蝴蝶色彩仿生特征在智能座艙CMF 的設計應用

摘 要：智能座艙的CMF 設計成為吸引用戶的重要手段之一。蝴蝶蘊含獨特的色彩自然美法則，成為CMF 設計師的重要靈感來源。本文以蝴蝶為色彩仿生研究對象，使用K-means 聚類算法從蝴蝶圖像中提取出對應的色彩組合，結合日本色彩研究所配色體系（PCCS）探究蝴蝶的色彩組合、色彩調和規律，得到了3 組智能座艙色彩設計方案。為滿足座艙的造型設計定義與色彩設計定位要求，將蝴蝶色彩仿生特征應用于智能座艙的CMF 設計方案，從而驗證了色彩仿生設計方法在智能座艙的CMF 設計中的可行性。

關鍵詞：工業設計；色彩仿生；智能座艙；CMF

0 引言

智能座艙作為整車智能化的核心，為用戶提供人—車—環境信息交互和需求的空間。座艙的色彩與材質設計滿足功能性的同時也強化了舒適與愉悅的高品質感官體驗，對人的情緒和心理造成直接影響。智能座艙的CMF（ColorMaterial Finishing）設計成為吸引用戶的有效手段。

仿生設計作為常用的創新設計方法，巧妙地運用了仿生形態的優勢，色彩仿生也成為表達視覺效果的最直觀的途徑之一。利用仿生學原理，借鑒自然界中的色彩元素，通過CMF 設計將為改變智能座艙技術同質化的現狀提供設計新思路，拓寬應用前景。

1 色彩仿生的原理

色彩在生物體中的出現具有深遠的生物學和生態學意義。從絢爛的鳥羽到具有偽裝能力的昆蟲，色彩在生物進化的過程中演化出多種功能，從基本的偽裝、警告，到吸引配偶的儀式中的形態展示，色彩在自然界中扮演了舉足輕重的角色。

色彩仿生研究的背景與仿生設計的興起密不可分。20世紀60 年代，仿生設計理念在設計界開始萌芽[1]。21 世紀初，隨著人類環境意識的覺醒和可持續發展理念的提出，仿生設計得以迅速發展。仿生設計通過模仿和學習自然生物形態、結構、材料和過程等方面的特點，將生物學原理應用于設計并解決具體設計問題，創造出功能完善、形式優美、節能環保的設計作品。

色素、生物發光與結構生色是生物顏色的來源[2]。結構生色是由入射光與周期性納米結構表面之間的干涉、衍射和散射相互作用而產生的，自然界中的這些納米結構的構造能表現出明確的宏觀效應，具有多種鮮艷的顏色、長期穩定和環保、低能耗以及神秘的生物功能等優點[3]。物理學家和材料學家從微觀層面研究自然中的色彩結構，并將這種結構復現在實驗室中，模仿蝴蝶翅膀的鱗片結構生色效果[4]，將產生的絢麗奪目的視覺效果運用于手機、汽車等工業產品的表面著色工藝。

生物色素，如葉綠素、葉黃素、花青素等是一種存在于生物體和細胞內的天然化學物質。變色龍等雄性動物在求偶或社交活動中因其含有色素的細胞器在真皮著色團內的分散或聚集而表現出復雜且快速的顏色變化[5]。生物色素，也作為有機染料被廣泛運用于紡織材料與產品設計。

2 色彩仿生的心理學基礎

色彩直接影響人的情緒和心理活動。景于等[6] 闡述了在色彩作用于人的過程中產生的兩種心理效應：單純性心理效應，即色彩的物理學刺激感直接產生的心理和生理性影響；間接性心理效應，即伴隨單純性心理效應產生的色彩聯想。史淑媛等[7] 在顏色與情緒關系的研究中總結了顏色影響情緒的理論機制：顏色的概念隱喻理論，顏色情境理論及顏色的習得性聯結理論。

結合自然界中不斷進化的色彩組合方案，在了解并掌握了色彩對人類心理活動的影響之后，基于色彩心理學效應，提取蝴蝶的色彩仿生特征，運用不同的色彩組合進行相應的仿生設計，改變智能座艙中乘員的視覺環境，從而提升駕乘體驗將是一種有效的CMF 設計嘗試，對營造舒適的座艙環境有重要意義。

3 蝴蝶色彩仿生特征的提取

蝴蝶翅膀絢麗多彩，蘊含獨特的自然美法則，為智能座艙的色彩方案設計提供豐富的靈感和啟發。對蝴蝶的色彩進行科學合理地提取，進行色彩仿生設計，可獲得多種智能座艙色彩方案。

