随着产品同质化愈发显著，市场对产品的内在属性提出更高要求。通过外观设计传达产品的内在隐性意象，能够迎合消费者感官需求并且有效提升产品市场竞争力^[1]。产品的内在属性设计包含大量感性因素，在定性、定量方面具有一定难度。感性工学(Kansei Engineering, KE)通过工程技术结合用户意象调研，将感性意象转化为设计要素，在该领域内获得广泛应用^[2]。由于其所使用的形态学图表法存在解构方式的局限性^[3]，传统感性工学模型在实际应用中价值不高^[4]。此外，产品造型设计还面临着另外一个难题：产品外观造型与硬件结构之间的兼容性较差。根据实际工程项目状况，硬件结构设计与造型设计存在知识领域壁垒，造成两者协作困难，需在试制过程中耗费大量工作对产品进行改进，这种设计现状给工程技术人员和企业发展均带来巨大阻碍。

工学与设计学相互融合有助于提高设计效率，减少设计迭代冗余^[5]。PETIOT等^[6]通过综合运用多种统计学方法，对用户感性意象进行分析并开发出用于理解和制定用户需求的语义工具，用于辅助设计师进行玻璃杯设计。RAZZA等^[7]通过调查剃须刀用户感性意象并进行度量，建立用户情感与造型设计要素间映射关系。罗仕鉴等^[8]将进化计算与产品族外观基因理论相结合，提出满足用户感性需求的运动型多用途汽车产品族侧面外观基因设计方法，并构建了计算机概念设计系统辅助设计师进行汽车产品设计。由于产品造型设计需要在规则下对各要素综合运用，为解决传统造型设计中单一部件单独组装造成的局限性，林丽等^[9]首先论证多维KE模型特征形态解构方法，优化了传统感性工学模型造型特征关系的整体性。刘玲玲、范灵秀^[10-11]等对多维KE模型提出优化与改进。刘征宏等^[12]通过对产品特征进行解构并构建多维KE模型，经模型比对和实验分析，证明外观多维度设计具有更高的预期精确度。多维KE的研究要求具有较强的产品解构能力，为结合产品物理功能的造型研究提供启发，对造型设计与功能结构的融合研究还有待深入。众多造型设计研究重在设计结果的反向验证，对面向用户情感需求的正向设计过程与整体造型产出的研究则更加缺乏。因此本文基于可拓学结构化与定量化特点，提出一种情感化造型基元的拟合模型。在消费者的情感需求研究中引入视知觉原理，以情感意象激发视知觉中的形、色、质各要素裂变，增殖出多维造型要素拓展元。通过多维造型要素与机械结构的多级可拓变换，优化模型中造型要素结构。在满足产品整体造型设计的同时兼顾产品内部机械结构对外观造型的影响，提高造型设计方法的实用性与智能计算的可结合性。

1 造型要素基元模型 1.1 造型设计 1.1.1 情感化设计

情感化设计是从消费者心理需求出发，将感性内容转化为设计参数加以应用^[13]。通过研究分析消费者在面对产品时模糊、细腻的感性心理，并在产品设计时采取与感性需求相应的设计要素，以保证产品满足消费者的心理需求，如图1所示。

明确情感化设计的基本框架后，应理解情感化设计还依赖人对物的情感化语义准确表征^[14]，而情感化设计方法在准确定位消费者模糊细腻的感性心理时存在误差，仍有待改进。工业设计中，造型艺术主要是通过视觉感知^[15]。受视知觉原理启发，可将视知觉与造型艺术的关系作为情感化语义表征，为造型情感化设计增加理论依据。

1.1.2 视知觉原理

从人类生理构造的微观层面考察，可以发现视觉机能对形式情感有着直接影响，并反映出在这一过程中主体人的心理及生理感受，如图2所示。产品的感性意象往往是隐晦和难以捕捉的，在实际调查中往往出现表达误差，非最优定义情感化语义方法^[16]。考虑调查深度和调查成本的局限性，难以全面、准确地概括出消费者的情感需求，故提出运用视知觉原理作为造型情感化设计的语义表征。

