基于形狀文法的產品形態創新設計研究與實踐

王偉偉，楊延璞，楊曉燕，余隋懷

（1.陜西科技大學設計與藝術學院，陜西 西安 710021；2.西北工業大學工業設計研究所，陜西 西安 710072）

隨著市場競爭的加劇和技術的快速發展，企業間的競爭已由最初的市場和技術競爭逐漸轉變為品牌和設計的競爭。產品設計是設計師通過創意編碼解決問題的過程，融合了形態、色彩、材質、質感等造型元素解決目標群體對功能、認知和審美的綜合需求。在設計過程中，我們需要深入研究相似或相近產品領域的設計特點，繼承優勢設計特征，以更好地滿足目標群體的需求。

近年來，針對產品形態設計方案生成的研究主要集中在對用戶需求研究、設計語義及品牌基因研究方面，主要是在技術、成本、材料等約束的基礎上，融合產品族外形基因、品牌風格、感性意象等因素，通過外形線條、色彩、材質等的變化以形成系列化產品與差異化品牌。如：文獻[1]提出了一種以語義差異法和量化統計法為基礎的產品材質意象決策支持模型，以匹配產品設計過程中的材質選擇問題；文獻[2-3]利用灰關聯分析與神經網絡等數學方法，探討了感性意象與產品造型設計要素之間的映射關系，并通過遺傳算法進行優化；文獻[4-5]研究了采用進化計算以自動生成產品設計方案的方法，并應用于產品形態[6]、色彩[7]的創新設計過程。文獻[8]將產品族外形基因與產品風格意象結合，建立產品風格意象與產品族外形基因之間的雙向推理映射模型，文獻[9]從產品品牌視覺識別的角度進行產品系列化設計等。

在以上研究的基礎上，本文提出一種基于形狀文法的產品形態創新設計模型，以輔助實現品牌基因、參考形態元素與流行設計元素之間的融合和推演，并深入研究了其關鍵技術，給出了完整的實施方案線路。最后，利用某款針對青少年的電動踏板車的形態設計過程對該方法進行了驗證。

1 基本概念

1.1 形狀文法

形狀文法(Shape Grammar, SG)最初由George Stiny和James Gips提出并應用于繪畫與雕塑創作，后來擴展到產品品牌識別與創新設計領域，是一種以形狀運算為主的設計方法。形狀文法能夠使產品按照一定的規則生成新的形狀并保持品牌的延續性[8]，同時也用來產生新的產品造型方案[9]。根據George Stiny對形狀文法的定義，其可以表示為：

SG=(S,L,R,I)，其中：S為形狀的有限集合；SG為S經比例、旋轉等操作衍生的形狀集；L為標記的有限集合；R為推理規則有限集合；I為初始形狀。

在實際產品形狀推理過程中，初始形狀為目標產品的形態曲線，可對部分或全部形態曲線進行推理演化，同時可以選擇是否使用形狀標記。

1.2 形狀文法推理規則

常用的形狀文法推理規則包括：

（1）置換：用其他產品部分形態曲線替換某產品的現有形態曲線的變化，可表示為：T0S=S′，如，S={○，◇，☆}，T0S={○，◇，□}。

（2）增刪：增加或刪除初始形狀的部分或全部形態曲線，可表示為：增加：T1S=S⊕S1=S∪S1-S∩S1，如，S={○，◇，☆}，S1={○，△}，則T1S={○，◇，☆，△}；刪除：T2S=S?S1，如，S={○，◇，☆，□，△}，S1={○，◇，□}，則T2S={☆，△}。可以看到，對于形狀增加推理，S∩S1可為空，對于刪除操作則需有S1?S。

（3）縮放：縮小或放大初始形狀的部分或全部曲線，可表示為：

當λ＞1時為擴大變換；當0<λ＜1時為縮小變換；當λx=λy時為等比縮放；當λx≠λy時為不等比縮放。

（4）鏡像：初始形狀的部分或全部曲線延某一軸線發生翻轉，可表示為：

當k＜0時，若kx=-1，ky=1，則為S沿y軸鏡像；若kx=1，ky=-1，則為S沿x軸鏡像；其他鏡像變換可由這兩種鏡像操作得到。

（5）復制：對初始形狀曲線進行復制、移動操作。

其中，N為復制操作次數，M為復制操作后形狀位置的變動。n≥0且n∈Z；當n=0時，則表示形狀S未復制，僅在x，y方向的位移為mx，my。

（6）旋轉：對初始形狀進行角度變換。

其中，θ為圖形S繞坐標軸原點逆時針旋轉的角度。

（7）錯切：錯切變換是改變圖形S的坐標值的方法，在繼承原有圖形特征的同時也進行了變化，可以表示為：

其中，hx，hy分別為S在x，y方向上的錯切量。

（8）坐標微調：

式中，Δx，Δy分別為S的坐標變動量。

在具體的設計應用過程中，幾種形狀推理往往有大量的交叉和重復，如對形狀的復制也屬于增加，單純的坐標變化亦可實現擴縮、旋轉與錯切等。然而在設計時為了繼承企業品牌的形態意象，應用擴縮、旋轉與錯切操作較單純的坐標變換能更好地實現形態風格的延續，而坐標微調則常用于產品形狀曲線的局部變換。

