基于图像形变的重卡品牌家族化造型设计研究

宋明亮 修安行 张路 李宝军

关键词：重型卡车 品牌家族化 图像形变技术 形状文法 造型设计

引言

在现代汽车设计领域，概念车是一种介乎于构想和现实之间的存在，各汽车品牌通过概念车型向人们展示其独特性与创新性，代表了设计师对未来趋势的预判与思考。然而概念车通常只处于设计探索与开发试制，短时间无法转化为量产车型，在现有车型与概念车型之间存在着较长的产品迭代过程，可以说下一代量产车型是现有车型向概念车型迈出的一小步。在现有车型向概念车型发展迭代的过程中，为了寻求品牌造型特征的继承与创新的平衡，体现出整体性和延续性的产品形象，一般会使用品牌家族化造型这种具有高度识别性的外形特征体现代际车型之间的继承和延续 [1]。因此如何在保持品牌家族化特征的基础上寻求现有车型到概念车型的最佳融合点，预测下一代量产车型是现阶段面临的主要问题。

一、研究综述

（一）形状文法

形状文法（shape Grammar）是现代汽车品牌家族化造型特征设计的常用方法。形状文法最初发端于建筑设计，1972 麻省理工学院教授乔治·斯蒂尼（George Stiny），完整描述了形状文法的概念和结构，奠定了形状文法的理论基础。其认为形与规则是构成形状语法的核心，具有强大的形式分解和生成功能，通过形状文法，基本形状依规则可生成新的形状，也可以從复杂的形中抽象还原出基本形状。形状文法能很好地传承家族化特征，使产品原有的设计内涵在新的时代环境下得以保留和发展，将家族化基因融入到新的产品研发当中，达到延续性创新的目的。面向汽车设计领域，形状语法被广泛地应用于分析理解和描述不同的风格特征，Cagan研究了哈雷摩托造型形状语法；McCormack，Cagan研究了别克汽车品 牌造型基因的形状语法分析。Ducla阐述了BMW宝马汽车品牌形状语法；Arida研究了大众甲壳虫造型形状语法；Aqeel A B描述了保时捷汽车品牌造型形状文法。国内学者卢兆麟、张文泉等人同样借助形状文法规则研究了基于特征线的品牌造型基因特征，并以此对车辆品牌造型趋势做出符合逻辑的形式预判[2]。在应用形状文法的过程中，需要把握形状规则应用的“度”：变化程度不够会导致产品形态老旧，缺乏新鲜感；变化过度会造成产品脱离既有家族化的造型特征，不被消费者认可[3]。因此需要一种能够在短时间内生成大量线性迭代方案的方法从中寻求最佳的设计方案。

（二）图像形变技术

图像形变技术是指把一幅数字图像以特定的规则变换成另一幅数字图像[4]。图像形变技术在影视特技、教育和娱乐等方面有着广泛的应用，是一种达到特殊视觉效果的有效方法[5]。最早进行图像形变技术研究的先驱是纽约理工学院的 Tom Brigham，他最先使用图像形变技术将一个女人图像转换成一个猎豹的图像，实现了图像与图像之间关键帧的变换。图像形变技术应用的是图形交叉溶解变形原理，通过将图像不断设置为不同的透明度，在对特征点的标记的基础上，逐渐将两张图像的特点融合在一起，在源图像A向目标图像B不断融合的过程中会自动生成一系列的新图像。图像形变技术仅可实现源图像到目标图像之间的自动化推演，但是无法从无到有的产生一个新的独立形态。

综上所述，结合形状文法和图像形变技术的各自特点，文章提出利用形状文法提取家族化特征并生成概念方案，其次冻结家族化特征，结合图像形变技术自动生成现有造型与概念造型之间的连续迭代方案，实现在保持家族化造型特征和造型创新的基础上快速找到现有车型与概念车型之间的最佳融合点，为下一代量产车型的设计提供参考，有效解决量产造型和概念造型之间的过渡融合，提高设计效率，缩短研发周期。

二、研究框架

首先，应用形状文法提取目标品牌的家族化特征，并制定目标品牌的形状文法推演规则；其次，以家族化特征作为形变约束条件，结合变量影响因素，如竞品车型、流行元素等，利用图像形变软件Abrosoft Fantamorph来完成现有车型与概念车型之间连续迭代方案的自动生成；最后结合专家测评探索现有车型与概念车型在造型上的最佳融合点，具体研究框架见图1。

三、重卡司机室前脸造型设计实例分析

（一）家族化造型特征分析与提取

品牌家族化造型特征是延续品牌生命力的重要设计要素，是现代汽车设计始终遵循的一种理念。通过对品牌造型特征的提取，建立品牌家族化造型基因，能够为汽车造型设计提供明确的设计参考[2]，会培养起消费者对品牌的认同感，这为汽车企业的长久发展和提升品牌竞争力奠定了基础。家族化造型特征提取是通过使用形状文法规则对品牌要素以标准化图形表达的过程[6]，这个过程需要对目标品牌量产车型进行分析，特别是已经在用户心中形成视觉识别特征的车型[7]。从这些案例中提取产品的典型特征，即显性特征分析。车型收集阶段要按照车型的迭代发展建立品牌造型数据集，并且剔除相似车型以保证家族化特征提取的准确性。对于重卡而言，前脸造型汇聚了汽车品牌的主要视觉识别特征，构成了汽车设计风格的基调[8]，是家族化造型的设计着力点，因此文章选取重卡前脸造型作为设计研究对象。

