基于可拓学的产品材质感性设计方法研究

摘要

“以用户为中心”的工业设计，要求产品不仅需要满足用户的功能需求，更需考虑和体现用户的情感价值。随着产品外形的同质化趋势日益凸显，材质设计成为产品差异化表达的一个重要方向。人工智能的兴起，设计创意的智能化生成已经成为未来发展的一大趋势。基于以上研究背景，本文以可拓学、工业设计、感性工学、色彩学和材料学等学科知识为基础，采取定性、定量相结合的方式来研究材质的形式化表达、推理及自动生成方法，以达到准确匹配用户的情感需求，提升产品设计创新效率的目的。
　　材质是材料、色彩、工艺和纹理等多种要素交叉叠加的综合表现。人们对材质的感性认知是一个复杂的过程，需要通过视觉、触觉、味觉和嗅觉等多维感官通道来获得。多数已有研究成果属于单个材质要素的单通道感知的感性设计研究，难以客观全面地表征用户复杂的情感意象，从而导致所构建的感性设计模型和方法难以在实践中推广和运用。本文在汽车内饰CMF设计领域，创新性地引入可拓学方法，研究多要素统一的材质感性设计推理和模型构建方法。目的在于，首先，解决传统工业设计创新过程中，过度依赖设计师的个人经验，设计方案的优选缺乏定量评价工具，设计结果存在很大的不确定性，可靠性低，创新效率不高，创新过程与案例的难以推广等一系列问题。其次，本文构建了材质感性可拓推理及设计方法，对材质感性设计问题、过程及相关要素进行可拓学建模、拓展、变换和优度评价，以寻求解决材质感性设计推理问题的方案策略，并最终实现材质感性创新设计的智能化、软件化。可拓学较之感性工学、统计学、遗传算法和模糊数学等感性量化方法，更能具体形象地表达所研究问题中的“事、物以及相互关系”，有利于探讨相关事物的拓展、变换和评价方法，为智能化解决材质感性设计中的矛盾问题创造条件。
　　本文主要的研究内容及结果如下:
　　1.构建材质感性可拓学基本模型和推理方法。
　　首先，感性意象与材质要素的相关性分析，依据可拓学共轭分析原理和相关性分析原理，提出基于触觉、视觉和味觉等多感官通道的“体感评价特征”，对用户情感意象（虚部）基元和材质要素（实部）基元建立相关性。
　　其次，采用可拓创新四步法，通过对目标基元（情感）、条件基元（材质）和关键体感评价特征进行参数化表达，建立“事物、特征、量值”可拓学基元模型，经过“一物多征”、“一征多值”和“一值多征”等方式发散拓展分析方法，“置换、增删、扩缩、复制”等基本变换及运算过程，最终对方案进行优度评价，获得典型用户情感意象的最佳材质方案策略;转换目标及条件基元，获得材质要素组合最可能引发的用户情感意象词汇。
　　2.材质感性设计领域知识获取和可拓学表征。
　　感性信息的获取，采用语义差异法、口语分析法和KJ法等情感度量及情感分类方法，对用户情感意象词汇、体感评价词汇和汽车内饰样本进行搜集、筛选和聚类。得出“动感的”、“奢华的”、“商务的”和“简洁的”四类汽车内饰领域的典型用户情感意象，得出“粗糙感/光泽感”、“温度感”、“体量感”和“硬度感”四个关键体感评价维度。解构典型用户情感意象汽车内饰材质要素，分析不同情感意象体感评价特征。利用语义差异法，对典型情感意象样本进行体感评价。
　　最终成果体现在，(1)建立了用户情感语义空间集、体感评价维度、典型情感意象材质样本看板、汽车内饰材质库。(2)明确特定情感意象基元关于体感评价关键特征的量值范围，基本运算、变换及评价方法，建立材质感性设计可拓关联规则。(3)明确各材质基元关于体感评价关键特征的量值范围，优先级别。建立了色彩、材料和表面处理工艺三大设计要素关于体感评价关键特征的统一标准，绘制材质要素（材料、表面处理工艺）三维体感意象尺度图，建立汽车内饰典型情感意象与材质各要素之间的推理规则。
　　3.基于Uinty平台，建立汽车内饰材质感性设计可拓学专家系统，将材质感性设计过程软件化，智能化实现特定情感意象与汽车内饰材质要素之间的双向可拓推理，辅助材质感性设计过程，为材质设计人员提供技术支持。从四类意象的材质方案输出的优度评价结果可以得出，专家系统能够在一定程度提升材质设计效率、质量、科学性和可靠性。
　　通过材质感性设计可拓推理研究和实践应用，本文为材质的感性设计提供了一种新的方法，具备较强的可操作性，为设计方法学研究提供了新的思路和案例。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 材质感性设计研究现状

