感性信息“轉嫁-映射”下的產品形態情感化設計

王毅 楊前 王家民

摘要：在產品造型中快速解決用戶日益傾向多樣化和個性化的感性需求問題。通過研究用戶參與設計的模式，提出了感性信息“轉嫁-映射”概念，即利用超橢圓方程提取形態橫截面特征，通過用戶對單體形態橫截面特征的風格感知評價實驗，創建形態橫截面原型風格特征庫，將感性信息轉嫁到單體形態橫截面特征參數中。用戶可通過語義檢索獲取自己所需的形態橫截面原型，并通過調整原型參數將感性信息與產品形態特征進行映射，構成新的形態原型。由設計師在形態原型的基礎上完成設計方案，解決了產品情感化設計決策的科學依據，為產品的情感化設計提供了研究基礎。

關鍵詞：工業設計 情感化設計 轉嫁-映射 感性需求 決策

中圖分類號：JB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）02-0091-03

引言

產品造型中快速解決用戶日益傾向多樣化和個性化的感性需求問題是當前智能設計關注的熱點。有創造力的設計師與未接受過設計培訓的人在數據分析和計算機輔助的情況下共同完成產品設計與開發已成為可能[1]。滿足用戶感性需求的產品不僅僅取決于物理層面的功能屬性，還需要通過構建“意義”的形式來激發愉悅和情感。[2]由于用戶對產品的需求表達，并不是一種理性的、可定量的信息，而是模糊的、多數以定性為主的感覺性的信息[3]，所以，要實現產品智能設計滿足用戶感性需求，需要在開發過程中能夠準確地影射用戶的感性需求，即在用戶的感知中獲得比較優秀的形態[4]。

在傳統情況下，積極有效的方法是設計師在設計過程中通過設計多種方案來迎合用戶的感性需求，工作量大，方案決策不確定性因素大，在具體實施面向用戶感知的產品設計時，很難將這些感性類的語言與造型的特征直接轉化[5]。因此，在造型過程中，如何有效獲取產品感性需求信息、提取產品造型特征，并將感性需求信息轉化到產品造型特征中是面向用戶感知的產品情感化設計與決策中的關鍵問題[6]。關于用戶需求方面的研究，OttO等用基本型、期望型和興奮型三種需求類型描述了用戶需求[7]。1984年，日本卡諾博士建立了KANO模型[8]，以直觀描述不同產品階段的動態需求。以外觀個性化設計為主的產品創新設計是影響用戶對產品情感化感知的主要因素。文中提出了感性信息“轉嫁一映射”概念，即用戶根據自己的感性需求，通過“調整產品造型特征原型參數”將感性需求信息經“轉嫁媒介（原型設計）”與產品造型特征進行映射，從而實現“面向用戶參與的產品情感化設計”，為后期以用戶為核心的產品情感參數化的智能設計與決策提供研究基礎。

一、感性信息的“轉嫁-映射”概念

如何讓用戶在產品概念早期參與到設計當中，并將感性需求在關鍵設計與決策環節中反映出來，是當前產品情感化智能設計與決策的發展基礎。用戶參與設計的積極性決定了產品映射用戶感性需求的準確性。讓用戶在設計過程中扮演積極的角色可以有效地將感性需求量化并納入設計過程[9]。

在互聯網技術的支持下，消費者參與產品設計的程度更加深入，大大減少了產品與消費者真正需要之間的差距。[10]從目前的設計方法來看，根據用戶參與設計的程度和方式，可以將用戶參與設計的模式分為直接參與和間接參與。用戶直接參與可以讓產品設計更能夠準確地反映用戶需求。間接參與，則需要設計師將獲取到的用戶需求根據自己的設計手法反映到產品設計當中。

無論是用戶直接還是間接參與設計，都需要將模糊的、不確定的，甚至隱含的感性信息以可視、可觸等物理要素呈現出來。作為承載可視信息的產品造型（產品形態、產品色彩），文中提出感性信息“轉嫁一映射”的概念，是指首先通過用戶對形態的感知評價，建立可通過語義檢索的“造型特征原型庫”，這樣庫中的“原型”便成為感性信息與產品造型特征的“轉嫁媒介”。

用戶在參與產品設計時，通過語義檢索調出“造型特征原型庫”中的形態原型（Form）[F]或色彩原型（Color）[C]，“調整產品造型特征原型參數”將自己對產品的感性需求信息經“轉嫁一媒介（原型設計）”映射到產品造型特征中，即直接將自己的感性偏好轉化到新的形態原型設計[F']或新的色彩原型設計[C']中，然后交由設計師完成后期的設計深入，從而將用戶感性信息轉化到產品造型當中，實現用戶參與的產品情感化設計，如圖1。

