城市軌道車輛配色與裝飾設計的快速表達技術

趙贏男，劉肖健

（浙江工業大學，杭州 310012）

隨著我國高速鐵路基礎建設的不斷完善，其外觀造型也與時俱進，對城市軌道交通車輛（以下簡稱“城軌”）的設計需求將在未來幾年內迎來高峰[1-2]。多樣化的用戶需求對城市軌道車輛高效、快速的設計方法提出了更高的要求，特別是在概念設計階段，概念方案的快速表達工具將為各方交流與溝通提供極大的便利。

1 概述

此次研究來自國內某電力城軌制造公司的合作項目，主要針對城軌外觀概念設計階段，為設計師的原始創意提供一種快速表達方法，以供評估和交流。由于后期的詳細設計需要在另外的軟件中進行，所以對生成方案的細節要求不高，重點解決方案生成的快速性和多樣化問題。城軌設計專用的技術輔助工具很少，因此參考了一些有關概念方案快速生成的文獻，以汲取其技術思想。

設計過程中方案的推敲與調整是設計流程的一個技術剛需。對于方案反復調整等低效問題，唐路明等[3]基于Rhinoceros 開發了設計師與智能算法協作的交互式優化技術，實現了造型方案的快速生成和優化。吳永芳等[4]基于Rhinoceros 開發了軌道車輛輪廓線的智能輔助設計技術，可批量生成參數化輪廓線并進行迭代優化[4]。王立宏[5]針對汽車造型，運用Grasshopper 參數化設計工具快速完成了前格柵CAS模型，可以通過調整參數快速衍生出多個備選方案。羅仕鑒等[6]通過提取汽車外形基因，構建了消費者偏好與汽車外形基因之間的映射模型，開發了汽車外形的概念設計系統，實現了概念方案的快速生成。王興晨[7]以電動汽車造型為研究對象，運用Visual Basic對CATIA 進行了二次開發，以特征點、特征曲線為依據，生成了截面特征樣條曲線，實現了對電動汽車車身造型的參數化設計，為電動汽車造型的快速建模與創新設計提供了一種新方法。呼和[8]針對客車車身結構概念設計特點，創建了參數化客車車身結構概念模型，可通過修改車身尺寸參數快速創建批量客車車身結構概念模型。杜子學等[9]以某跨座式單軌車輛為對象，使用“分析驅動設計”理念建立了隱式全參數化車體模型，通過試驗得到了輸入變量與性能指標的關系，建立了多學科性能要求的前期全參數化車體模型。瞿曉彬等[10]為解決汽車新車型設計前期需要大量反復建模、耗費大量人力和時間等問題，對某車型前部車身進行了隱式參數化建模，證明了隱式參數化建模方法開發的可行性，實現了汽車概念設計前期批量方案的建立。劉寶越等[11]針對汽車車身設計后期反復修改等問題，開發了車身結構概念設計系統的多目標優化模塊，為概念設計階段實現車身輕量化提供了依據，節約了時間和成本。姚拴寶等[12]針對磁懸浮城軌頭型的幾何特點，以優化氣動阻力和尾車氣動升力為目標，采用VMF 參數化方法和曲面離散方法，進行了高速磁浮城軌頭型多目標氣動參數化設計，實現了不同城軌頭的快速預覽。

平面效果圖是城軌裝飾和色彩設計在創意初期進行方案表達的主要方法。上述研究主要針對城軌造型，對城軌裝飾和色彩設計的輔助技術涉及較少，但依然對其他產品設計具有借鑒價值。王晨等[13]基于平面軟件CorelDraw 實現了吊燈紋樣的快速設計及效果圖的快速生成，提高了吊頂設計生產力。傅藝揚[14]針對絲綢的特點，進行了絲綢的色彩提取、配色規則提取和樣稿自動上色，最終實現了批量的配色方案設計。劉洋飛等[15]基于紋織智能化設計，開發了一種圖案智能排布算法，通過設置單元圖案密度可以達到多種圖案排布效果。黃薇等[16]開發了亞克力飾品的快速配色技術，實現了配色方案的批量生成和色彩的快速調整。燕耀等[17]以安塞民間繪畫的色彩設計為基礎，進行了數字化網絡模型構建工作的研究，實現了色彩網絡的優化和色彩模型的構建。姚曉林[18]基于智能CAD 軟件，從提花圖案制作的角度開發了智能針織CAD 操作方法，給出了提花圖案制作過程的簡易處理方式。李華等[19]基于CATLA 參數化建模及CAA二次開發技術，開發了單節距花紋和整周拼接模版，實現了輪胎花紋快速拼接設計，縮短了輪胎開發周期，提高了設計自動化水平。

