-映射”下的含支架产品形态情感化设计案例

在很多产品里，支架不仅仅作为支撑结构，同时也是产品造型的主要元素，例如桌子、椅子的支撑腿、梯子的支撑杆和脚踏、自行车的车架、淋浴花洒的支撑架、扶梯、健身器的架构等。所以，支架的形态风格在整个产品造型设计风格中起到了决定作用。用户对这些支架的外形、风格的感知评价，反映着用户对产品的情感化需求。目前，这类产品的支撑架多为标准型材，以降低加工成本。但是，型材品种及形态不能满足当前用户对产品的情感化需求，因而，越来越多的以支架结构为主体造型的产品开始采用非标准型材，这无疑增大了加工成本和市场风险。那么如何实现新研发的非标支架有效满足用户感性方面的情感化需求，避免开发研制风险，或者说，生产型材的厂家能够获取用户对型材风格的需求趋势，提前生产新型型材，以满足市场需求或引导市场需求，就成为此类产品能够快速满足用户需求，实现科学决策的关键技术。文中研究方法对支架风格评判以及风格特征库的建立，可以更好地支持含支架产品的风格化设计。案例一，首先将餐桌造型分解为支撑腿和桌面两个子形态；让用户以“清新的-沉闷的”（||F-D||）作为一对风格特征，进行设计参与，通过语义检索形态横截面特征原型风格特征库（表1），得到子形态的截面特征原型5号样本；然后再调整子形态的三维几何构造参数，即输入坐标上的变换距离tz，旋转角度θz，缩小比例S，沿以坐标原点为圆心的圆弧轨迹移动等复合变换，便得到了基于形态截面风格特征的支撑腿基本形态（表2）；组合桌面和支撑腿的形态原型，由设计师对设计方案进行优化设计，快速获得设计方案，效果图如图5，设计过程将用户感性需求“转嫁映射”到了设计方案中。案例二为单人电动车车架设计（电动车的子形态）。同样让用户以“清新的-沉闷的”（||F-D||）作为一对风格特征，进行设计参与，通过语义检索形态横截面特征原型风格特征库（表1），得到子形态的截面特征原型1号样本；然后再调整子形态的三维几何构造参数，即输入坐标上的变换距离tz，旋转角度θz，得到基于截面风格的各种形态（图6），再通过设计师的再设计表达，得到最终的设计方案，具体的风格感知值与变形设计参数见表3“单人电动车设计实例”。根据新的形态原型特征图形，通过三维变化和组合，得到如图7的新形态原型设计方案。当参与的用户增多时，可以通过数据的采集，获得用户需求趋势。而这一趋势最终能够以形态原型参数的取值范围量化出来，这样也就实现了对用户群感性需求信息的量化并映射到造型中。

根据研究提出的感性信息“转嫁-映射”的概念，通过用户对单体形态横截面的风格感知评价实验，将感性信息映射到横截面的特征参数中，并探讨了形态横截面原型风格特征库创建方法，使用户可通过语义检索获取自己所需的形态截面原型的方法，从而实现了用户通过调整截面原型参数将感性信息与产品形态原型特征进行映射的思想。通过含支架产品形态原型开发与设计，验证了文中提出的“基于形态原型语义检索的产品形态情感化设计”较好地将用户感性需求信息映射到造型过程中，为后期面向用户参与新产品形态情感参数化设计与决策奠定了基础。为了更好地实现面向用户感知的产品情感化设计，用户直接参与的产品形态体特征的提取及其参数化设计以及基于截面风格相似的形态变形设计方法、解决风格一致性的产品形态系列化设计等值得进一步研究。

作者: 杨前 王家民 单位:西安理工大学艺术与设计学院