1.2 产品造型信息处理框架

基元模型为解决产品造型设计过程中的矛盾问题提供另一种解决途径^[17]。可拓学所运用的思维模式，可在产品造型设计中为基于情感意象的造型特征组合提供方法思路^[18]。故将该方法应用于产品造型要素可拓，可建立一种基于情感化设计的产品造型要素基元模型。根据视知觉原理，在产品造型设计中引入可拓论，根据所建基元模型 $ B=\left(O,C,V\right) $ ,定义对象 $ O $ 为情感意象,特征 $ C $ 为形、色、质;定义量值 $ V $ 为特征 $ C $ 所分别对应的造型元素，建立基于视知觉原理的形、色、质推导机理，如图3所示。

在可拓表征下，视知觉原理为情感化设计系统提供依据，同时情感化设计也作为视知觉原理在造型设计中的载体。计算机智能设计以其高效、便捷等特点逐渐成为当下辅助设计课题的主流^[19]，将可拓表征结合计算机技术，建立视知觉情感要素库，也为计算机技术下的产品智能设计铺垫基础。

1.3 构建造型要素基元模型 1.3.1 多维造型基元模型

划分产品造型维度为情感意象，形、色、质特征与造型元素。在产品造型设计过程中，情感意象群 $ {O}_{i}(i=\mathrm{1,2},\cdots ,n) $ 作为裂变活动起始点首先裂变，增殖出与情感意象对应的形、色、质群 ${c}_{\mathrm{X}i}, $ $ {c}_{\mathrm{S}i},{c}_{\mathrm{Z}i} $ 三维度组元；三维度组元继续裂变，增殖出大量的拓展元，如图4所示。情感意象群，形、色、质群以及对应的量值 $ {v}_{1~m} $ 所构成的阵列B表示为

$ B = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{O_i}},&{{c_{{\rm{X}}i}}},&{{v_1}}\\ &{{c_{{\rm{S}}i}}},&{{\vdots}} \\ &{{c_{{\rm{Z}}i}}},&{{v_m}} \end{array}} \right] $

(1)

1.3.2 造型多维模型的变换

为明确造型设计目标、优化基元拓展结果，将拓展元 ${v}_{1}\sim{v}_{m}$ 有序组合,形成置换拓展元 $ {v}_{1}'\sim{v}_{m}' $ ，通过对拓展元的各要素分类组合，构成置换形、色、质造型单元群 $ {c}_{\mathrm{X}i}' $ ， $ {c}_{\mathrm{S}i}' $ ， $ {c}_{\mathrm{Z}i}' $ ，实现基元I级变换；一组形色质造型单元构成一个造型要素收敛元 $ {O}_{i}' $ ，实现基元模型II级变换；单个造型要素收敛元 $ {O}_{i}' $ 即包括实现整个产品造型设计的各美学要素，如图5所示。此步骤将形、色、质对应具体造型要素按情感化需求实现重新组合^[20]。造型基元置换变换可抽象表示为

$ TB=T\left[\begin{array}{ccc}{O}_{i},& {c}_{\mathrm{X}i},& {v}_{1}\\ & {c}_{\mathrm{S}i},& \vdots \\ & {c}_{\mathrm{Z}i},& {v}_{m}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{O}_{i}',& {c}_{\mathrm{X}i}',& {v}_{1}'\\ & {c}_{\mathrm{S}i}',& \vdots \\ & {c}_{\mathrm{Z}i}',& {v}_{m}'\end{array}\right] $

(2)

式中： $ {O}_{i}' $ 表示置换变换后的重构造型； $ {c}_{\mathrm{X}i}'$ ， $ {c}_{\mathrm{S}i}' $ ， $ {c}_{\mathrm{Z}i}' $ 分别表示置换变换后的形、色、质群； $ {v}_{1}' \sim{v}_{m}'$ 表示置换变换后的拓展元。