由此可見，目前對城軌裝飾與色彩設計的專業化工具的研發需求非常迫切。鑒于相關技術已成熟，在其他產品領域已有較多成功的應用案例，下面將對城軌裝飾與色彩概念方案表達的具體需求進行相關技術研究。

2 設計流程分析與功能架構

2.1 設計流程與痛點分析

根據某城軌制造公司的設計流程，城軌配色與裝飾的概念設計一般基于CorelDraw、AI、PS 等平面軟件進行處理，其一般流程見圖1[20]。

圖1 城軌外觀裝飾概念設計流程Fig.1 Concept design process of urban rail vehicle exterior decoration

城軌設計流程包括以下4 個部分：

1）繪制車輛外觀側面線稿，并在此基礎上進行配色與裝飾設計。城軌有多種規格，但相對較規范，車頭的造型細節主要考慮縱剖面的輪廓線形態。為形成真實的視覺效果，需要對車型的剖面輪廓以及門窗、轉向架、頂部各結構、陰影、背景等細節進行刻畫。該過程需要一定的工作量。

2）裝飾設計，具體包括裝飾帶、裝飾圖案等。裝飾設計初期表現為獨立的設計任務，即不考慮城軌的載體，先設計完整的裝飾方案，然后與車輛進行組合，根據具體效果再進行修改和調整。

3）配色設計。對包括裝飾方案在內的待配色區域進行繪制，并對其進行分層或分組，以方便后期修改和調整。在此期間，設計師需要反復對比多種配色方案，因此配色過程是一個不斷嘗試、迭代、擇優的過程。

從以上兩次的實測結果可知，水溫梯度測試結果基本一致。蘭考豫11井水溫整體呈現正增長變化，但在180～200 m的深度區間，存在一個溫度變化轉折的區間。結合相關的水文地質資料，很可能在這個區間存在一個含水層，含水層中的低溫水滲入到了觀測井內部，造成溫度突降。為了進一步檢驗該結論，排除地震前兆異常，開展實驗二。

4）綜合方案的修改和調整。修改和調整占據了配色和裝飾設計的大部分工作量，包括返回修改的裝飾設計方案。獨立的裝飾方案在車輛載體上呈現的效果可能有較大的變化，一般取決于各細節的影響，如門窗、陰影等因素，因此甲方一般要求提供多款方案供綜合比較評價，這也是造成工作量增加的一個關鍵原因。

從設計師的工作量和工作效率角度來看，城軌設計主要有以下3 個痛點和需求。

1）車輛線稿的繪制過程比較耗時，因為很多細節是有標準的，不能隨意設計，在 CorelDraw、AI等平面設計軟件中對形態和尺寸進行精確設計是個煩瑣的任務，但參數化的工程設計軟件又不適合表達平面效果。在2 個軟件之間來回切換也很麻煩，畢竟概念方案的細節還沒有復雜到工程設計的程度。如果能在平面設計軟件中針對城軌的關鍵特征增加簡單的參數化功能，將對提高設計師的工作效率有很大的幫助。

2）在配色階段，設計師需要評估多款配色方案，在對比與擇優的循環中形成最佳設計，在這個過程中手動配色的效率很低，且方案對比評價非常耗時。設計師需要利用一種快捷方式生成批量方案來供對比，以提高設計效率。

3）在平面設計稿與城軌載體相結合進行呈現的過程中，需要考慮若干細節因素，如對平面設計稿進行的平移、旋轉、縮放等操作。單獨呈現的平面設計稿與其在車體上的效果會有很大的差異，且經常需要甲方參與優化過程，并需要實時看到修改結果。

2.2 輔助設計技術的定位

城軌外觀裝飾和色彩設計的創意自由度較大，因此輔助技術的定位是圍繞設計師的概念進行多樣化拓展的，以提高效率為主，主要面向程式化流程的自動化處理環節，創意性和決策性的工作仍由設計師完成，形成了人機協作的工作模式。

