產(chǎn)品色彩智能設(shè)計(jì)中的復(fù)合思維研究

摘 要：為了闡明設(shè)計(jì)創(chuàng)新規(guī)律，完善設(shè)計(jì)理論和思維科學(xué)，發(fā)展智能設(shè)計(jì)技術(shù)以及提升人類創(chuàng)造力，以設(shè)計(jì)思維的模擬研究為對(duì)象，在研究了色彩設(shè)計(jì)思維過程、單一思維模型、多種思維的交互作用與轉(zhuǎn)換機(jī)制、復(fù)合思維模型等知識(shí)的基礎(chǔ)上，探討了復(fù)合思維研究的關(guān)鍵技術(shù)和研究方法，建立了復(fù)合思維模型和體系，為產(chǎn)品色彩智能設(shè)計(jì)研究奠定了智能理論的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)思維;復(fù)合思維;形象思維;抽象思維;思維模型

中圖分類號(hào)：TP393.04文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2009)06-2083-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2009.06.024

Research of composite thinking in product color intelligent design

KANG Wen-ke1，ZHANG Quan2，ZHANG Ding-hua1

(1.School of Electromechanics， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China；2. School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China)

Abstract:In order to clarify the law of the design innovation， improve the design theory and scientific thinking， develop design technology of intelligent， and enhance the creativity of human， the study looked the design thinking simulation as the research object.On the base discussions of the main contents of the composite thinking， the single thinking model， the interactions of thinking mechanisms， and the composite thinking model， this paper described the key technologies and methods completely. With these established models and composite thinking systems，set up some theoretical basis for the product color intelligent design .

Key words:design thinking； composite thinking； imaginal thinking； abstract thinking； thinking model

0 引言

產(chǎn)品的色彩設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，涉及到人的多種思維模式的綜合運(yùn)用。設(shè)計(jì)思維模擬研究一直是闡明設(shè)計(jì)創(chuàng)新規(guī)律，完善設(shè)計(jì)理論和思維科學(xué)，發(fā)展智能設(shè)計(jì)技術(shù)，提升人類創(chuàng)造力的重要途徑。雖然設(shè)計(jì)創(chuàng)新、推理、計(jì)算、認(rèn)知以及情感等都是人類思維活動(dòng)的具體體現(xiàn)，然而，設(shè)計(jì)創(chuàng)新行為是一種更復(fù)雜、更高級(jí)的思維活動(dòng)過程，必須以設(shè)計(jì)師的思維過程、思維對(duì)象和思維操作機(jī)制為基礎(chǔ)。

人們普遍認(rèn)為形象思維是人類認(rèn)識(shí)事物的最基本形式，而抽象思維是在形象思維的基礎(chǔ)上的高級(jí)形式，是創(chuàng)新的核心因素。其實(shí)，每一個(gè)人的思維活動(dòng)過程都是多種思維交錯(cuò)在一起的，并不局限于單一思維（mono-thinking）形式的限制，如人的創(chuàng)造思維過程就是抽象思維、形象思維以及靈感思維的綜合結(jié)果。因此，人腦的思維是一個(gè)完整體系，形象思維與抽象思維僅是人腦思維在不同思維階段表現(xiàn)出的不同形態(tài)，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中思維之間是相互轉(zhuǎn)換、相互作用的。正如錢學(xué)森所說(shuō)：“思維科學(xué)的研究必須兼用形象或直覺思維，甚至要借助于靈感思維或頓悟思維?！边@種各種思維形態(tài)相互合作和協(xié)調(diào)的思想已經(jīng)蘊(yùn)涵了復(fù)合思維（multi-thinking，MT）的思想。

復(fù)合思維是指在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的由多種單一思維有秩序地串聯(lián)或者并聯(lián)產(chǎn)生的復(fù)合體，是多種單一思維有機(jī)融合、集成的產(chǎn)物，比單一思維具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和創(chuàng)造性。顯然，MT是人工智能與設(shè)計(jì)思維科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文提出把人類在進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新時(shí)的各類思維看做一個(gè)完整的系統(tǒng)，結(jié)合人工智能提出的面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的復(fù)合思維概念，建立復(fù)合思維模型和復(fù)合思維體系，為產(chǎn)品色彩智能設(shè)計(jì)（product-color intelligence design，PCID）研究奠定智能理論基礎(chǔ)。

