蝴蝶色彩仿生特征在智能座艙CMF 的設(shè)計應(yīng)用

摘 要：智能座艙的CMF 設(shè)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(shè)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(yīng)的色彩組合，結(jié)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(diào)和規(guī)律，得到了3 組智能座艙色彩設(shè)計方案。為滿足座艙的造型設(shè)計定義與色彩設(shè)計定位要求，將蝴蝶色彩仿生特征應(yīng)用于智能座艙的CMF 設(shè)計方案，從而驗證了色彩仿生設(shè)計方法在智能座艙的CMF 設(shè)計中的可行性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)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(huán)境信息交互和需求的空間。座艙的色彩與材質(zhì)設(shè)計滿足功能性的同時也強(qiáng)化了舒適與愉悅的高品質(zhì)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(shè)計成為吸引用戶的有效手段。

仿生設(shè)計作為常用的創(chuàng)新設(shè)計方法，巧妙地運用了仿生形態(tài)的優(yōu)勢，色彩仿生也成為表達(dá)視覺效果的最直觀的途徑之一。利用仿生學(xué)原理，借鑒自然界中的色彩元素，通過CMF 設(shè)計將為改變智能座艙技術(shù)同質(zhì)化的現(xiàn)狀提供設(shè)計新思路，拓寬應(yīng)用前景。

1 色彩仿生的原理

色彩在生物體中的出現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)意義。從絢爛的鳥羽到具有偽裝能力的昆蟲，色彩在生物進(jìn)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(tài)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(shè)計的興起密不可分。20世紀(jì)60 年代，仿生設(shè)計理念在設(shè)計界開始萌芽[1]。21 世紀(jì)初，隨著人類環(huán)境意識的覺醒和可持續(xù)發(fā)展理念的提出，仿生設(shè)計得以迅速發(fā)展。仿生設(shè)計通過模仿和學(xué)習(xí)自然生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和過程等方面的特點，將生物學(xué)原理應(yīng)用于設(shè)計并解決具體設(shè)計問題，創(chuàng)造出功能完善、形式優(yōu)美、節(jié)能環(huán)保的設(shè)計作品。

色素、生物發(fā)光與結(jié)構(gòu)生色是生物顏色的來源[2]。結(jié)構(gòu)生色是由入射光與周期性納米結(jié)構(gòu)表面之間的干涉、衍射和散射相互作用而產(chǎn)生的，自然界中的這些納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)造能表現(xiàn)出明確的宏觀效應(yīng)，具有多種鮮艷的顏色、長期穩(wěn)定和環(huán)保、低能耗以及神秘的生物功能等優(yōu)點[3]。物理學(xué)家和材料學(xué)家從微觀層面研究自然中的色彩結(jié)構(gòu)，并將這種結(jié)構(gòu)復(fù)現(xiàn)在實驗室中，模仿蝴蝶翅膀的鱗片結(jié)構(gòu)生色效果[4]，將產(chǎn)生的絢麗奪目的視覺效果運用于手機(jī)、汽車等工業(yè)產(chǎn)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(xì)胞內(nèi)的天然化學(xué)物質(zhì)。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(xì)胞器在真皮著色團(tuán)內(nèi)的分散或聚集而表現(xiàn)出復(fù)雜且快速的顏色變化[5]。生物色素，也作為有機(jī)染料被廣泛運用于紡織材料與產(chǎn)品設(shè)計。

2 色彩仿生的心理學(xué)基礎(chǔ)

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(chǎn)生的兩種心理效應(yīng)：單純性心理效應(yīng)，即色彩的物理學(xué)刺激感直接產(chǎn)生的心理和生理性影響；間接性心理效應(yīng)，即伴隨單純性心理效應(yīng)產(chǎn)生的色彩聯(lián)想。史淑媛等[7] 在顏色與情緒關(guān)系的研究中總結(jié)了顏色影響情緒的理論機(jī)制：顏色的概念隱喻理論，顏色情境理論及顏色的習(xí)得性聯(lián)結(jié)理論。

結(jié)合自然界中不斷進(jìn)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(xué)效應(yīng)，提取蝴蝶的色彩仿生特征，運用不同的色彩組合進(jìn)行相應(yīng)的仿生設(shè)計，改變智能座艙中乘員的視覺環(huán)境，從而提升駕乘體驗將是一種有效的CMF 設(shè)計嘗試，對營造舒適的座艙環(huán)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(shè)計提供豐富的靈感和啟發(fā)。對蝴蝶的色彩進(jìn)行科學(xué)合理地提取，進(jìn)行色彩仿生設(shè)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(dāng)下測色儀的更新?lián)Q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(shù)設(shè)計領(lǐng)域?qū)W者基于智能算法開發(fā)出更科學(xué)高效的聚類色彩提取方法。張旻爽[8] 等人使用優(yōu)化后的K-MEANS 聚類算法對蜂鳥羽毛的照片進(jìn)行主色系提取并分析規(guī)律制成配比色卡。

