支持Ｔｏｐ－Ｄｏｗｎ整體色彩設計的模型研究
2006-12-31 00:00:00宮興亮王小平葉煒威景韶宇
計算機應用研究 2006年9期
摘要：為了在CAD平臺上實現TopDown整體色彩設計，在分析色彩設計領域知識的基礎上，結合產品色彩方案庫，通過色彩設計樹建立了產品幾何數據與色彩數據之間的映射，構造了支持TopDown整體色彩設計的模型。同時初步完成了原型系統開發，并與CAXA實體設計2005集成，在機床產品的設計中進行了應用。
關鍵詞：整體色彩設計；色彩設計樹；色彩方案庫
中圖法分類號：TP3917文獻標識碼：A
文章編號：1001－3695(2006)09－0027－03
產品色彩設計通常有自底向上（BottomUp）與自頂向下（TopDown）兩種方式。在自底向上的色彩設計過程中，設計師的色彩設計過程是先完成單個部件的色彩設計，然后是整體的色彩調整，是一個由單色到多色的設計過程。在此過程中，很多比較完整的整體色彩設計理論均不能得到很好的應用，由此不可避免地在最后的產品色彩方案中存在多種色彩整體不協調的情況。隨著產品色彩設計在整個產品設計過程的重要性逐步提高，如何結合色彩設計理論進行TopDown的整體色彩設計是CAID（ComputerAidedIndustrialDesign）研究的一個重要問題。
1整體色彩設計模型(WCDM)
整體色彩設計模型（WholeColorDesignModel，WCDM）的建立是實現支持TopDown整體色彩設計的關鍵。在產品設計中，形態與色彩是兩個很重要的方面，支持TopDown的整體色彩設計過程需要在這兩種數據中建立映射關系。傳統的CAD系統是通過構造基于幾何數據的產品設計樹；而在WCDM中，是通過構造色彩設計樹作為整個色彩設計支持框架的。
WCDM的構造是整體色彩設計模型建立的關鍵部分。通過WCDM將已有的色彩設計領域知識以及色彩方案庫融合到色彩設計過程中。WCDM構造分為以下四個層次（圖1）：
(1)色彩設計領域知識層。主要包含領域通用色彩設計知識和針對特定行業的專用色彩設計知識。
(2)色彩方案庫層。基于語意的色彩方案庫與基于主色的色彩方案庫。
(3)基于色彩設計樹的數據映射層。通過接收CAD平臺中的產品模型數據，在產品零件或部件模型與多色彩方案之間建立映射關系，色彩設計樹通過色彩數據組織模型的零部件，同一色彩的零部件位于同一個子項下。在進行產品整體色彩設計之后，設計師可能需要對某一個零部件的色彩進行調整，這一層還為設計師提供一個單色調整模塊，供設計師選擇使用。
(4)WCDM與CAD平臺數據交換及通信層。這一層完成WCDM與CAD平臺的數據交換及通信：①讀取數據到基于色彩設計樹的數據映射層中，建立映射；②建立WCDM與CAD平臺的實時通信，當設計師在WCDM中改變色彩的時候，使得CAD平臺場景中的模型也隨著設計師在WCDM中改變色彩時實時更改。
2色彩設計領域知識
色彩設計領域知識層是WCDM的基礎，為WCDM提供理論和方法上的支持。為了便于設計師使用色彩設計領域知識，本文從產品色彩設計的角度，將色彩設計領域知識劃分為領域通用色彩設計知識和針對特定行業的專用色彩設計知識。
2．1領域通用色彩設計知識
領域通用色彩設計知識是指進行各種產品色彩設計工作時通常要運用的知識[1]，主要包含下面四個方面：①色彩的物理理論，主要包含色彩的組成要素和色彩混合的基本規律；②色彩的心理理論，主要包含色彩的情感、色彩的聯想與象征功能；③色彩描述理論，主要包含各種色彩表示方法（如孟塞爾顏色系統、奧斯特瓦爾德色彩體系、CIE標準色度學系統）、計算機色彩模式（如RGB模式、HSB模式、Lab模式、CMYK模式等）以及各種模式之間的轉換方法；④色彩調和理論，色彩調和是指兩種或兩種以上的色彩合理搭配，產生統一和諧的效果。色彩調和理論發展至今，已產生出歇茹爾色彩調和理論、孟塞爾色彩調和理論、奧斯特瓦爾德色彩調和理論和孟-斯賓色彩調和理論[2]。其中以孟塞爾色彩調和論的應用最為廣泛，它強調整體色彩調和，各個色彩之間要具備規律性的關系，在兩個補色系中的色彩要獲得平衡就必須滿足VA×CA/VB×CB=SB/SA，其中VA，CA與SA分別為色彩A的明度、彩度與其所占面積；VB，CB與SB分別為色彩B的明度、彩度與其所占面積。該方程還適合臨近色系或單色系中的色彩平衡關系。在孟塞爾色立體中，按照任何一個方向或系列來選擇色彩，只要有規律地保持一定的間隔，則獲得的多個色彩就是調和的。能形成的調和方式有七種，即垂直調和、徑向調和、圓周調和、對稱斜向調和、非對稱斜向調和、螺旋型調和與橢圓調和[2]，這在文獻中有比較詳細的敘述。