3.1 蝴蝶色彩的提取方法

有研究表明：色彩提取的方法分為測色法和聚類提取法。從早期的目測到當下測色儀的更新換代，測色法一直是對自然界物體色彩直接提取的主要方式。藝術設計領域學者基于智能算法開發出更科學高效的聚類色彩提取方法。張旻爽[8] 等人使用優化后的K-MEANS 聚類算法對蜂鳥羽毛的照片進行主色系提取并分析規律制成配比色卡。

考慮到K-MEANS 聚類算法的有效性和科學性在色彩提取領域已得到廣泛使用和驗證，基于智能座艙的色彩設計要求，本文采用K-MEANS 聚類算法將處理后的蝴蝶照片進行色彩提取。包含四個主要步驟：（1）截取蝴蝶樣本圖片的翅膀主體部分；（2）剔除圖片的背景色；（3）將剔除背景色的圖片導入K-means 聚類算法中，得到一組色卡的色彩數值和比例關系；（4）將提取出的色彩組合色卡導入日本實用配色系統，進行配色規律的分析，并結合智能座艙的造型定義與色彩定位，運用配色原則進行色彩仿生方案的設計。

3.2 蝴蝶色彩仿生特征的提取過程

根據智能座艙的色彩設計流程與規則要求，色彩方案中所呈現的色相數量一般不超過3 個，含主色、輔色與裝飾色。因此，設定蝴蝶顏色的提取數量為3。為了突出蝴蝶顏色的主體性，本文只提取蝴蝶翅膀的主體顏色，考慮到其頭、胸、腹等部位的顏色特征以及環境背景色對提取目標色的影響，預先剔除蝴蝶圖片樣本的背景色。以丹頂貓頭鷹環蝶圖像為例，截取出蝴蝶翅膀主體（單側），在色相環上提取出與該蝴蝶翅膀主色呈180°位置的顏色作為背景色進行填充（圖1）。根據聚類算法的變量要求，將背景色進行單獨聚類計算并從計算結果中予以剔除，考慮蝴蝶色彩提取數量、背景元素色彩提取數量這兩個主要因素，采用可對圖像進行詳細色彩分析的工具（IMAGE COLORSUMMARIZER）中，使用 K-Means 和均方誤差等高級算法來識別、聚類和分析顏色，設定色彩聚類中心數量為4。

將用于主體色彩采集的圖1-（b） 導入K-means 聚類算法中，得到包括背景色在內的色彩數值和占比結果（表1）

因選定的初始聚類中心數量為4，所以第一次聚類后得到四種色彩的比例結果，剔除背景色彩后，將聚類中心數量變為3 并重新進行聚類計算，得到三種色彩的比例關系。重復將前一次得到的結果進行迭代，進行到第三次時得到穩定的提取結果（圖2）。

采用相同方法對其他蝴蝶色彩樣本分別設定聚類中心為3 并逐一進行聚類計算。

本文結合智能座艙的造型設計定義與色彩定位要求，按照色彩調和原則，選取6 個典型的蝴蝶色彩原圖，按照前文所述色彩提取方法進行蝴蝶色彩仿生特征的提取，獲得對應的蝴蝶色卡（圖3）。

3.3 蝴蝶色彩仿生的分析

PCCS（Practical Color Co-ordinate System） 色彩體系是日本色彩研究所在Munsell 表色系和Ostwald色彩體系的基礎上，綜合二者長處和模式改良研制所得，其特點是將色彩的色相、明度、彩度三屬性綜合成色相與色調兩個主體要素[9]。根據不同的明度將無彩色系劃分為9個等級；根據不同的明度和彩度數值將有彩色系設定成12個不同的色調系統（圖4）。

本文仍以丹頂貓頭鷹環蝶為例，將剔除背景色的蝴蝶樣本中提取的顏色導入PCCS 體系（圖5），得到相應的色彩編號，再將其匹配到相應的色調系統，從而探究蝴蝶仿生色彩的分布規律（表2）。

運用相同的聚類計算與轉化方法，將聚類提取出的圖3 中的6 個蝴蝶樣本色卡的數值導入顏色代碼查詢系統（https：//colorcodesearch.com/pccssurch/），完成色彩匹配，所形成的蝴蝶樣本的色彩分布結果詳見圖6。