2 推理模型構建

根據形狀文法相關理論與推理規則，提出基于形狀文法的產品形態設計推理模型，如圖1所示。

圖1 基于形狀文法的產品形態設計推理模型

該模型主要包括3個大的部分。

模塊一：產品研究模塊。從目標產品出發，根據設計定位進行詳細地設計研究。首先，選擇目標產品的同族產品，構建同族產品集Pf；并篩選與目標產品相關性較高的非同族類產品，構建其他可參考產品集Pdf。其次，采用型譜分析、因子分析等方法，對同族產品和其他可參考產品進行形態分析，抽取其共性的形態元素，構建形態特征群，用于第二個階段的形態推理。

模塊二：形態推演模塊。由模塊一分析得到的產品形態特征元素，輸入形狀文法推演引擎，選擇推理規則，并輸入設計約束（如尺寸約束等）進行形態推理演化。

模塊三：方案生產模塊。設計師從推演得到的諸多設計方案中初步篩選，在進行詳細的方案評價后，對方案進行細化設計，以確定最終方案。

3 產品研究與形態推演

以某款電動滑板車設計為例，運用形狀文法進行產品形態設計。通過與產品廠家溝通，確定產品目標人群是年齡段為6~16周歲的青少年，產品意象定位為動感、時尚。

3.1 目標產品分析

為了明確針對設計目標的主要造型要素，首先對電動滑板車進行形態層次分析，總結出電動滑板車的外形要素主要包括：手把、轉向桿、前叉、前輪、車架、踏板、電池盒、電機、后輪和支架。由于電機、前輪、后輪和支架屬于采購標準件，車架為踏板的內部支撐，故在分析時不予考慮。其次，通過有針對性的問卷調查分析影響產品意象認知的主要形態要素。實際發放問卷300份，調研人群為初中生和高中生，有效問卷269份，問卷統計結果如表1所示。結果表明，56.8%與52.1%的青少年認為踏板更能體現電動滑板車的動感與時尚感，其次是手把。因此，本文將主要分析踏板形狀的演化過程。

表1 電動滑板車意象調研結果

3.2 產品篩選與形態分析

根據產品的意象定位，搜集和篩選可參考的電動滑板車同族產品與其他可參考產品，并提取可用于形狀推演的形態元素。部分產品如表2所示。

表2 產品篩選與形態分析（部分）

3.3 形態推演

對目標產品的初始形狀進行編碼，目標產品的形狀由曲線集合{A1A2，A2A3，A3A4，A4A5，A5A6，A6A1}構成。從表2的同族產品中選擇P1、P2、P4，異族產品中選擇Pd1，與目標產品形狀同時輸入形狀推演引擎，作為推演的初始形狀，如圖2所示。推演的尺寸約束設為540mm≤L（長）≤620mm，105mm≤H（高）≤160mm，在寬度方向上不做限制。推演過程示例如圖3所示。

圖2 初始形狀

圖3 推演過程示意

圖3中r1表示置換操作，r2表示增減操作，r3表示縮放操作，r5表示復制操作，r6表示旋轉操作，r8表示微調操作。

4 方案生成與細化

形狀文法生成的方案數量較大，包括過程方案與最終方案。從生成的初步方案中篩選出4個踏板形態組成整車方案，然后從動感與時尚角度采用語義差分法并用7級量表用于用戶心理意象測試，如圖4所示。

圖4 意象測試表截圖

組織20位中學生進行測試，評價結果均值統計如表3所示。

表3 方案意象測試結果統計表

統計結果顯示，方案1具有較強的動感，而方案3的時尚感較強，綜合來看，P3>P1>P2>P4，對P3和P1細化并構建三維模型，最終效果如圖5所示。

圖5 方案細化效果圖

5 結 論

在深入分析電動踏板車形態特點的基礎上，本文提出了一種基于形狀文法的產品形態創新設計推演模型，并從產品研究與形態分析、形態推演、方案生成等3個大的方向進行了論述，結果表明，該方法能夠較好地同時從同族產品與其它參考產品中獲取形態元素，且能夠最大限度地接近設計目標、滿足用戶需求。當然這一理論的廣度和深度還有待于進一步深入探討，接下來的工作是：① 打破形狀文化的二維限制，研究適用于三維形態的形狀文法推演機制；② 研究形狀文化推演過程的智能設計技術，為進一步構建產品智能快速設計平臺奠定基礎。

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