2 基于基元模型的情感化造型方法

通过对情感化设计、视知觉原理和基元模型分析研究，建立三者间密切联系构架。下面将情感化设计、视知觉原理及可拓论有机融合，构造成一体化系统模型。

2.1 情感化造型的获取

为构成和谐美观、符合消费者情感需求的外观造型，根据视知觉原理对不同维度和类型的造型要素相互组合，结合置换变换有如下表达： ${v}_{1}'\wedge {v}_{2}'\wedge \cdots $ $ \wedge {v}_{13}'={c}_{X1}',{v}_{14}'\wedge {v}_{15}'\wedge {v}_{16}'={c}_{S1}',{v}_{17}'\wedge {v}_{18}'={c}_{Z1}'$ 。

情感化造型基元的可拓变换可表示为

$ TB=\left[\begin{array}{ccc} {O}_{i}',& {c}_{Xi}',& {v}_{1}'\\[-2pt] & {c}_{Si}',& \vdots\\ & {c}_{Zi}',& {v}_{m}' \end{array}\right] $

(3)

式中： $ T={T}_{\mathrm{a}}\wedge {T}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{a}\ne \mathrm{b}\right) $ ， $ {T}_{\mathrm{a}}={\sigma }_{\mathrm{a}}\rho $ ， $ {T}_{\mathrm{b}}={\sigma }_{\mathrm{b}}\rho $ ； $ {\sigma }_{\mathrm{a}},{\sigma }_{\mathrm{b}} $ 分别表示不同造型元素a和b的美学约束因数， $ \rho $ 表示整体拓展元密度。

上述步骤完成造型要素的组合，经技术人员评审实现情感化造型要素的获取。该系统不仅满足消费者对产品造型的情感需求，同时还可获得大量优质可拓造型方案。方案获取流程如图6所示。

2.2 协同机械结构的产品造型拟合方法

为促进产品结构件设计与外观造型设计协调进行,消除产品外观造型与内部结构之间的干涉，首先对产品内部零部件轮廓放大，同时考虑构件运动范围、散热等因素建立功能需求空间；进一步考虑零件与机身壁壳之间距离和预留固定件空间，建立出功能壳体。将情感化造型添加至功能壳体表面，结合删减变换剔除与功能壳体不相适应的情感化造型单元，实现机械协同变换，相应的基元变换表示为

$ {T}_{f}TB=TB\ominus {O}_{f}'$

(4)

式中： $ {T}_{f}=\stackrel{-}{T} $ ；逻辑运算式 $ {T}_{f}=\stackrel{-}{T} $ 表示对造型方案群进行非运算， $ \stackrel{-}{T} $ 代表与产品机械结构特征相干涉的造型要素； $ {O}_{f}' $ 表示造型方案群中无法与功能壳体拟合的造型元。

删减变换实现有指向性筛选，形成符合产品机械结构的造型组合要素。图7反映产品情感化造型拟合流程。通过对情感化基元造型流程和功能壳体建立流程进行有机统一，以满足情感需求为主要设计导向。同时引入产品内部机械结构作为影响因素，实现外观与内部结构融合的产品造型设计，构成情感化造型基元的拟合模型，如图8所示。

2.3 优度评价

情感化造型基元的拟合，给出了满足用户情感与功能需求的产品造型方案。最后通过优度评价进一步验证情感化造型基元的拟合效果^[15]，过程如下：

(1) 确定衡量指标。根据消费者的情感需求确定。设某产品造型的衡量指标集合为 $ R=\{{O}_{i},i= $ $ \mathrm{1,2},\cdots ,n\} $ 。