2．2針對特定行業的專用色彩設計知識
不同行業對產品的色彩有不同的要求。不同行業的用戶對產品色彩的喜好存在著差異，特定的行業決定了產品的使用環境各不相同。如對于醫療器械，其工作環境比較潔凈，工作要求精細認真，這些器具一般以淺淡、雅致、高貴而潔凈的灰色調為宜；而汽車則由于速度快，在不同的環境色和背景中急駛，為引人注意而減少車禍，應當采用較醒目、明亮、艷麗的高明度高純度的色彩，或采用對比強烈的復色色彩。另外，一些行業還有自己特定的用色規范，如軍事上對軍用產品的用色就有比較嚴格的要求。由于一個具體的產品必然屬于某一特定行業，產品的色彩設計也就必須符合這個行業對色彩的需求。所以，針對特定行業的專用色彩設計知識主要包括以下幾個方面：①特定行業的產品使用者的色彩好惡傾向；②特定行業自己的用色規范；③特定行業中產品的使用環境情況分析；④特定行業的特殊色彩的獲取方法[3]。
3色彩方案庫
WCDM的色彩方案庫層為設計師提供兩方面的輔助：①已有優秀設計方案的快速重用；②提供基于語意或主色的多色彩方案輔助。
3．1優秀色彩方案
通過對設計師或一個企業已有產品優秀色彩設計方案的收集整理，而后將規整后的多種色彩方案形成數據庫[4]。在色彩設計過程中，設計師可以直接調用該色彩方案庫，然后通過WCDM中幾何數據與色彩數據的映射快速地將色彩方案映射到新產品中，這樣有利于提高產品色彩設計效率，而且有利于形成一個企業或者一個設計師的系列產品。
3．2色彩方案的知識表示與色彩方案庫的構造
在產品色彩設計過程中，包括確定色彩數目、色彩值與色彩配置到產品的過程等。色彩設計方案的內容組成可以概括為CS=(N，D，I，K)，式中CS(ColorScheme)為色彩方案；N(Number)為色彩方案的色彩數目；D(Data)為色彩方案各個色彩的色彩值與所占面積的比例值；I(Introduction)為色彩方案的布局描述與使用中的專門用途說明以及該方案特點的介紹、評價和描述；K(Keywords)對色彩方案進行查詢的匹配關鍵字[1]。色彩方案庫的構造通過數據庫實現，設計一個數據庫，將N，D，I，K的相關內容通過數據庫的字段來具體表示，用數據庫的一條記錄表示一個色彩方案。
3．3色彩方案庫的檢索模式
色彩方案數據庫構造完成之后，還要為設計師提供選擇色彩方案的檢索模式，本文中為設計師提供兩種檢索模式，即基于語意的色彩方案庫的檢索模式和基于主色的色彩方案庫的檢索模式。
不同的色彩方案給人以不同的感覺，如熱烈、積極或寧靜等。基于語意構造的色彩方案庫，以風格詞匯的語義描述作為色彩方案的檢索因子，提供對應不同風格詞匯的色彩設計方案[4]；
基于主色構造的色彩方案庫，以色彩方案中的主色為檢索因子。完成三次色色彩組合、互補色彩組合、單色色彩組合、分裂補色色彩組合、類比色彩組合、中性色彩組合、沖突色彩組合七種類型的色彩組合，每種色彩組合提供八組典型的色彩方案。用戶從中選擇需要的色彩方案，并可對其進行修改和存儲。
4基于色彩設計樹的數據映射
4．1數據映射
基于色彩設計樹的數據映射層，與色彩設計領域知識層、色彩方案庫層、WCDM與CAD平臺數據交換和通信層相關聯，是WCDM的核心部分。色彩設計樹源于CAD中的產品設計樹（產品—部件—零件），通過層次樹狀結構來管理產品數據，與產品設計樹管理產品的幾何數據不同，色彩設計樹在建立產品部件幾何數據與色彩數據的映射關系的基礎上，以部件的色彩數據來組織產品數據。
色彩設計樹由一個根節點、多個色彩節點和多個零件節點構成。色彩節點為零件節點的父節點，將具有同種色彩的零件組織在一個色彩節點下，改變色彩節點的顏色即可改變此節點下面包含的所有零件的顏色，可通過編輯色彩節點的顏色來整體改變色彩節點下所有零件的顏色，實現對產品色彩的有效管理。可對色彩設計樹進行以下方式的編輯：增加色彩節點；刪除色彩節點；任意拖動零件節點到指定的色彩節點下；零件節點對應的零件的顏色實時改變為目標色彩節點的顏色。如果設計師需要對單個零件的色彩進行編輯，只需選中對應的零件節點，在右邊的色盤上進行單個色彩編輯，色彩設計樹也將實時刷新。
4．2色彩設計樹類的構造
用面向對象的方法，在對色彩設計樹的功能需求進行分析的基礎上構造色彩設計樹類。色彩設計樹類從經過嚴格封裝的微軟基礎類CTreeCtrl類繼承，最終形成基于對象結構的色彩設計樹類。圖2是色彩設計樹類的類圖，圖中只列出了該類的主要成員變量和成員函數。
