基于形狀文法的工程自卸車前臉造型設計研究

馬 瑞，陳澔利，穆曉鵬，尹 歡

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024；2.山西大運汽車制造有限公司，山西 運城 044000)

隨著經濟的繁榮發展，市場環境、社會文化以及消費時尚會隨著時間的推移，不斷發生變化，因此企業需要在較短的時間內迅速作出回應，設計出具有創新性的產品造型，來滿足市場需求，并使新的造型設計風格與企業總體品牌特征相符合。而形狀文法可以對產品的系列化設計提供一定的設計思路和方法，例如，2004年美國別克汽車設計公司運用形狀文法分析和探索了屬于別克的品牌造型語言[1]。楊濤[2]提出了基于形狀文法的汽車前臉造型意象重組方法，對汽車造型創新及延續提供了新的思路。孫志學等[3]通過感性情感約束和功能技術約束制定了形狀推演規則的設計思路，并將其運用到應急通行車的造型設計中。趙靜等[4]基于形狀文法對電動汽車平臺的繼承性設計方法進行了研究。陳威等[5]運用形狀文法，提出現代有軌電車造型譜系設計方法，并對其繼承性進行了驗證。

在現有研究中，形狀文法側重于產品風格塑造的特點得到了充分體現。汽車的駕駛室“前臉”部分是整車造型設計的核心，其造型風格的創新性與新穎性對企業品牌塑造等方面具有重要意義；而目前少有運用形狀文法對工程自卸車前臉造型設計進行的研究。為此，本文基于形狀文法對工程自卸車前臉造型進行創新性研究，充分運用形狀文法法則的運算特征，以期對卡車前臉造型設計方法提供一定的理論參考。

1 形狀文法

20世紀70年代，美國麻省理工大學教授史坦尼(George Stiny)沿用語言學中衍生文法的概念，首先提出了形狀文法。通過形狀文法可以將一個復雜的形態還原到最原始的形態：點，線，面，體；也可以從一個簡單的形態中推演出復雜的形態。形狀文法應用在設計中的核心是按照人們的設計思想和要求，從一個或幾個簡單的初始形狀，依據一定的規則，產生出新的形狀以及新的結構，即透過形狀的文法關系與規則來描述、設計的空間組織或造型組成[6]，如圖1所示。

根據STINY和GIPS的定義，形狀語法(SG)可以表示為：

SG=(S,L,R,I) .

式中：S為形狀的有限集合；SG為S經比例、平移、旋轉、鏡像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。

圖1 形狀文法的推理規則Fig.1 Inference rules of shape grammar

2 大運工程自卸車前臉造型分析

汽車駕駛室前臉部分，是汽車造型設計中最為重要的一部分，是視覺的聚焦點[7]，不同的品牌均有其各自不同的前臉造型風格。前臉造型中，車燈組、前風窗玻璃以及進氣格柵等都由不同的幾何元素組成，都是明確的可識別性符號，代表著品牌獨特的設計風格。為了盡量減少次要因素對結論的影響，筆者通過選取同一品牌同一車型不同系列的工程自卸車前臉造型進行對比分析，以探究形狀文法在其造型中的應用法則[8]。