1 復(fù)合思維的模擬

產(chǎn)品色彩創(chuàng)新設(shè)計(jì)行為和思維是典型的多思維智能活動(dòng)，對(duì)人類思維的模擬是實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)創(chuàng)新的關(guān)鍵，模擬人類思維的人工智能（artificial intelligence，AI）科學(xué)是從近代才開始的。設(shè)計(jì)思維模擬的研究主要集中在以下方面：

a）感知與識(shí)別。感知是思維活動(dòng)的最基本形式，感知模擬主要是模擬如何利用感知信息。在產(chǎn)品色彩設(shè)計(jì)中，人類的感知活動(dòng)主要是通過視覺系統(tǒng)完成，目前模擬視覺感知主要是基于模型的方法，其中傳感信息被用來(lái)重構(gòu)關(guān)于感知世界的模型。即構(gòu)建一個(gè)世界狀態(tài)W映射到一個(gè)感知信息S的函數(shù)f：S=f(W)。由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及圖像處理技術(shù)可知，計(jì)算機(jī)視覺在某種意義上是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的逆，即已知f和S，利用公式計(jì)算世界本來(lái)的狀態(tài)：W=f-1(S)。

b）學(xué)習(xí)記憶。學(xué)習(xí)中的反饋類型通常是決定智能體學(xué)習(xí)模式的重要因素。根據(jù)學(xué)習(xí)方式的不同又可分為邏輯歸納學(xué)習(xí)、決策樹學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)等。本文在構(gòu)建色彩設(shè)計(jì)智能體知識(shí)體系過程中，主要采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的方法。

c）知識(shí)表達(dá)。人工智能問題的求解必須建立在知識(shí)合理表達(dá)的基礎(chǔ)上。把已經(jīng)獲得的知識(shí)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)內(nèi)部代碼形式并加以合理描述、存儲(chǔ)的過程即是知識(shí)表達(dá)。

目前，知識(shí)表達(dá)的方式很多，主要有邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)法、框架表示法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示法、基元知識(shí)的可拓表示法、面向?qū)ο蟮谋硎痉ǖ?。只要是人類能夠理解掌握的知識(shí)，必定有辦法將其轉(zhuǎn)換成某種編碼（符號(hào)）加以表示。

d）邏輯推理。邏輯是人工智能科學(xué)的理論基礎(chǔ)，也是思維模擬的重要基礎(chǔ)。產(chǎn)品色彩設(shè)計(jì)是一個(gè)藝術(shù)與工程技術(shù)相結(jié)合的綜合性難題，涉及美學(xué)、人文、人機(jī)工程、工程技術(shù)等多方面的因素。本文結(jié)合邏輯科學(xué)最新的理論和發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展了形象邏輯推理，將形象、意象作為邏輯操作對(duì)象，構(gòu)造了設(shè)計(jì)意象捕捉技術(shù)、交互式色彩調(diào)和技術(shù)以及形色耦合美度計(jì)算理論。

2 復(fù)合思維模型的建立

2.1 PCID復(fù)合思維概念模型

根據(jù)思維分類及復(fù)合思維的概念，本文提出復(fù)合思維的概念模型，如圖1所示。在該模型里，抽象思維是利用反映事物本質(zhì)屬性的概念作為操作對(duì)象的思維形式；形象思維是利用事物的表象、心象和意象作為操作對(duì)象的思維形式。由于邏輯思維往往把概念符號(hào)作為操作對(duì)象（概念比形象更適合于形式邏輯），在常規(guī)思維中，邏輯思維和抽象思維有強(qiáng)聯(lián)結(jié)關(guān)系。同樣，由于直覺思維往往以表象和心象為操作對(duì)象，表象操作通常與視覺、聽覺等多感知因素聯(lián)系密切，形象思維和直覺思維之間有強(qiáng)聯(lián)結(jié)關(guān)系。靈感思維則是建立在大量邏輯思維與直覺基礎(chǔ)上的高級(jí)思維形式。顯然，常規(guī)思維（邏輯思維和直覺思維）到靈感思維是一個(gè)量變到質(zhì)變的過程，沒有大量邏輯思維潛移默化的作用就不會(huì)出現(xiàn)靈感思維。因此，人類的一切創(chuàng)造性成果應(yīng)該都是通過復(fù)合思維實(shí)現(xiàn)的，甚至一個(gè)簡(jiǎn)單的模仿行為或類比聯(lián)想也是多種單一思維復(fù)合的體現(xiàn)。