(2) 确定权系数。应用层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)评价产品情感化造型基元拟合模型所需各类情感意象权值。通过权系数，表示各个衡量指标的重要性程度并按 $ \left[\mathrm{0,1}\right] $ 赋值，对于必须满足的条件以 $ \lambda $ 表示，如外部造型不得与结构件干涉等。权系数 $ \alpha =({\alpha }_{1},{\alpha }_{2},\cdots ,{\alpha }_{n}) $ ，且 $ \lambda ={\alpha }_{0} $ ，则有 $\displaystyle \sum\limits_{i = 1\hfill\atopi \ne i0\hfill}^n {{\alpha _i}{\rm{ = }}1}$ 。

(3) 首次评价。利用必须满足的条件对情感化造型基元的拟合模型设计方案进行筛分，除去不满足指标 $ \lambda $ 的方案。

(4) 设定J个待评造型方案关于第i个情感意象的取值范围为{完全符合，符合，一般，稍有偏离，偏离}，根据各衡量指标取值范围建立如下关联函数

$ k{ _i}({x_{ij}}) =\left\{ \begin{array}{*{20}{l}} \;\;\; 2，&{x_{ij}}=完全符合\\ \;\;\;1，&{x_{ij}}=符合\\ \;\;\;0，&{x_{ij}}=一般\\ -1，&{x_{ij}}=稍有偏离\\ -2，&{x_{ij}}=偏高 \end{array} \right. $

(5)

式中：k_i(x_ij)表示待评造型方案j关于各个衡量指标的关联度。

将情感意象输入权值作为优度评价权系数，邀请专家根据关联函数对模型输出方案进行评价。整理评价结果，得到待评方案关于各衡量指标的取值及关联度。则待评方案关于各衡量指标的规范关联度计算公式为

$ {K_i}({x_{ij}}) = \frac{{{k_i}({x_{ij}})}}{{\mathop {\max }\limits_{j = 1}^J \left| {{k_i}({x_{ij}})} \right|}} $

(6)

为检验待评造型方案能否满足用户多样化的情感需求，根据权系数所确定的各个情感意象重要程度，对造型方案进行综合评价，可确定优度计算公式

$ C(j) = \sum\limits_{i = 1}^n {{\alpha _i}} {K_i}({x_{ij}})$

(7)

式中： $i=1,2, \cdots, n；j=1,2, \cdots, J 。$

若优度评价结果显示所有衡量指标的综合关联度大于0，则表明造型方案基本符合要求；而且优度值越高，待评方案就越满足用户需求，同时也验证了情感化造型基元的拟合模型具有较高可行性。

3 实例研究

在产品设计实践中应将产品造型与硬件结构设计相结合，并考虑怎样简化结构设计和丰富外观造型创意。本文以设计腹腔穿刺器为例，探讨该方法设计应用效果。

3.1 情感需求及产品目标表征

腹腔穿刺器(Laparoscopic Trocar)用于建立其他器械进入人体腹腔的通道^[21]。近年来微创手术得到越来越多的认可，腹腔穿刺器市场需求随之增高^[22]。

设计师根据初期市场需求，制定描述用户对期望产品的感性意象词汇，结合李克特量表设计调查问卷。为避免不同个体对意象词汇的理解存在误差，将每个意象词汇分别附上相应的 $ 2\sim3 $ 张产品造型图加以解释，所选图片应具有代表性。测试完成后收集问卷，对评分大于等于三级的词汇进行整理归纳并删除低分词汇。通过对5位医师以及25名患者进行测试，得到问卷结果，见图9。

根据调研结果建立情感化造型基元模型。

$ {{O}_{1}=\left\{{x}_{1}=安全|{O}_{x}\right\} \text{；} {O}_{2}=\left\{{x}_{2}=清洁|{O}_{x}\right\}\text{；}} $

$ {{O}_{3}=\left\{{x}_{3}=科技|{O}_{x}\right\}；{O}_{4}=\left\{{x}_{4}=小巧|{O}_{x}\right\}；} $

