基于原型理论的产品造型风格创新设计方法研究

林丽，李智美

（贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025）

随着用户对产品要求的不断提升，特别是对消费类产品的需求不仅体现在实用功能上，还体现在对产品造型风格的审美要求上，当产品的实用功能和造型风格完美结合时才更能获得消费者的喜爱[1]。产品造型风格作为消费者与设计师之间交流的重要信息基础，是产品创新设计成功的关键要素之一。然而，在传统的产品设计研究领域中，产品造型风格创新设计一般由设计者凭借自身对产品的认知，将自己的设计意图映射到新产品设计中，该过程存在自主性、模糊性与不确定性等因素，难以形成一套科学合理的创新设计方法[2]。因此产品造型风格创新设计方法的构建应在避免上述问题的基础上，既要快速设计满足用户的风格需求，又要在产品创新过程中保持设计风格的延续性，提升设计效率，从而提升消费者的满意度。为此赋予产品独特的造型与风格，以塑造消费者理想的产品成为研究的热点问题。

国内外学者从多方面对其进行了研究：申泽[3]、卢兆麟[4]、Liu[5]等构建了产品设计DNA 遗传与变异模型，以此分析产品风格的形成及创新过程；Chan等[6]深入研究了各种风格产品之间相似度测量方法；杨延璞等[7]基于产品族造型研究，提取样本形态元素，由此生成众多设计方案。此外，许多学者采用意象尺度法[8-10]研究产品风格，对产品形态要素进行分解，并从设计师的角度出发，发展新的产品造型形态。上述研究为产品风格创新设计提供了多种思路和途径。然而，现有研究还存在一定的缺陷：多关注于产品造型风格的遗传或是基于历史样本的重组与部分修改，较少研究产品造型风格的过渡性与创新性；大多数产品造型风格创新设计依赖于设计师自身的经验和灵感，未从原型理论支持视角对产品造型风格创新普适性设计方法进行研究。

在产品造型设计中，同一类型的产品，甚至不同类型的产品都存在着原型，其影响着整个产品家族，亦影响造型的潜在规则[11]。基于原型理论的产品创新设计相关研究包括：楚东晓等[12]结合认知心理学的原型理论，基于原型的启发创造出与原型相似却不同的设计风格；张中义等[13]引入原型理论，构建可以反映共性认知的形态原型；Zhang 等[14]分析了藏语文化元素，并依据原型理论，完成了产品的创新设计。上述相关研究从各方面反应了原型存在的真实性，同时也验证了原型是一种相对比较稳定的认知结构，其具有遗传性、过渡性和创新性等特点，与现有研究相比，原型理论可为产品造型创新设计在继承原有产品风格的基础上，实现具有过渡性和创新性的产品风格提供了可靠的理论基础和指导。

文中将原型理论引入产品造型风格创新设计中，采用设计形态分析提取产品造型风格的原型特征，通过联合分析获取关键的原型特征，结合形状文法生成基于产品造型风格原型的产品造型创新设计方案，并以优雅型汽车前脸造型的创新设计予以验证。

1 产品造型风格创新设计方法

美国心理学家罗施在20 世纪70 年代中期经过一系列研究之后提出了原型理论，罗施的原型理论指出原型不是单指某事物个体的简单复制造型，而是指整合了事物相关形式或模式的具有强典型性的特征[15]，可见原型是在知识和经验的基础上对认知客体进行高度概括的心理表征，是在类型成员中最有代表性、最突出的成员。有的心理学家将原型理解为用户心中最初的无意识的印象，从产品设计的角度分析，原型就是用户对产品无意识的认识，由此通过相关的设计方法将原型转换成真实存在的产品特征进行产品创新设计，能更有效地迎合用户的喜好。产品造型风格创新设计的过程可以理解为引导用户对原型进行感知的一个过程，而产品造型的原型构建则依托于对已存客观产品造型的获取和表达。原型理论是以原型特征为研究对象的一种设计方法体系，其基本思路为，产品类型研究（具象）-原型特征提取（抽象）-形式创新（具象）3 个主要阶段。

产品造型风格原型是指类风格特征原始的形状，其表达了类风格特征的形成规则与形式[16]，即依据已有的产品归纳出一系列具有代表性的特征。Aldo Rossi 等[17]学者主要从形态学的角度提取产品的原型特征，将其还原为基本几何形的构成法则，因此文中产品造型风格原型特征提取主要以产品形状为基础。基于原型理论的产品造型风格创新设计方法流程如下，步骤见图1。