二、感性信息“轉嫁-映射”下的形態原型情感設計方法

（一）基于形態橫截面特征提取的“形態原型”設計

產品形態原型設計可以利用最貼近產品形態的簡單幾何體來概括，例如用球體、柱體、方體對形態圍合。相對復雜的產品形態，可將其分解為不同的、單一的、子形態的組合，同樣可以用球體、柱體、方體來概括這些“子形態”。這樣，復雜產品的“形態原型”是由多種簡單幾何體按照復雜產品形態的拓撲關系重構組合而成的三維模型[12]。通常，這些長方體、球體、柱體被定義為包圍盒。1976年Clark提出包圍盒技術概念，采用簡單的幾何形體將復雜的幾何物體圍住的方式，通過對兩個幾下可物體的包圍盒是否相交，來判斷它們是否碰撞。目前包圍盒技術被廣泛地應用到剛體觸碰、變形體觸碰、機器人視覺識別、圖像分析以及形態信息獲取、形態設計等領域當中[12]。包圍盒技術在形態信息獲取與設計中的應用越來越受到重視。包圍盒圖作為幾何模型具有簡單和緊湊的特性，便于形狀風格分析。為了解決用戶直接參與形態設計，所以，將構成產品形態的包圍盒轉化為參數化設計，這樣用戶就可以通過參數調整影射出自己的感性需求。

對稱形態的美感是人類所共知的，所以多數產品的形態中，對稱的形態很多。為了實現感性設計的“參數化”文中提出用超橢圓方程來獲取對稱形態的橫截面二維造型特征[14]，這樣用戶可以通過參數化調整把自己的感性需求映射到新的形態原型當中。

把X、Y項的指數看成橢圓方程的變量，則得到“超橢圓”的笛卡爾表達式（1），即

a，b分別是橢圓的長半軸、短半軸的長，當ε=1時，為一般橢圓方程。

設p，q為任意正實數，并替代ε且p≠q，上述橢圓方程的表達公式變為超橢圓方程式（2）。

式（2）克服了x，y只適應于典型橢圓形的問題，可以形成不同曲率、曲線特征的圖形[14-16]。用超橢圓方程提取形態的截面圖形，可解決產品形態截面中較為復雜的曲線特征提取。

如果用不同的“半橢圓”進行組合來提取形態截面曲線，則能滿足更多圖形的特征提取，如圖2。取a為1/2的產品子形態橫截面寬度w，b可與b取不同的值，具體參數設置標注見圖2中的（a）。文中用MATLAB開發了超橢圓提取與輸出產品子形態截面特征圖形的程序，模擬輸出的橢圓a相同，不同長軸b，b，及不p，同q和p，q組成的圖形，圖2中的（b）。

用超橢圓將產品關鍵部位的橫截面特征提取，是一種二維的圖形。通過建立z坐標，并將指定圖形C_ij（u）在坐標空間內進行平移T、繞z軸旋轉R_z（θ）、縮放S等方法建立三維幾何體C_ij（u）‘，即

C_ij（u）'=T·R_z（θ）·S·C_ij（u）（3）

（二）用戶感知評價下的形態橫截面原型風格特征庫創建

有關形態風格方面的研究，日本色彩設計研究所小林氏在對“形態和聯想”的調查發現“外凸的形狀表示溫暖，內凹的形狀表示寒冷;帶角的形狀表示堅硬，去角的形狀表示柔軟”等，且這些感知在一定的時期內相對穩定，可適用于不同的產品情感化設計。所以研究具有共同感知特性的形態及其所對應的感性信息可以很好地反映出用戶群的需求傾向。形態橫截面原型風格特征庫的創建可以實現通過語義檢索得到用戶感性需求所對應的形態設計特征。創建步驟如下：

步驟一 提取產品橫截面形態特征;

步驟二 通過感知評價實驗獲取用戶對產品橫截面形態特征的感知評價信息等;

步驟三 將獲取的感性信息進行量化并將橫截面形態分類處理;

步驟四 將量化好的分類信息映射到產品形態特征參數中;

步驟五 構建可語義檢索的形態特征原型庫。

由于用戶對產品形態風格的感知主要來自于三維形態體的感知，并不能直接感受到形態橫截面的風格。因此，本研究文中根據市場上收集的支架產品12個，用式（1-2）獲取相關的橢圓參數，輸入到MATLAB程序中，輸出提取的橫截面的造型特征。通過用戶對形態橫截面的風格感知評價構成“形態橫截面特征原型風格特征庫”。如圖3中的樣本以及表1中的“圖形”。確定“清新的——沉悶的（F-D）”、“動感的——安靜的（M-Q）”、“流行的——淘汰的（P-O）”、“舒適的——不適的（Co-Uc）”等4對感性詞匯作為用戶對產品個性化感知評價語義詞對，分別對應1-0的分值。

通過打分實驗，利用加權平均法得出單體橫截面特征‖M-Q‖、‖F-D‖、‖P-O‖、‖Co-Uc‖的風格感知值，如表1。按照風格語義評價進行排序，得到如圖3所示的支架橫截面特征風格感知情況。圖3中，橫排并列的截面圖形表示通過評價獲取的用戶感性信息近似。并以此構成“形態橫截面特征原型風格特征庫”。如果參與感知評價的人數越多，感知評價越準確。