通過對山西大運汽車制造有限公司(以下簡稱大運)現有上市卡車調研發現，大運旗下的工程自卸車有N6系列、N8C系列、N8E系列、N8V系列、N9系列，如圖2所示。

2.1 整體形態分析

筆者嚴格按照形狀文法的理論，即從一個復雜的形態還原到最原始的形態——點、線、面，進而將現有造型還原為其設計的初始狀態。為減少其他變量對實驗的影響，選取同一品牌，噸位相同及駕駛室尺寸接近的車型作為設計原型。根據工程自卸車前臉中不同的功能將“前臉”劃分成了不同的區域，筆者分別對4個系列工程自卸車前臉部分的擋風玻璃、燈組(前大燈，頂部視寬燈)、保險杠、前面罩等外輪廓幾何形狀，以及其前臉部分功能分區的關鍵特征線和局部分型線進行提取。如圖3所示，前臉外輪廓的頂部最高點與底部保險杠的最低點連線形成線條a，它的走向顯示出“前臉”整體輪廓近似梯形，4款車的上下進氣格柵造型略有不同；b曲線為擾流罩的關鍵特征線，即為進氣格柵與擾流罩的分型線；c曲線為下進氣口與保險杠的分型線，線條b和線條c的走向顯示出上下進氣格柵整體呈U型，從前風窗玻璃一直延伸至保險杠上沿，形成了獨特的造型風格。保險杠的基本形狀呈長方形，不同系列略有變化。

隨著汽車品牌和社會潮流的迅速發展，N8V系列的前臉造型和整體設計風格融入了一些全新的元素，包括蘊含中國傳統文化的甲胄式黑黃相間的粗壯進氣格柵前臉，形似披膊的包角導流板設計，造型硬朗、運動感強，使車輛更富有張力，彰顯威嚴和安全。保險杠迎合進氣格柵，整體也呈U型，延伸至兩側；同時大燈與保險杠形成“咬合”造型，使整個型面更具整體性，實現技術與藝術的完美結合, 達到了精神需求與物質需求的雙重滿足[9]。此外，粗壯塊面的設計風格為品牌增加了一道“靚麗的風景線”。

圖3 大運工程自卸車前臉初始形狀提取Fig.3 Extraction of initial shape of front face of engineering dump truck of DAYUN

2.2 局部形態分析

進氣格柵和大燈組是整個前臉造型設計的核心部分，充分體現了企業的品牌風格。以進氣格柵為例，如圖3所示，進氣格柵的整體造型均采用橫向設置，通過多次使用形狀文法的復制以及局部增刪等命令，以增加整車的穩定感。前擋風玻璃、上下進氣格柵、大燈以及保險杠腳踏板的初始形狀均是運用形狀文法的運算命令變形組合而成的，擾流罩分型線曲率逐漸變大，保險杠與格柵的初始形狀在N6、N8C、N8E系列車型中基本未發生變化；局部造型變化較大的為N8V系列，該系統車型在遵循大運基本初始形狀的基礎上，結合品牌的設計主題，融入了中國傳統文化甲胄的造型元素，頂部遮陽罩、進氣格柵以及保險杠的獨特造型多次運用了形狀文法中的增刪與置換命令，擾流罩分型線由直變曲，整體造型體現出粗壯的肌肉感，使整車造型形成了視覺的統一，充分體現出造型的邏輯性。品牌的圓形logo與上進氣格柵組合，使此部分成為視覺的焦點，配合進氣口的形態設計進一步強化了品牌信息，而下部保險杠的整體形態曲線并未發生明顯變化。

3 大運重卡形狀文法推演規則

3.1 線的推演規則

貝塞爾曲線(又稱貝茲曲線)作為一種應用于二維圖形應用程序的數學曲線，可以依據多個節點坐標繪制出一條光滑曲線。根據節點數目n的不同，可以將貝塞爾曲線稱為n次曲線。

按照形狀文法的理論，首先需要將大運工程自卸車外輪廓線(即寬與高)以及局部分型線進行提取，由于駕駛室的長寬高尺寸一致，且貝塞爾曲線具有仿射不變性和幾何不變性等特性,能夠保持產品的主要形態特征，因此，筆者選取駕駛室前臉的最高點和最低點以確定一條直線，使用計算機軟件中的3次貝塞爾曲線建立平滑的曲線模型，其數學表達式為

B(t)=T0(1-t)3+3T1t(1-t)2+
3T2t(1-t)+3T3t2,t∈[0,1] .