4 色彩調和在智能座艙中的應用

智能座艙的色彩搭配效果直接影響到乘員的感知與情緒體驗。自然界的色彩搭配和應用經過長期進化，已高度適應了生物的生存和發展需要，這些策略和原理為智能座艙的色彩設計與色彩調和提供科學而富有創意的解決方案。

色彩調和源自日本明治時期，是指兩種或兩種以上的色彩，按自然協調的方式有秩序、協調地搭配組織在一起，達到和諧整體的效果[11]。根據色相的不同可將色彩調和劃分為類似調和、對比調和與無彩色調和三類；PCCS 色彩體系根據不同的明度和彩度數值將色彩進行色調劃分。

本文通過運算、提取、分析后獲得的蝴蝶色彩仿生特征作為色彩設計的要點，以智能座艙造型設計方案為載體（圖7），運用色彩調和方法進行智能座艙的CMF 設計。

（1）類似調和，指使用色相相近的顏色進行搭配時，通過改變顏色的彩度和明度，獲得深淺不同的層次變化，形成和諧統一的色彩效果。以圖3-a 中的淡綠無螯蛺蝶的色彩為例，將聚類計算所得具體色相與PCCS 系統進行匹配，確定智能座艙的整體色彩基調，并利用類似調和法則，完成智能座艙色彩初步設計（圖8）。色彩方案呈現了淡綠無螯蛺蝶的整體化的偏綠色相，通過彩度和明度的變化強調智能座艙的整體色彩層次變化。

（2）對比調和是將色相環中距離較遠的兩種色彩，尤其是兩者位置接近180°的顏色（補色），通過對比的方法和色相排列規律進行搭配，從而取得和諧的色彩效果[12]。以丹頂貓頭鷹環蝶的色彩仿生設計為例（圖9）。根據其在PCCS 體系中的色彩分布可看出，兩種對比色都處于明度較低的1.5 至5.5 區域，紫色為主色，黃色為點綴色，并且有處于彩度和明度都極低的暗灰色調的顏色作為輔色從中進行調和，形成了座艙的低明度與高彩度結合的色彩對比效果。

（3）無彩色是相對于有彩色而言沒有明顯的色相傾向的顏色，即黑白灰。任意無彩色與有彩色中的任何顏色搭配都是調和的[13]。因此，當有彩色的調和出現強烈沖突時，通過無彩色改變色彩的整體彩度或明度以達到調和的目的。以玫瑰青鳳蝶的色彩仿生設計為例（圖10）。座艙色彩呈現出鮮明的對比關系，由于無彩色的調和，穩重的色調中也透出活躍的色彩區域，避免了色彩的沉悶感。

5 基于蝴蝶色彩仿生特征的智能座艙CMF 設計

運用蝴蝶色彩仿生的色彩提取方法，結合類似調和規律，以淡綠無螯蛺蝶色彩仿生為例，完成智能座艙的CMF設計（圖11）。

該方案的仿生對象淡綠無螯蛺翅膀的顏色具有啞光及柔和的特點，座艙內絕大部分表面采用麂皮紋通過軟包工藝打造柔軟和自然感，中控臺等硬質部件也使用啞光表面和消光工藝處理，打造柔和自然的效果，整體氛圍親切、柔和、舒緩。淡綠無螯蛺蝶翅膀的呈色原理和結構是色素色，外面覆蓋一層透光鱗片?；诖嗽?，在儀表板的副駕駛位置增加了可以自定義文字的透光表面設計，為乘員增加交互的趣味性。

6 結語

色彩仿生涉及多領域的交叉融合，本文基于K-means聚類算法和日本色彩研究所配色體系（PCCS）對蝴蝶進行色彩提取，基于色彩調和理論與規律，探究色彩仿生特征，并運用三種色彩調和方法，結合智能座艙的造型設計定義完成三組CMF 設計方案。該研究方法為智能座艙的CMF 設計提供理論依據與實踐參考。

隨著智能化時代的發展和人們對出行空間舒適度等要求的提高，色彩仿生設計方法可以在智能座艙這一新興領域中得到更好的應用，通過該方法分析出色彩仿生的搭配規律，結合色素和結構色特征可以打造出舒適美觀的艙內環境，更好地提升智能座艙內的高品質感官體驗，將色彩仿生應用于智能座艙CMF 設計將成為提高智能座艙設計品質的有效途徑。

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基金項目：國家自然科學基金重點項目：基于數字孿生的金屬仿生增材制造原理及關鍵技術（項目編號：52235006）。