（三）基于形態橫截面原型語義檢索的產品形態情感設計

首先將產品復雜形態拆分為子形態，子形態橫截面原型風格特征庫的建立是根據用戶感性需求語義評價構建的，每種截面原型都對應著用戶的感性評價值。基于橫截面原型語義檢索的產品形態情感化設計讓用戶根據自己的感性需求找到合適的語義及其閾值對應的原型，調整相應的參數進一步直接反映自己的需求，設計出新的子形態原型，組合新的形態原型，進而構成新的產品形態原型。然后由設計師在新的產品形態原型基礎上完成相應的產品造型設計。如果用戶滿意，設計師完成后期產品深入設計，如果不能滿足用戶感性需求，則可以返回，重新獲取產品形態原型，繼續設計流程。設計流程如圖4所示。

三、用戶感性信息“轉嫁一映射”下的含支架產品形態情感化設計案例

在很多產品里，支架不僅僅作為支撐結構，同時也是產品造型的主要元素，例如桌子、椅子的支撐腿、梯子的支撐桿和腳踏、自行車的車架、淋浴花灑的支撐架、扶梯、健身器的架構等。所以，支架的形態風格在整個產品造型設計風格中起到了決定作用。用戶對這些支架的外形、風格的感知評價，反映著用戶對產品的情感化需求。

目前，這類產品的支撐架多為標準型材，以降低加工成本。但是，型材品種及形態不能滿足當前用戶對產品的情感化需求，因而，越來越多的以支架結構為主體造型的產品開始采用非標準型材，這無疑增大了加工成本和市場風險。那么如何實現新研發的非標支架有效滿足用戶感性方面的情感化需求，避免開發研制風險，或者說，生產型材的廠家能夠獲取用戶對型材風格的需求趨勢，提前生產新型型材，以滿足市場需求或引導市場需求，就成為此類產品能夠快速滿足用戶需求，實現科學決策的關鍵技術。文中研究方法對支架風格評判以及風格特征庫的建立，可以更好地支持含支架產品的風格化設計。

案例一，首先將餐桌造型分解為支撐腿和桌面兩個子形態;讓用戶以“清新的一沉悶的”（‖F-D‖）作為一對風格特征，進行設計參與，通過語義檢索形態橫截面特征原型風格特征庫（表1），得到子形態的截面特征原型5號樣本;然后再調整子形態的三維幾何構造參數，即輸入坐標上的變換距離tz，旋轉角度θz，縮小比例s，沿以坐標原點為圓心的圓弧軌跡移動等復合變換，便得到了基于形態截面風格特征的支撐腿基本形態（表2）;組合桌面和支撐腿的形態原型，由設計師對設計方案進行優化設計，快速獲得設計方案，效果圖如圖5，設計過程將用戶感性需求“轉嫁映射”到了設計方案中。

案例二為單人電動車車架設計（電動車的子形態）。同樣讓用戶以“清新的一沉悶的”（‖F-D‖）作為一對風格特征，進行設計參與，通過語義檢索形態橫截面特征原型風格特征庫（表1），得到子形態的截面特征原型1號樣本;然后再調整子形態的三維幾何構造參數，即輸入坐標上的變換距離tz，旋轉角度θz，得到基于截面風格的各種形態（圖6），再通過設計師的再設計表達，得到最終的設計方案，具體的風格感知值與變形設計參數見表3“單人電動車設計實例”。

根據新的形態原型特征圖形，通過三維變化和組合，得到如圖7的新形態原型設計方案。當參與的用戶增多時，可以通過數據的采集，獲得用戶需求趨勢。而這一趨勢最終能夠以形態原型參數的取值范圍量化出來，這樣也就實現了對用戶群感性需求信息的量化并映射到造型中。

結論

根據研究提出的感性信息“轉嫁一映射”的概念，通過用戶對單體形態橫截面的風格感知評價實驗，將感性信息映射到橫截面的特征參數中，并探討了形態橫截面原型風格特征庫創建方法，使用戶可通過語義檢索獲取自己所需的形態截面原型的方法，從而實現了用戶通過調整截面原型參數將感性信息與產品形態原型特征進行映射的思想。通過含支架產品形態原型開發與設計，驗證了文中提出的“基于形態原型語義檢索的產品形態情感化設計”較好地將用戶感性需求信息映射到造型過程中，為后期面向用戶參與新產品形態情感參數化設計與決策奠定了基礎。

為了更好地實現面向用戶感知的產品情感化設計，用戶直接參與的產品形態體特征的提取及其參數化設計以及基于截面風格相似的形態變形設計方法、解決風格一致性的產品形態系列化設計等值苛懸進一步研究。

基金項目：國家社科基金藝術學項目（18GB132）

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