(1)

式中：T0、T1、T2、T3分別為3次貝塞爾曲線中的4個節點，其坐標依次定義為(x0,y0)，(x1,y1)，(x2,y2)(x3,y3)；T0和T3分別為工程自卸車正立面的側面特征線最高點和最低點，同時也是貝塞爾曲線的控制端點；曲線起始于T0點，由T1和T2點控制方向走勢，最終到達T3.需要注意的是，曲線一般不會經過T1和T2點，這兩個點只是提供方向資訊。T0和T1之間的間距，決定了曲線在轉而趨進T3之前，走向T2方向的“長度有多長”。結合汽車前臉造型各功能分區，由于車身整體比例與各零部件尺寸一致，對局部形態以及前臉側面特征線進行運算，通過改變T1與T2兩點的坐標位置，來改變曲線的形狀。圖4選取N6系列車型中的側身輪廓線、擾流罩分型線作為樣本，進行節點選取。

圖4 特征線貝塞爾曲線節點選取Fig.4 Node selection of Bezier curve

3.2 面的推演規則

運算命令R0為置換命令，即用全新的形狀替換原有產品的初始形狀或局部形態。運算命令R1為增加命令，在初始形狀的基礎上增加全新的形狀。運算命令R2為刪除命令，在初始形狀的基礎上刪除局部形狀或全部形狀。運算命令R3為復制命令，按照初始形狀制作成相同的形狀。運算命令R4為縮放命令，單軸或兩軸縮小或放大初始形狀的部分或全部曲線，即在x軸或y軸方向進行比例縮放。運算命令R5為平移命令，即對初始形狀的節點在x軸或y軸方向進行位移。

若S=(A，B，C)，S1=(C，B，E)，其中不同字母代表不同的幾何形狀。若用S1中的E與S中的A進行置換，則R0S=(E，B，C)；若在S中增加S1中S沒有的元素，則R1S=(A，B，C，E)；在S中刪除與S1相同的幾何形狀，則R2S=(A)；若節點M的坐標為(x，y)且x軸與y軸的縮放比例分別為λx與λy，則對節點進行縮放命令時通過運用矩陣乘法進行運算，即：

當λx，λy>1時表示在x軸和y軸上進行放大；0<λx，λy<1時表示在x軸和y軸上進行縮小；而當λx=λy時表示等比縮放。

(2)

4 造型推演及方案評價

從設計需求角度出發，首先需滿足技術功能。在滿足工程技術條件的前提下，進行造型設計，依據現有大運工程自卸車的車身、正立面的各部件尺寸，在布局合理的前提下，運用形狀文法的推演規則，結合人機、材質加工技術等多因素約束，對前臉中各功能部件進行線、面的形態推演。圖5是對進氣格柵以及擾流罩分型線推演過程的簡單示意圖。圖中R0表示置換，R1表示增加，R2表示刪除，R3表示復制，R4表示縮放，R5表示平移。從圖5中可以看出，圖3中所提取的大運工程自卸車前臉進氣格柵的初始形狀m和n均由M表示；曲線b、b1為左右兩側進氣格柵分型線，將曲線b的最高點和最低點分別設置為T0、T3，作為貝塞爾曲線的控制端點，并在該曲線上提取T1、T2兩個節點來控制貝塞爾曲線的走勢，b1同理b.M1是m經過3次R3復制命令，以及y軸方向的R5等距平移命令后所獲得m2、m3和m4，且將m2，m3和m4運用R4命令進行x軸方向的縮小。在M1的基礎上，運用R2命令在m,m2,m3,m4上均刪除一個經過R4縮小命令后的m4，獲得新的圖形組合M2.運用初始形狀n，經過3次R3復制命令，以及y軸方向的R5等距平移命令后所獲得的n2，n3和n4，且n4運用R4命令進行x軸方向縮小，n3運用R4命令在x軸方向放大獲得圖形M3.在M3的基礎上，將n3運用R4進行放大，獲得圖形M4.曲線b，b1的T0、T3點位置始終不變。通過調節控制點T1，T2，T'1，T'2的x軸、y軸的坐標值，可生成無數條分型線b，b1的設計方案。筆者只調節了T1，T2，T'1，T'2節點X的坐標值，使曲線b，b1的走向與格柵形狀相吻合，生成M1，M2，M3，M4中4種分型線設計方案。