1）城軌外觀設計載體的自動生成。由于有較為清晰的設計規范和設計標準，所以可通過用戶輸入的城軌尺寸參數來快速生成各類城軌的外觀輪廓，包括城軌車身外形、門窗、陰影效果，其中也包含城軌標準件的插入，如車頂部構件和城軌底部的轉向架、車輪等。

2）配色方案的批量化生成。圍繞設計師選定的色彩和配色對象，快速組合出多種配色方案，以供設計師對比、選擇和優化。

3）裝飾設計方案與城軌載體的快速匹配。通過分離平面設計過程與城軌載體，以免設計師的創意受到干擾。平面設計稿完成后再與城軌載體進行匹配，以實現多方案生成和快速預覽，并進行細節調整。

2.3 功能架構

城軌外觀裝飾和配色設計軟件的功能架構分為4個模塊，見圖2。

圖2 軟件功能架構Fig.2 Software functional architecture

城軌載體生成模塊基于用戶輸入數據生成規范的城軌側面視圖，通過定義裝飾與配色區域，生成光影效果及背景圖。裝飾模塊是對設計師已完成的裝飾圖案與城軌載體進行匹配和快速調整的一個重要模塊。色彩優化模塊是對設計方案進行快速配色設計，形成批量化配色方案，以供設計師評價和調整。方案的生成模塊可以把完成的設計方案放入各種背景中，從而有助于人們觀察城軌整體的設計效果。

3 功能實現

3.1 軟件用戶界面

選擇平面軟件CorelDraw 作為開發平臺，軟件運行界面見圖3。

圖3 軟件運行界面Fig.3 Software operation interface

3.2 載體生成模塊

基于對國內外城軌的側面輪廓曲線造型特征的分析總結，最終得到5 類城軌側輪廓曲線，見圖4。

圖4 城軌側面輪廓曲線類別Fig.4 Classification diagram of urban rail profile curve

軟件內部用同一個參數化模板來統一表達5 種車型的側面輪廓曲線，曲線的7 個控制點加上每個控制點處的切矢可以組合出全部5 種類型的城軌側面輪廓線，見圖5。這種參數化表達的好處如下：如果用戶所需的輪廓曲線不在5 種之內，可以讓用戶根據實際需求選擇一個最接近的，生成曲線之后再通過對控制點進行手動小幅調整來得到滿意的曲線形態。如此，設計師的工作量被控制在可接受的范圍之內，比手工繪制一條完整的輪廓曲線要高效得多。側輪廓曲線以外的其他細節比較簡單，可以通過橫向和縱向的尺寸參數和位置參數進行控制。城軌載體的生成過程見圖6。

圖5 城軌側面輪廓曲線模板Fig.5 Urban rail profile curve template

圖6 軟件開發流程與設計師交互流程Fig.6 Software development process and designer interaction process

首先生成城軌的側面輪廓曲線，包括車頭及部分車身。用戶從2 種車體曲線中選擇所需的曲線類型，并進行手動調整。程序根據用戶輸入的車頭長度和高度、車窗和車門的長寬尺寸等參數畫出圖5 所示的貝塞爾曲線。由于CorelDraw 無法為開環曲線上色，所以對曲線右端進行封閉處理，使之形成可填充的區域。然后，基于布爾運算生成頭部的車窗。車門和車身的車窗根據用戶自定義參數生成，用戶可以通過調整參數來改變車門款式和數量，見圖7。

圖7 通過參數變化得到的2 種車門和車窗Fig.7 Two kinds of doors and windows obtained through parameter changes

側視圖生成后，將城軌行駛背景圖導入頁面以增加真實感，這一步通過調用本地圖片來完成。背景圖導入后調整尺寸和位置（需要配合手動操作），并將其設置為最底層。基于同樣的方法插入轉向架、頂部空調、受電弓等細節。這些細節為固定形態的標準部件，不需要變化，因此可以事先手繪完成并保存在圖形庫中供隨時調用。