1）产品造型风格分类，基于感性意象对产品风格进行分类。

2）产品造型设计形态分析，分解产品造型要素并列举形状特征，确定代表性形状特征。

3）风格原型特征的提取，对代表性形状特征进行离散度分析，提取分布较稳定的形状特征。

4）形状要素获取，通过联合分析研究造型要素的权重排序，进而获取关键原型特征。

5）产品造型创新设计，在获取关键原型特征基础上对产品造型进行创新设计。

1.1 产品造型风格分类

基于原型理论的产品造型风格创新设计方法中首先要解决分类的问题，以保证原型特征提取更加具有针对性[16]。现有的产品风格分类中，对产品造型设计风格与用户风格感知关系不大，文中主要从用户对产品风格的感知角度出发，基于感性意象对产品造型风格进行分类，过程如下。

1）收集并筛选产品意象词汇。

2）建立产品意象形容词关联，基于问卷调查及因子分析筛选出具有代表性的感性词汇。

3）产品风格分类的建立，采用K-均值聚类分析完成产品风格分类的划分。

1.2 产品形状特征提取步骤

产品的风格通过造型表现被用户感知，从而揭示出造型所传达的象征意义，原型特征则是具有典型性的造型特征。产品造型风格原型特征的提取是原型理论思路的核心阶段，也是产品创新设计的一个过渡阶段，其目的是使新产品在创新的同时可以继承原产品的风格。根据研究类型收集类风格的样本图片。为避免色彩对产品造型意象的影响，在研究过程中将样本作灰度处理，通过语义差异法挑选出具有代表性的产品样本。

为维持产品造型风格的生命力，提供更有效的创新设计指导，现有研究主要通过设计形态分析[18]获取造型风格特征，并应用到新产品中。设计形态分析法作为产品造型特征提取方法，能够有效地帮助设计师提取产品的造型特征，以获取具有代表性的造型风格特征。因此将设计形态分析运用到原型特征的提取过程，具体应用过程如下[19]。

步骤1：逐一列举出产品造型的形状特征；

步骤2：将产品样本与各个形状特征进行一一对照并进行打分，每项分值记为式（1）：

步骤3：最后通过累计的分数确定产品造型风格中的代表性形状特征。每行总分值（该项风格特征的总分值）记为式（2），每列总分值（该样本风格特征总分值）记为式（3）。

1.3 产品造型类风格原型特征的提取

基于上述代表性形状特征，将标准差系数作为比较的指标，对其进行离散度分析，得到各形状特征在样本中的分布情况（式4）。

式中：Vσ表示标准差系数；σ表示标准差；表示样本特征评价值的平均值。

比较各样本形状特征的标准差系数，从中提取分布比较稳定的形状特征，即产品造型风格的原型特征J={j1,j2,…,jm}，其中J表示原型特征集合。

1.4 产品造型要素与风格意象的映射

1.4.1 产品形状特征编码

根据设计形态分析结果，对所获得的产品形状特征进行编码，并将其转化为二维平面概括性图形。

1.4.2 基于映射实验的产品造型风格关键原型特征提取

1）样本选择。采用数理统计中的正交计划减少待测产品数量，从而减少实验过程中的样本数量。根据所得的产品形状特征，通过SPSS 正交计划生成待测试样本。

2）实验实施。选择相关受试者。基于产品相关感性词汇建立李克特量表评分问卷，要求受测者根据自己的感受对正交计划所生成的待测试样本打分。

3）结果分析。由实验得到被测试对象对待测试产品在感性意象上的评分均值，结合正交计划对收集到的量表数据进行联合分析[2,21]，其输出结果为各造型要素在该感性意象中所占的权重和各形状特征的贡献率。通过上述结果分析，即可得到产品造型风格关键原型特征。

1.5 基于形状文法的产品造型风格创新设计

形状文法作为原型理论思路的形式创新阶段方法，其优势在于能够很好地继承原型特征并生成大量创新设计，从而突出原型特征过渡性的特点，促进原型特征的深度创新设计。形状文法（Shape Grammar）可以使产品造型风格根据设计的要求，依据语法规则生成新的产品造型并维持原产品的造型风格[22]。目前，形状文法已被成功运用于多个领域[7,23]，经大量专家学者的验证得出通过形状文法可以使新产品在继承原有造型风格的基础上，使产品造型具有创新性，对产品造型风格原型特征的传承和创新具有很大意义。基于形状文法的产品造型风格创新设计流程图见图2。