2.2 復(fù)合思維對(duì)象模型

從可拓學(xué)角度講，思維對(duì)象屬于物元，根據(jù)基元和復(fù)合元可拓理論，給出思維對(duì)象的可拓表達(dá)模型如下:

定義思維對(duì)象元，把思維對(duì)象N、對(duì)象的特征c、對(duì)象N關(guān)于特征c的量值v構(gòu)成的有序三元組R=(N，c，v)作為描述思維對(duì)象的基本單元，稱為思維對(duì)象元，N、c、v三者稱為思維對(duì)象元的三要素。其中c和v構(gòu)成的二元組M=(c，v)稱為思維對(duì)象元的特征。

關(guān)于特征的取值范圍記為V(c)，稱為c的值域。對(duì)于多個(gè)特征的思維對(duì)象元可以表達(dá)為

R=N，c1，v1

c2，v2

cn，vn=(N，C，V)(1)

其中:

C=c1c2cn，V=v1v2vn

例如某產(chǎn)品零件的形象思維基元表達(dá)為

R1=零件A，長(zhǎng)度，400 mm寬度，250 mm

顏色，RGB（155，0，0）

R2=零件B，長(zhǎng)度，400 mm直徑，20 mm

顏色，RGB（0，130，0）

物元和物元可形成復(fù)合物元。同樣，思維對(duì)象基元與思維對(duì)象基元復(fù)合可以形成思維對(duì)象復(fù)合元。

假設(shè)存在基元Ri（i=1，2，…，n），則它們構(gòu)成的復(fù)合元表達(dá)式為

R′=(R1，R2，…，Rn)(2)

例如某零件的形象思維復(fù)合元表達(dá)形式為

R′=組件，組成1，R1組成2，R2

可拓是思維對(duì)象的性質(zhì)，包括發(fā)散性、可擴(kuò)性、相關(guān)性和蘊(yùn)涵性。因此可以利用物元的可拓性，形成發(fā)散樹、分合鏈、蘊(yùn)涵系等可拓推理方法。

2.3 復(fù)合思維操作模型

從可拓學(xué)角度講，思維操作則屬于事元，根據(jù)基元和復(fù)合元可拓理論，本節(jié)給出復(fù)合思維操作的可拓模型。

定義思維操作元，把操作d、操作的特征b、d關(guān)于b的量值u構(gòu)成的有序三元組I=(d，b，u)作為描述思維操作的基本單元，稱為思維操作元。d、b、u三者稱為操作元的三要素，其中b和u構(gòu)成的二元組稱為思維操作元的特征。

操作的基本特征有原操作對(duì)象、操作方式、新操作對(duì)象、操作環(huán)境等。

對(duì)于多個(gè)特征的思維操作元可以表達(dá)為

I=d，b1，u1

b2，u2

bn，un=(d，B，U)(3)

其中:B=b1b2bn，U=u1u2un。

例如設(shè)計(jì)師在觀察產(chǎn)品零件時(shí)的思維操作基元表達(dá)形式為

I1=感知，原對(duì)象，顯象新對(duì)象，表象

I2=提取特征，原對(duì)象，表象新對(duì)象，心象

事元和事元可形成復(fù)合事元。同樣，思維操作基元與思維操作基元復(fù)合可以形成思維操作復(fù)合元。

存在操作基元Ii（i=1，2，…，n），則它們構(gòu)成的復(fù)合元表達(dá)式為

I′=(I1，I2，…，In)(4)

思維操作同樣具有可拓性，包括發(fā)散性、可擴(kuò)性、相關(guān)性和蘊(yùn)涵性，可利用事元的可拓性來(lái)描述。

2.4 復(fù)合思維關(guān)系模型

以往研究提出的各種邏輯只是某種意義上的單一思維操作模型，邏輯與邏輯之間沒有關(guān)聯(lián)起來(lái)，邏輯之間的邏輯（即關(guān)系）也無(wú)法體現(xiàn)。本文提出了復(fù)合思維的概念，利用物元、事元和關(guān)系元的可拓理論解釋復(fù)合思維，彌補(bǔ)單一思維理論的缺陷。根據(jù)復(fù)合元理論，物元、事元以及關(guān)系元之間的復(fù)合關(guān)系有七種，即物元復(fù)合、事元復(fù)合、關(guān)系元復(fù)合、物元與事元復(fù)合、物元與關(guān)系元復(fù)合、事元與關(guān)系元復(fù)合，以及物元、事元和關(guān)系元復(fù)合等。