圖2中CColorDesignTree為色彩設計樹類，箭頭表示色彩設計樹類從CTreeCtrl類繼承。其中成員變量m_aTotalData用于存放讀取的所有色彩零件名稱與零件指針數據；成員變量m_aTrimData用于存放整理后的色彩與對應的零件名稱數據；成員變量m_aChangedData用于存放用戶修改的色彩與對應的零件名稱；成員變量m_TreeColor[]用于存放樹節點對應的色彩，用戶選擇二級樹時遍歷m_aTrimData，得到和m_aChange－Data當前用戶修改的色彩與對應的零件；成員變量m_image用于存放樹的顯示列表圖標。
成員函數BOOLReadData()用于讀取場景中的色彩與零件的信息，包括色彩對應零件的名稱和指針，默認方式為讀取場景中的所有數據，在用戶選擇了其中一個時讀取用戶選取的部件的數據。輸出參數為一個布爾型數據，True表示讀取成功，False表示讀取失敗。成員函數voidInitTree()用于初始化色彩設計樹；成員函數BOOLModefy－Data()用于修改色彩參數；重載消息函數OnMouseMove()，OnLButtonUp()和OnLButtonDown()用于響應鼠標操作。
5WCDM與CAD平臺數據交換和通信
在這一層中，WCDM讀取CAD平臺的數據是通過使用CAD平臺提供的API函數，將產品零件的名稱和色彩等相關必要信息讀出來傳送給基于色彩設計樹的數據映射層，數據映射層接收這些數據并通過構建色彩設計樹建立起幾何數據與色彩數據的映射。
同時，這一層還負責WCDM與CAD平臺的實時通信，當設計師在WCDM中改變零件的色彩時，這一層獲得當前改變的色彩數據和對應的零件名稱，通過CAD平臺的API函數使得CAD平臺場景中的模型也隨著設計師在WCDM中改變色彩時實時更改，這將有利于設計師捕捉設計意圖。
6WCDM的實現框架和應用
WCDM的實現采用VisualC++6.0為開發環境。考慮到項目的要求，選擇CAXA實體設計2005為二次開發平臺，同時由于項目對軟件重用性的要求較高，故在開發中采用基于COM的組件編程實現，在Windows環境下進行開發。組件開發采用基于ATL的組件開發模式，數據的讀取與交換主要通過CAXA實體設計2005提供的API接口讀取CAXA場景中產品的數據到WCDM，先對產品已有色彩數據按色彩組織成色彩設計樹，底層數據庫的構造采用Access數據庫完成開發。
WCDM已在CAXA實體設計上集成，由于在開發過程中采用了基于COM的組件編程，可以很快地加載到別的CAD平臺，如Solidworks等。WCDM在CAXA中的集成界面如圖3所示。
圖3WCDM在CAXA中的集成界面
通過色彩設計樹管理WCDM，設計師在進行產品色彩設計的時候不再是從單個零件出發。設計師采用TopDown的方式，先考慮多個色彩之間的調和與對比，可以選擇已有色彩設計領域知識支持的多色彩設計，也可以選擇已有色彩方案庫支持的色彩設計；然后通過基于色彩設計樹的數據映射層和WCDM與CAD平臺數據交換及通信層的支持，將色彩數據賦到產品中，快速地實現整體色彩設計獲得產品整體色彩設計方案；最后設計師再對其中不太滿意的色彩通過基于色彩設計樹的數據映射層的單色調整部分進行局部調整。
7結束語
支持TopDown整體色彩設計模型的建立，為設計師進行產品色彩設計提供了一種較好的方式，設計師能夠更快速地得到滿意的產品色彩設計方案，提高自身的色彩設計水平和色彩設計效率。同時，此色彩設計模型的建立便于設計師利用已有的色彩設計知識，并為設計過程中的色彩管理提供了很好的輔助。
參考文獻：
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［2］張憲榮，等.設計色彩學[M].北京：化學工業出版社，2003.118142.
［3］王可，余隋懷，等.面向計算機輔助工業設計的色彩設計系統[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004，16（10）：14251429.
［4］蔡波，陸長德，等.計算機輔助色彩設計系統的構造方法研究[J].西北工業大學學報，2000，18（3）：487490.
作者簡介：
宮興亮（1981），男，重慶潼南人，碩士研究生，主要研究方向為計算機輔助工業設計、產品CAD；
王小平（1958），男，副教授，主要研究方向為產品設計；
葉煒威（1980），男，碩士，主要研究方向為計算機輔助工業設計；
景韶宇（1974），男，博士研究生，主要研究方向為計算機輔助工業設計、產品設計。