德国MAN（曼恩）发展历史较长，重卡车型具有明晰的产品迭代过程。为保证家族化特征提取的准确性，文章选取了MAN 80年代至今的重卡车型，剔除相似款车型共得到7款最具代表性的车型前脸。使用形状文法规则对前脸的中网、进气格栅、大灯组、雾灯、导风槽、前踏板口等部位分别进行归纳与提取，建立家族化造型特征集合（图2），以此为基础归纳出该品牌的家族化造型演变规则（图3）。 以中网为例，曼恩的四边形上边缘带有矩形缺口的中网造型最初出现在1986年推出的F90车型上，这个分形特征贯穿了曼恩的所有重卡车型，时间跨度较长，造型表现相对稳定，其造型特征在相同的概念语义下表现为“变”中有不变的视觉模式[1]。通过对车型纵向对比可以发现，中网的造型规律是呈现出由上下宽度一致的圆角矩形变为上宽下窄的倒梯形，并且上部边缘线有朝曲线发展的趋势。

（二）概念车型创新设计

1.变量元素文法规则的制定

车辆的造型设计是一个受到复杂多因素影响的设计过程，在新的车型设计研发时，企业会根据公司策略、产品定位、品牌战略等通过市场调研提出设计规范[9]。其造型变化除保持品牌独有的家族化造型特征基础上，会受到相关外在因素的影响，形成变量影响因素，诸如新技术对造型的影响、竞品造型、流行元素、文化元素等。整合形成新的文法规则。当前汽车设计领域越来越注重对民族传统元素的提炼与运用，国潮风格的回归是民族文化自信的体现，既是文化元素也是流行元素。文章选取中国古代石狮子形象为设计灵感来源，石狮子中所蕴含的线条以及动态美感是传统审美的一种代表，将其形态特征融入到MAN的品牌造型中也更加符合中国市场的审美需求。另一方面MAN被誉为德国雄狮，在品牌标志上也有狮子的形象出现，选择石狮子作为造型意象符合该品牌的精神内核。应用形状文法对石狮子的眉毛、眼睛、鼻子、嘴进行分析提取特征线，并标定文法规则（图4）。

2.新文法规则的整合

根据湖南大学学者杨涛[10]提出的基于形状文法的汽车前脸造型意向重组方法，将MAN的形状文法规则与总结出对应的变量形状文法规则相互融合重组得到新的形状文法规则，大灯组的形状文法规则与狮子眼部的形状文法规则进行重新组合（图5），重新组合后的规则兼具家族化特征和石狮子的形态。既符合家族化的造型特征又具有新的造型特点，达到了延续性创新的目的。根据图中的演变过程，将前脸其他部位的文法规则与对应的变量规则一一进行重新组合可以得到新的文法规则。

3.概念车型的生成

根据形状文法理论，将重组得到的新文法规则应用在提取出来的家族化造型特征上可以得到前脸造型各部位的新方案。以大灯组为例，推演过程从最初出现矩形大灯开始，按照MAN的品牌规则和新的重组规则执行，即可得到新的造型方案。将前期提取出的其他家族化造型特征按照相同方法推演即可。最后将推演出的各个部位新的造型方案进行造型重组既可得到概念车型。概念车型是在MAN-TGX系列重卡XXL驾驶室的车体标准尺寸的基础上，经过前文制订形状文法推演出来的。在此基础之上，最终利用PS进行二维效果图渲染（图6）。石狮子的神韵集中的体现在一双圆睁的怒眼和张开的血盆大口上。因此通过执行新的文法规则，大灯融合了狮眼的造型特征向上扬起，前踏板口由梯形变为形似石狮嘴巴的倒梯形。概念车型整体造型上保持了MAN的“V”字形前脸布局特征，设计中融合了石狮子的造型意象，因此在视觉上给人带来了一种不怒自威的感觉。