定義關(guān)系元即是以關(guān)系詞或關(guān)系符號(hào)（簡(jiǎn)稱關(guān)系名）S、n個(gè)特征ai(i=1，2，…，n)以及相應(yīng)量值wi(i=1，2，…，n)構(gòu)成的陣列：

Q=(s，A，W)=s，a1，w1

a2，w2

an，wn(5)

用于描述w1和w2的關(guān)系，稱為關(guān)系元。其中：a1表示前項(xiàng)；a2表示后項(xiàng)；a3表示程度；ai(i=4，5，…，n)表示關(guān)系符號(hào)S的其他特征。例如，

Q1=調(diào)和關(guān)系，前項(xiàng)，色彩A

后項(xiàng)，色彩B

程度，0.8

連接方式直接

Q2=推理關(guān)系，前項(xiàng)，if調(diào)和

后項(xiàng)，then美

程度0.5

關(guān)系元和關(guān)系元可組成復(fù)合關(guān)系元。假設(shè)存在關(guān)系基元Qi（i=1，2，…，n），則它們構(gòu)成的復(fù)合元表達(dá)式為

Q′=(Q1，Q2，…，Qn)(6)

根據(jù)同樣的原理，可以得到復(fù)合思維各類組成元素之間的復(fù)合關(guān)系模型。假設(shè)，給定

I=d，b1，u1

b2，u2

bn，un=(d，B，U)，

R=N，c1，v1

c2，v2

cn，vn=(N，C，V)

那么稱

Q=s，a1，I

a2，R

an，wn(7)

為思維操作、思維對(duì)象及其關(guān)系組成的思維復(fù)合元，也稱復(fù)合思維關(guān)系模型。

實(shí)際上，思維操作元I和思維關(guān)系元Q的表達(dá)中已經(jīng)蘊(yùn)涵了思維對(duì)象元R。之所以把關(guān)系元Q作為三要素的最終復(fù)合形式，是因?yàn)槿魏我氐膹?fù)合必定存在某種關(guān)系，但它們之間可能沒有思維操作。

3 PCID的復(fù)合思維體系結(jié)構(gòu)

知識(shí)論把知識(shí)劃分為說(shuō)明性知識(shí)和過程性知識(shí)，但是不能有效說(shuō)明知識(shí)在思維過程中扮演的角色，存在相互交叉和纏繞的問題。從某種意義上講，知識(shí)即思維，思維即知識(shí)。因此，本文從思維科學(xué)的角度，根據(jù)產(chǎn)品色彩設(shè)計(jì)思維對(duì)象轉(zhuǎn)換形式和思維操作機(jī)制，將復(fù)合思維對(duì)象、操作體與色彩設(shè)計(jì)過程中可能用到的知識(shí)相結(jié)合，構(gòu)建了層次清晰、系統(tǒng)完整的設(shè)計(jì)知識(shí)體系，即產(chǎn)品色彩智能設(shè)計(jì)的復(fù)合思維體系，簡(jiǎn)述如下:

a）色彩設(shè)計(jì)的顯象體系。色彩顯象體系主要指設(shè)計(jì)師視覺感知到的客觀世界，這部分還沒有進(jìn)入人腦思維，是一個(gè)無(wú)限集合。設(shè)計(jì)師的認(rèn)知、學(xué)習(xí)、交流、設(shè)計(jì)等任何行為都需要這個(gè)體系接觸，但是只有接觸了才能確定獲取的信息。獲得的確定信息屬于色彩表象體系。對(duì)于色彩設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)來(lái)講，產(chǎn)品數(shù)字模型、產(chǎn)品效果圖、計(jì)算機(jī)體系外的客觀世界等所有未經(jīng)過系統(tǒng)處理、未被納入系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的客觀存在都屬于顯象體系。