$ { {O}_{5}=\left\{{x}_{5}=舒适|{O}_{x}\right\}；}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; $

$ {{B}_{1}=\left[\begin{array}{ccc}{O}_{1},& {c}_{\mathrm{X}1},& {v}_{11}\\ & {c}_{\mathrm{S}1},& \vdots\\ & {c}_{\mathrm{Z}1},& {v}_{1n}\end{array}\right] \text{；} {V}_{1}=\left[\begin{array}{c}梯形台\\ 蓝色\\ \vdots\\ 混凝土\end{array}\right] ；} $

$ {{B}_{2}=\left[\begin{array}{ccc} {O}_{2},& {c}_{\mathrm{X}2},& {v}_{21}\\ & {c}_{\mathrm{S}2},& \vdots\\ & {c}_{\mathrm{Z}2},& {v}_{2n}\end{array}\right]；{V}_{2}=\left[\begin{array}{c}平面\\ 白色\\ \vdots\\ 陶瓷\end{array}\right] ；} $

$ {{B}_{3}=\left[\begin{array}{ccc}{O}_{3},& {c}_{{\rm{X}}3},& {v}_{31}\\ & {c}_{{\rm{S}}3},& \vdots\\ & {c}_{{\rm{Z}}3},& {v}_{3n}\end{array}\right]\text{；}{V}_{3}=\left[\begin{array}{c}菱形\\ 魔幻紫\\ \vdots\\ 金属\end{array}\right] ；} $

$ {{B}_{4}=\left[\begin{array}{ccc}{O}_{4},& {c}_{{\rm{X}}4},& {v}_{41}\\ & {c}_{{\rm{S}}4},& \vdots\\ & {c}_{{\rm{Z}}4},& {v}_{4n}\end{array}\right]\text{；}{V}_{4}=\left[\begin{array}{c}圆球\\ 灰黑\\ \vdots\\ 玻璃\end{array}\right] ；} $

$ {{B}_{5}=\left[\begin{array}{ccc} {O}_{5},& {c}_{{\rm{X}}5},& {v}_{51}\\ & {c}_{{\rm{S}}5},& \vdots\\ & {c}_{{\rm{Z}}5},& {v}_{5n}\end{array}\right]\text{；}{V}_{5}=\left[\begin{array}{c}曲线\\ 灰色\\ \vdots\\ 橡胶\end{array}\right] }\;\;\;\;\; $

经过基元可拓得到多种造型要素，随后进行基元变换，最终得到基于感性意象的基元可拓造型元素，结果如表1所示。

3.2 产品功能壳体构造

在建模软件Unigraphics NX10.0环境中，根据腹腔穿刺器功能原理、零部件相互间位置等因素，按照功能壳体建模方法，得到腹腔穿刺器功能壳体的三维模型，如图10所示。

3.3 造型拟合

将造型基元可拓结果与产品功能壳体拟合，赋予相应形、色、质要素，形成方案如图11所示。结合优度评价，结果表明所有衡量指标的关联度都大于0，方案满足设计要求，同时验证了情感造型基元的拟合方法具有可行性。

3.4 方法组比对

在视知觉表征的基础上，通过引入机械结构作为造型影响因素，应用可拓模型实现情感化造型的结构化、定量化表示。经过与现有造型方法比对，如表2所示。情感化造型基元拟合模型实现满足用户感性需求的多要素整体造型设计，同时考虑产品机械结构属性实现由内而外的造型设计，为产品设计实践提供参考。

4 结语

情感化造型基元的智能拟合模型将视知觉原理与情感化设计结合，在造型设计中实现二者理念互补，有助于定性、定量表达出消费者情感意象。通过将设计实践过程中的思维具象化，将产品内部结构设计同外观造型设计相协调，实现造型与结构设计相辅相成，约束基元模型按照理想状态下发展。后续研究重点将是产品造型拟合研究和参数化软件的二次开发。