圖5 進氣格柵圖形、擾流罩分型線形態演變過程Fig.5 Evolution process of intake grille figure and spoiler parting line shape

由于大運N8C系列車型尺寸及整體輪廓并未發生較大變化，因此將其作為此次研究車型尺寸的模板，將其導入計算機輔助設計軟件CorelDRAW中，運用貝塞爾曲線繪制前臉關鍵特征線及部分功能部件的分型線，并運用形狀文法推演規則中的置換和增刪等命令，結合初始形狀進行基礎面的形態推演。如圖6所示，由于3次貝塞爾曲線所選取的節點坐標位置不同，形狀文法的文法規則運用的次數以及運用的規則不同，因此所生成的方案數量較大。

圖6 基礎面及局部分型線的形態推演示意圖Fig.6 Shape deduction of foundation surface and local part profile

筆者結合大運穩定莊重的品牌特征和視覺風格，以對上下進氣格柵進行再設計為考察點，結合圖6所示的進氣格柵與擾流罩分型線的造型推演方案，最后選取如圖7所示的4種前臉造型設計方案。所選取的方案在運用大運工程自卸車特有的形狀文法規則的基礎上，大量使用了水平線條，上下進氣格柵整體形狀依舊采用“倒梯形”，自下而上呈現階梯狀，多次運用初始元素，從上到下采用物象堆積法，其數量由密到疏，體量從大到小，整體視覺重心下移，給人以穩定和莊重的感覺，色彩整體采用黑紅色進行涂裝，通過色塊對比，營造了穩定感[10]。

圖7 工程自卸車前臉造型形狀文法推演示意Fig.7 Engineering dump truck front face shape grammar deduction

筆者選取100名被測試者，通過投票的形式從圖7所示的4種待選方案中選擇最可能作為大運新款工程自卸車前臉造型的方案。被測試者包括10名行業設計師、40名在校工業設計專業學生、30名非工業設計專業學生以及20名大運重卡用戶。調研過程如下：

1) 將4款設計方案圖同大運品牌的4款工程自卸車(N6、N8C、N8E、N8V)放在同一張A4紙上，并將其打印100份，分發給被測試者，并表明調研意圖。

2) 將100名測試者所做的選擇結果進行數據統計分析，其中，專業設計師、本專業學生、非本專業學生、用戶所占權重比分別是4∶2∶1∶3，分別對其進行賦值加權計算， 得到 4 個待選方案所對應的加權平均人數為{12，24，37，27}(如表1所示)，因此確定C方案為最優方案。

3) 所選最優方案中的進氣隔柵保留了整體呈“倒梯形”的品牌特征，同時上下進氣格柵采用封閉處理，從上到下由密到疏。最后將推演出的C方案導入Rhino 5軟件中進行三維建模，并運用Keyshot軟件對模型進行渲染，渲染效果圖見圖8.通過方案數據評價表可以證明，應用基于“形狀文法”理論的工程自卸車前臉造型設計方法達到了目標要求，該方法是可行且有效的。

表1 4種方案數據統計表Table 1 Evaluation table of data statistics 名

圖8 最終方案展示圖Fig.8 The final display picture

5 結束語

本文通過提取某品牌工程自卸車前臉的圖形元素，分析現有產品各功能分區的初始形狀和關鍵線條，并結合品牌特征、用戶需求、傳統文化及國內外重卡產品的先進理念，運用形狀文法的設計規則，在短時間內生成系列化的產品，增加車企在市場中的競爭力。該方法能夠較好地同時從同族產品與其它系列產品中獲取形態元素，且最大限度地體現品牌特征，接近設計目標，滿足用戶需求。但如何將前臉中外在的形式美和內在的科學先進性能完美地結合[6]，尚需要進一步的探索。