根據城軌外觀裝飾設計的常用需求，程序里設置了添加城軌裝飾帶的模塊，可為后續在該裝飾帶區域單獨進行設計提供便利。

最后自動添加城軌細節和陰影效果。在模版生成過程中分別為各部位車窗及車門增加光影效果，外觀頂部和底部增加亮度漸變和高光效果，從而營造出圓弧過渡的立體感。光影細節為疊加在設計稿上的透明或半透明圖形，基于已生成的車體、門窗等圖形要素進行實時構建，使兩者可以保持吻合，不受參數變化的影響，同時也不干擾平面設計稿。最終生成的5 種城軌效果見圖8。

圖8 城軌參數化模板生成效果Fig.8 Renderings of parameterized urban rail template generation

3.3 平面裝飾與載體的結合

裝飾部分采用設計師和程序分工合作的方式，將設計師的平面裝飾設計稿與城軌參數化模版結合起來，通過調整裝飾設計稿的縮放、位移等細節來實現裝飾效果的快速預覽。

平面裝飾設計稿與車體結合之前可以進行縮放、平移等操作，形成多種設計方案，為設計師呈現同一平面設計稿在車體上的多種具體應用方式，并進行對比調整。通過修改平面稿的縮放比例和坐標位置可以實現細節上的對比選擇，最后用載體外形輪廓對平面設計稿進行布爾運算來完成結合，見圖9。

圖9 設計稿位置調整與切割Fig.9 Position adjustment and cutting of design draft

3.4 色彩優化

文中所開發的軟件的配色方法運用的是課題組的前期研究成果——交互式遺傳算法輔助配色設計技術[21]。該技術以設計師提供的色彩圖片為配色參考源，將生成的一系列隨機搭配的組合作為初始種群。設計師對種群中的方案進行打分，得分高于給定閾值的方案將進入下一輪，其余淘汰。最后基于“洗牌”操作，即通過相互交換不同配色區域的色彩來優化設計方案，讓設計師根據需求調整個體方案的配色，以得到滿意的結果。規范化的配色對象需要有固定的格式要求，這里使用的是本課題組的前期研究成果——基于色彩鄰接網絡模型的產品配色[22]。配色工具可以在上述帶有背景和光影效果的群組對象上進行工作，程序會自動識別出可賦色的對象。

4 設計應用案例

根據以上研究結論，在實際案例中對技術開發成果進行了應用測試，見圖10。圖10a 為色帶的概念設計，經過像素化處理的色帶被直接附在載體模板上。色帶圖案由設計師手工完成（借助另外的插件工具），調整并形成一款完整的城軌概念方案用時5～10 min，工作效率比以往有了顯著提高。圖10b 的背景是設計師設計的抽象曲線圖案，通過將其縮放調整來找到合適的位置，并用載體模板進行截取后附在車體上形成概念方案。其中，背景圖需要保留，以便評價者理解原始概念并提出修改建議。

圖10 應用案例Fig.10 Application cases

5 結語

文中的研究是面向概念階段創意輔助技術開發的一種嘗試，所開發的技術對概念設計這一傳統上高度依賴設計師個人能力的工作任務進行了分工，讓數字化工具合理介入，促成了人機協作的實現，提高了工作效率和設計產出。軟件的輸出成果主要用于幫助設計師對創意概念進行快速的可視化表達，并提供一種“預覽”方案，把以前只在設計師大腦中的概念進行了外化，使不同角色（如工程師、甲方）之間的溝通交流具備了形式化的載體，顯著提高了溝通效率。這種對概念設計階段進行人機分工和技術介入的模式，不僅提高了設計師的工作效率，也降低了對輔助工具的技術需求，是一種可行的CAD 開發思路。

產品概念表達常用的CorelDraw、PS、AI 等平面設計軟件均不帶參數化功能，但文中的實踐表明：利用軟件自身的二次開發工具可以實現部分參數化，對于特定的產品，適當的參數化可以顯著提高設計師的工作效率，且開發周期和開發成本能夠控制在可接受的范圍之內。

今后，有2 個方面需要進一步完善：一是同時考慮形態、色彩等多種設計要素的概念方案批量化生成，以供比較，目前只實現了配色方案的批量生成，但實際上需求更多的是圖案與色彩融合的參數化變化；二是給出3/4 視角的效果圖，使用戶可以觀察機車正面和側面的組合效果（有些色帶是正面與側面連貫的）及透視效果，基于更逼真的視覺觀感來實現準確的評價。