图2 基于形状文法的产品风格创新设计方法流程图Fig.2 Flow chart of product style innovative design method based on shape grammar

2 案例验证

汽车前脸是最能体现汽车风格差异的地方，也是决定消费者是否愿意购买一辆车的主要标准[24]。因此文中将汽车前脸作为研究的对象。

2.1 获取汽车前脸造型风格类型

1）通过论文、网站等收集和筛选出55 对汽车前脸意象词汇及68 张汽车前脸样本，经语义差异法筛选出30 对代表性意象词汇与36 张代表性汽车前脸图片样本。

2）建立汽车意象形容词关联，基于上述30 对意象词汇与收集的36 张汽车前脸样本结合制作问卷并收集资料统计，采用主成份分析法对资料矩阵降维处理，共性因子的选择采取凯莎原则（各题平均共同性最好在0.7 以上）筛选出6 对意象词汇。

3）通过K-均值聚类对6 个因子分析（见表1），数值越高表明访问者对该因子的认同度越高，考虑因子特征和形容词的概括性将聚类2 中优雅的、女性的合为一个因子，以及聚类3 中热情的、活泼的合为一个因子。综上所述，汽车前脸造型风格可分为大众型、热情型、优雅型、豪华型4 类。

表1 最终聚类中心Tab.1 Final clustering center

2.2 汽车前脸形状特征的提取

依据汽车前脸分类结果，考虑到目前汽车市场的女性用户数量剧增，根据调查显示多数女性用户更偏向于优雅型汽车，因此文中以优雅型汽车前脸为例，判别上述36 个样本所属的类型，由此筛选出12 个优雅型汽车前脸样本，见图3。

图3 优雅型汽车前脸样本Fig.3 Elegant car front face sample

结合文献[24-25]及专家对汽车前脸样本的造型要素分析，将汽车前脸的造型要素主要分为前大灯、进气格栅、前引擎盖、雾灯等4 个部分，各造型要素对应的形状特征共15 种。制作样本设计形态分析问卷，让43 位被测试对象根据5 点法进行打分，运用式（1）得出每个特征所有调查结果的平均值。再经式（2）—（3）得出每项特征在汽车前脸样本中的总分值和每个汽车前脸样本具备的优雅风格特征总分值。其调查结果经整理见表2。

表2 汽车前脸设计形态分析结果Tab.2 Analysis results of car front face design form

1）样本。有6 个样本的形状特征评价值总分超过平均值，样本11 是特征表现最强的汽车前脸样本。

2）形状特征。有8 项形状特征的评价值总分超过平均值。为突出形状特征的代表性，取总分值超过均值20%的形状特征作为实验对象（共6 项），形状特征编码分别为3(36.25)、4（29.75）、5（27.875）、9（28.25）、10（26.625）、12（26.5）。

2.3 汽车前脸造型类风格原型特征的提取

对以上6 项代表性形状特征进行离散度分析，由式（4）得到形状特征在样本中的分布情况，分布偏向稳定的形状特征即为汽车前脸造型风格的原型特征，结果见表3。

表3 6 项特征的离散度分析结果Tab.3 Dispersion analysis results of 6 features

根据分析结果，以标准差系数低于60%为原则，提取汽车前脸造型风格原型特征。如分布最为稳定的前大灯不规则四边形、进气格栅不规则梯形、前引擎盖不规则梯形、雾灯不规则四边形作为优雅汽车前脸造型的原型。

2.4 汽车前脸造型要素与风格意象的映射

2.4.1 汽车前脸形状特征编码

在归纳出的各造型要素对应形状特征的基础上，编码汽车前脸形状特征，见表4。

表4 汽车前脸形状要素与形状特征Tab.4 Shape elements and shape features of car front face

2.4.2 汽车前脸造型风格关键原型特征提取

1）样本选择。汽车前脸主要由4 个造型要素组成，根据每个造型要素的形状特征，可以组合出3×4×3×5=180 种汽车前脸造型。采用正交设计减少待实验汽车前脸样本数量，将汽车前脸样本从180 种减少到25 种。结果见表5。

表5 正交计划形成待实验汽车前脸样本Tab.5 Orthogonal plan to form the car front face sample to be tested