b）色彩設(shè)計(jì)的表象體系。對(duì)于色彩設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)來(lái)講，其知識(shí)庫(kù)中的所有圖形圖像，或者通過檢索技術(shù)從Internet或其他存儲(chǔ)介質(zhì)上拷貝的圖形圖像都已經(jīng)真正進(jìn)入智能系統(tǒng)的思維體系，這些形象均屬于色彩表象體系。為了挖掘智能系統(tǒng)潛在的表象體系，可開發(fā)基于Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的圖像搜索引擎來(lái)及時(shí)更新圖形圖像庫(kù)。色彩表象的類比聯(lián)想主要通過圖像檢索、圖像處理、圖像識(shí)別和匹配計(jì)算實(shí)現(xiàn)。

c）色彩設(shè)計(jì)的心象體系。色彩心象體系是具有抽象特征的類表象體系，一般是經(jīng)過圖像處理、識(shí)別、特征抽取獲取的形象知識(shí)。在智能系統(tǒng)中的心象主要包括產(chǎn)品形態(tài)拓?fù)潢P(guān)系圖、產(chǎn)品組件拓?fù)潢P(guān)系圖、色彩調(diào)和關(guān)系圖、色彩集合等。色彩心象的類比聯(lián)想主要通過檢索、匹配計(jì)算實(shí)現(xiàn)，發(fā)散創(chuàng)新主要通過遺傳、變異、免疫機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

d）色彩設(shè)計(jì)的意念體系。在智能系統(tǒng)中，概念（意念）體系是一個(gè)完全抽象的知識(shí)體系。采用語(yǔ)義集合和語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立基于語(yǔ)義的知識(shí)庫(kù)，主要包含色彩情感語(yǔ)義知識(shí)、色彩風(fēng)格語(yǔ)義知識(shí)、形態(tài)風(fēng)格語(yǔ)義知識(shí)。基于語(yǔ)義的色彩知識(shí)庫(kù)能實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)師的自然交流，用途主要有三個(gè)：（a）能夠捕捉設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意念和消費(fèi)者的需求意象；(b)能理解設(shè)計(jì)師對(duì)色彩方案的評(píng)價(jià)描述語(yǔ)言；(c)智能系統(tǒng)評(píng)價(jià)的結(jié)果和修改建議可通過自然語(yǔ)言表達(dá)。色彩意念的發(fā)散、聯(lián)想、推理等機(jī)制主要通過遺傳算法、免疫算法等思維操作技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

e）色彩設(shè)計(jì)的意象體系。色彩意象體系是智能系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它起到聯(lián)結(jié)意念和形象的中樞作用。采用語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和框架表示方法實(shí)現(xiàn)部分色彩語(yǔ)義知識(shí)庫(kù)與圖形圖像知識(shí)庫(kù)相互關(guān)聯(lián)，模擬色彩意念到形象和從形象到意念的聯(lián)想機(jī)制。

集成上述子體系構(gòu)建的PCID復(fù)合思維體系轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。在顯象到表象的過程中，感覺系統(tǒng)起到主要作用，在后繼的轉(zhuǎn)換過程中，意識(shí)和潛意識(shí)起到主要作用。

根據(jù)色彩設(shè)計(jì)的意象體系、意念體系、心象體系、表象體系以及顯象體系的轉(zhuǎn)換過程及操作機(jī)制，結(jié)合產(chǎn)品色彩設(shè)計(jì)過程，提出PCID的復(fù)合思維體系框架，如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從思維和設(shè)計(jì)的角度論述了復(fù)合思維理論與技術(shù)研究的基礎(chǔ)，主要闡述了思維的生理、心理、哲學(xué)以及人工智能方面的研究。根據(jù)思維對(duì)象和思維操作劃分思維的類型，構(gòu)建了相應(yīng)的單一思維模型和復(fù)合思維概念模型。根據(jù)可拓學(xué)理論，構(gòu)建了PCID的思維對(duì)象模型和思維操作模型。根據(jù)產(chǎn)品色彩設(shè)計(jì)思維對(duì)象轉(zhuǎn)換過程和操作機(jī)制，建立了色彩設(shè)計(jì)的復(fù)合思維模型和色彩設(shè)計(jì)的復(fù)合思維體系，為PCID研究奠定了智能理論基礎(chǔ)，闡明了解決

PCID問題的途徑。

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