（三）基于图像形变技术的家族化造型迭代生成

概念车型是设计师对未来发展趋势的理想化超前设计，能够体现出未来一段时间内的设计趋势，但是在相当长的一段时间内无法做到量产。在量产车型与概念车型之间有着较长的产品迭代过程，因此将图像形变技术与形状文法相结合引入到设计过程中，快速实现量产车型到概念车型的推演与生成，寻求量产车型与概念车型之间的最佳融合点。根据图像形变原理在执行家族化造型推演時需要两张图，分别是家族化造型推演的源图像和目标图像。源图像是现有产品原型既家族化造型推演的起点，目标图像是设计出的概念车型既家族化造型推演的终点。首先需要挑选出最新的量产车型A作为造型推演的源图像，依据形状文法和变量因素设计出来的概念车型B作为家族化造型推演的目标图像。在具体执行推演过程时，需要对外轮廓和关键特征进行约束，也就是对根据形状文法提取出来的家族化造型特征进行约束。这些关键特征作为车辆造型的显性遗传特征在推演的过程中是被锁定保持不变的，这样才能使最终推演出的方案符合家族化的造型特征。在品牌重卡司机室前脸造型数据集中，通过对各车型前脸造型的梳理最终选择造型相对稳定的TGX 18.510作为图像形变的源图像，选取前文生成的概念造型作为图像形变的目标图像，利用Abrosoft FantaMorph软件来完成既有车型到概念车型的造型推演。重卡前脸的造型自动化推演过程，是在家族化造型特征提取的基础之上对既有车型和概念车型之间对应的家族化造型特征进行约束，利用图像形变技术快速得到既有车型至概念车型的一个渐变的图像序列。

图像形变技术中主要难点在于三角形的仿射变换。在图形学中，经常要进行三角形之间的变换操作，即将一个三角形转换到另一个三角形中。三角形是相邻特征点之间连线构成的，三角形的形态决定了特征点的位置。因此在执行形变过程中要对源图像和目标图像的整体轮廓以及相对应的家族化特征分别进行形态约束。源图像与目标图像间的特征点对齐对于形变推演的最终效果影响很大，为了得到可以用于设计指导的图像，首先要建立两幅图像之间的位置对应关系，源图像中的每一个特征点在目标图像中都能找到并且位置一一对应。最后分别在源图像和目标图像家族化造型特征的位置上选取关键的特征点，用特征线进行连接形成封闭图形。在变动较大的部位，需要添加大量的形态约束点以保证形变图形输出结果的准确性（图7）。

最后设置输出帧数为24帧，选择静态图像输出，共计生成静态图像24幅，用时4.38秒。图8为静态图像输出结果。图中的第一个图像和最后一个图像分别是源图像和目标图像，中间的图像为自动生成的形变迭代推演图像，图中2-23为形变过程中的关键帧，关键帧图像描述了上述造型迭代的全过程，为最终设计方案的选择提供了参考设计域。

四、造型方案的可用性评价

为探寻现有车型与概念车型的最佳融合点，达到保持家族化造型特征与创新性的平衡得出最佳的造型方案的目的，需要邀请专业人士对图像形变推演所产生的24款造型方案进行专家测评。本次选取汽车设计公司相关从业者和汽车设计专业师生作为专家进行可用性评价。评估共邀请到了40名汽车设计相关人员参与评价，其中一线车厂外造型设计师3人（线上评估），汽车设计专业教师9人，工业设计专业学生28人。将24款造型方案平均分成四组，每组6款方案，每个人只能选取一个最佳造型方案，方案的评估是从家族化特征的继承性和造型设计设计的创新性两个方面展开的。评估人员需要根据自己的判断选择出源图像（方案编号1）与目标图像（方案编号24）之间的最佳造型方案。最终评选结果见表1。

从表1可以看出A、B组的选择人数都较少，原因是这两组方案都处于造型迭代的初始阶段，虽然很好地继承了家族化的造型特征但是在造型创新性上变化不大。C组处于造型迭代的中期阶段，在继承家族化造型特征的基础上创新性的造型意向开始逐渐变得明显。D组位于造型迭代的末尾阶段，这个阶段整体接近概念造型，因此在造型上会显得过于激进。从评估结果可以看出，设计方案的选择集中在了C组，其中选择18号方案的人数最多，为7人。18号方案（图9）在前脸的整体造型设计上，保留了MAN的“V”字形划分，前踏板口、中网和大灯组分别融合了石狮子嘴部、鼻子和眼睛的造型意象，在造型上带来了一定的新鲜感，但是在造型变化程度上，没有过于激进脱离原有的品牌家族化特征形象，具有良好的品牌特征识别性。最终方案处于连续迭代序列的中间值偏右一点，既承袭了现有造型的特点，又兼具概念造型的变化，其评选结果侧面体现出本土中庸文化内核。

结语

以重卡司机室前脸品牌家族化造型设计为例，将形状文法与图像形变技术相结合，所生成的连续的线性迭代方案，能够为下一代量产车型的造型评估提供连续的可视化方案，能够快速探寻现有车型与量产车型之间的最佳设计融合点，有效解决量产造型和概念造型之间的过渡融合，同时其自动化生成技术可以提高设计效率。此方法对于面向品牌家族化特征的其他类别产品造型设计均具有一定的启发意义。但是重型卡车的设计是一个复杂的设计过程，文中只考虑了正面前脸造型一个维度，进行整车设计时还需要考虑车辆前脸与车身侧围等部分的造型一致性，在进行家族化特征的提取以及文法规则制定时保持整体的统一性。