1．2．1 基于感性工学的设计研究

1．2．2 基于神经网络、遗传算法、数量化理论的感性量化研究

1．2．3 产品材质的感性意象研究

1．2．4 基于可拓学方法的材质感性设计

1．3 论文主要研究内容

第二章 产品材质感性可拓设计基本理论和方法

2．1 相关概念

2．1．1 感性

2．1．2 材质要素、质感

2．2 感性设计的基本理论和方法

2．2．1 感性工学起源和发展

2．2．2 感性工学应用于产品设计的流程

2．3 情感信息的获取和表达方法

2．3．1 基于认知实验的情感知识获取

2．3．2 定性的情感知识获取

2．3．3 定量的数理统计分析

2．4 可拓学基础理论和方法

2．4．1 可拓论

2．4．2 基元理论

2．4．3 可拓学的方法论体系

2．5 本章小结

第三章 汽车内饰材质感性设计可拓推理方法

3．1 汽车内饰材质感性设计可拓学分析

3．1．1 物的虚实共轭分析

3．1．2 情感意象与材质要素基元的相关分析

3．1．3 基元的发散分析

3．2 基于关键体感特征的材质感性设计可拓学模型

3．2．1 汽车内饰感性设计可拓学基础模型

3．2．2 材质要素、情感意象、关键体感评价可拓学模型

3．3 材质与感性基元的拓展与变换

3．3．1 汽车用户典型情感意象-材质拓展分析

3．3．2 基于汽车用户典型情感意象的产品材质变换

3．4 材质感性可拓优度评价方法

3．4．1 材质感性设计评价指标体系建立

3．4．2 确定关联函数

3．5 本章小结

第四章 汽车内饰材质感性设计知识获取及表征

4．1 用户情感维度、体感评价提取、汽车内饰材质样本聚类

4．1．1 建立汽车领域用户初始情感维度

4．1．2 基于SD语义差异法的汽车用户典型情感意象获取

4．1．3 典型情感意象产品材质样本分类

4．1．4 关键体感评价特征提取’

4．2 汽车内饰材质基本要素解构分析

4．2．1 “优雅奢华”类汽车内饰材质要素分析

4．2．2 “动感时尚”类汽车内饰材质要素分析

4．2．3 “商务硬朗”类汽车内饰材质要素分析

4．2．4 “简洁实用”类汽车内饰材质要素分析

4．2．5 汽车内饰典型情感意象与关键体感特征之间的关联

4．3 关键体感评价特征与CMF材质要素的关联准则

4．3．1 建立汽车内饰材质库

4．3．2 基于体感评价特征的色彩标准

4．3．3 基于体感评价特征的材料等级标准

4．3．4 基于体感评价特征的表面处理工艺等级标准

4．3．5 汽车用户典型情感意象材质推理规则

4．4 本章小结

第五章 汽车内饰材质感性设计方案自动生成系统开发

5．1 系统设计

5．1．1 系统开发平台介绍

5．1．2 主要功能模块的设计

5．1．3 系统架构

5．2 系统主要技术实现

5．2．1 正向拓展技术实现

5．2．2 逆向拓展技术实现

5．3 可拓学方案生成系统的实现结果

5．3．1 基于典型情感意象的汽车内饰材质设计方案生成

5．3．2 基于材质要素的用户情感推理

5．3．3 材质设计系统扩展应用

5．3．4 材质设计方案可拓优度评价

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间所取得的成果

声明

致谢

附录