2）实验实施。邀请24 位被测试对象，基于25个汽车前脸待测试样本结合感性意象建立5 点量表评分问卷。要求被测试对象基于问卷，根据自己对样本的真实感受完成语义差异法量表。

3）实验结果分析。统计得到被测试对象对样本在感性意象上的评分均值，将汽车前脸样本评价值输SPSS 中，结合正交计划进行联合分析，从而获得各汽车前脸形状要素在优雅意象中所占权重，如表6所示。

表6 各造型要素在优雅意象评价上的权重和形状特征的贡献率Tab.6 The weight of each modeling element in the evaluation of elegant image and the contribution rate of shape features

综上所述，各造型要素根据权重排序为：ΦB>ΦD>ΦA>ΦC。由此得出，汽车前脸原型特征中，进气格栅不规则梯形、雾灯不规则四边形是最为关键风格原型特征，前大灯不规则四边形次之，前引擎盖不规则梯形占比最小。

2.5 汽车前脸造型类风格设计推演

2.5.1 初始形状确定

依据汽车前脸造型风格原型特征提取结果结合映射实验，在汽车前脸造型风格创新设计过程中，应在关键风格原型特征（进气格栅、雾灯、前大灯）塑造强烈的风格，其中将汽车前脸造型风格关键原型特征作为形状文法的初始形状，并对初始形状进行编码，见图4。

图4 初始形状Fig.4 Initial shape

2.5.2 语法规则的选取

为继承汽车前脸原有的造型风格，对汽车前脸关键风格原型特征采用放射变换和贝塞尔曲线方法进行非精准性的变形，使其更大程度地继承了汽车前脸风格。再通过生成性规则（置换、添加）对权重因子小的前引擎盖进行创新设计，即R={仿射变化、贝塞尔曲线变换、置换、添加}。

2.5.3 确定约束条件

通过对汽车前脸的结构分析，确定其主要的约束为：汽车前脸的长高之比为1

2.5.4 推演设计

通过形状文法基本规则，运用计算机辅助设计软件对初始形状进行矢量图处理。

按照形状文法规则形式定义α→β，初始形状用I来表示，另外用R表示设计规则，阿拉伯数字则表示不同变化的区分，例如贝塞尔曲线变化Rb1、Rb2。变化后的形状用I1h表示，1 代表进气格栅，h 角标表示为变换后的进气格栅，其他形状以此类推。

对I1、I2、I3执行Rf、Rb语法规则，各自生成几种图形。同时对I4执行Rz、Rt语法规则，再生成几种图形。具体规则变化见图5。

2.5.5 设计方案

根据制定的形状文法规则，依据汽车前脸初始推演的形状对图形进行形状重组，形成种类庞大的产品设计方案。邀请经验丰富的设计师依据美感和可实现性并结合问卷调查提取4 种产品组合进行造型设计方案，见图6。

图6 4 款汽车前脸初步方案Fig.6 Preliminary scheme of 4 kinds car front face

以方案一为例的设计方案为，贝塞尔曲线变形1项：前大灯。放射变换2 项：进气格栅、雾灯。置换1 项：前引擎盖。重组方案见表7。

表7 方案1 汽车前脸造型重组方案Tab.7 Car front face modeling reorganization scheme

2.5.6 创新方案评价

采用5 阶SD 法对4 款新方案调查问卷评价。评价结果显示，4 款方案的优雅意象风格分值都在平均分以上，验证设计符合要求，方案1 风格符合程度最高，说明该方法可以有效延续产品造型风格，并得到产品的新设计方案。

3 结语

通过原型理论方法思路（产品类型-原型提取-形式创新）来指导产品造型风格的创新设计流程。运用设计形态分析、离散度分析提取汽车前脸造型类风格的原型特征为：前大灯不规则四边形、进气格栅不规则梯形、前引擎盖不规则梯形、雾灯不规则四边形。运用SPSS 中的正交计划结合联合分析对优雅型汽车前脸造型要素进行权重排序，得到关键原型特征，并将其应用到形状文法创新设计中，既突出原型特征的过渡性又保证了创新设计过程中风格的继承性与创新性。以“优雅型”风格为例，验证了文中所提出的方法，并对汽车前脸进行了创新，进一步评估了创新方案，证明了研究所提出的方法具有可行性。针对原型特征研究依托于大量历史样本的调研，对新产品的创新具有局限性，单一原型特征与其他因素之间的关系需要进一步探究，以保证研究的科学性和正确性。