考慮到K-MEANS 聚類算法的有效性和科學(xué)性在色彩提取領(lǐng)域已得到廣泛使用和驗證，基于智能座艙的色彩設(shè)計要求，本文采用K-MEANS 聚類算法將處理后的蝴蝶照片進(jìn)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(dǎo)入K-means 聚類算法中，得到一組色卡的色彩數(shù)值和比例關(guān)系；（4）將提取出的色彩組合色卡導(dǎo)入日本實用配色系統(tǒng)，進(jìn)行配色規(guī)律的分析，并結(jié)合智能座艙的造型定義與色彩定位，運用配色原則進(jìn)行色彩仿生方案的設(shè)計。

3.2 蝴蝶色彩仿生特征的提取過程

根據(jù)智能座艙的色彩設(shè)計流程與規(guī)則要求，色彩方案中所呈現(xiàn)的色相數(shù)量一般不超過3 個，含主色、輔色與裝飾色。因此，設(shè)定蝴蝶顏色的提取數(shù)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(huán)境背景色對提取目標(biāo)色的影響，預(yù)先剔除蝴蝶圖片樣本的背景色。以丹頂貓頭鷹環(huán)蝶圖像為例，截取出蝴蝶翅膀主體（單側(cè)），在色相環(huán)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(jìn)行填充（圖1）。根據(jù)聚類算法的變量要求，將背景色進(jìn)行單獨聚類計算并從計算結(jié)果中予以剔除，考慮蝴蝶色彩提取數(shù)量、背景元素色彩提取數(shù)量這兩個主要因素，采用可對圖像進(jìn)行詳細(xì)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(shè)定色彩聚類中心數(shù)量為4。

將用于主體色彩采集的圖1-（b） 導(dǎo)入K-means 聚類算法中，得到包括背景色在內(nèi)的色彩數(shù)值和占比結(jié)果（表1）

因選定的初始聚類中心數(shù)量為4，所以第一次聚類后得到四種色彩的比例結(jié)果，剔除背景色彩后，將聚類中心數(shù)量變?yōu)? 并重新進(jìn)行聚類計算，得到三種色彩的比例關(guān)系。重復(fù)將前一次得到的結(jié)果進(jìn)行迭代，進(jìn)行到第三次時得到穩(wěn)定的提取結(jié)果（圖2）。

采用相同方法對其他蝴蝶色彩樣本分別設(shè)定聚類中心為3 并逐一進(jìn)行聚類計算。

本文結(jié)合智能座艙的造型設(shè)計定義與色彩定位要求，按照色彩調(diào)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(jìn)行蝴蝶色彩仿生特征的提取，獲得對應(yīng)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(chǔ)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(diào)兩個主體要素[9]。根據(jù)不同的明度將無彩色系劃分為9個等級；根據(jù)不同的明度和彩度數(shù)值將有彩色系設(shè)定成12個不同的色調(diào)系統(tǒng)（圖4）。

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

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

4 色彩調(diào)和在智能座艙中的應(yīng)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(yīng)用經(jīng)過長期進(jìn)化，已高度適應(yīng)了生物的生存和發(fā)展需要，這些策略和原理為智能座艙的色彩設(shè)計與色彩調(diào)和提供科學(xué)而富有創(chuàng)意的解決方案。

色彩調(diào)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(xié)調(diào)的方式有秩序、協(xié)調(diào)地搭配組織在一起，達(dá)到和諧整體的效果[11]。根據(jù)色相的不同可將色彩調(diào)和劃分為類似調(diào)和、對比調(diào)和與無彩色調(diào)和三類；PCCS 色彩體系根據(jù)不同的明度和彩度數(shù)值將色彩進(jìn)行色調(diào)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(shè)計的要點，以智能座艙造型設(shè)計方案為載體（圖7），運用色彩調(diào)和方法進(jìn)行智能座艙的CMF 設(shè)計。

（1）類似調(diào)和，指使用色相相近的顏色進(jìn)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(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行匹配，確定智能座艙的整體色彩基調(diào)，并利用類似調(diào)和法則，完成智能座艙色彩初步設(shè)計（圖8）。色彩方案呈現(xiàn)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(qiáng)調(diào)智能座艙的整體色彩層次變化。

（2）對比調(diào)和是將色相環(huán)中距離較遠(yuǎn)的兩種色彩，尤其是兩者位置接近180°的顏色（補(bǔ)色），通過對比的方法和色相排列規(guī)律進(jìn)行搭配，從而取得和諧的色彩效果[12]。以丹頂貓頭鷹環(huán)蝶的色彩仿生設(shè)計為例（圖9）。根據(jù)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(qū)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(diào)的顏色作為輔色從中進(jìn)行調(diào)和，形成了座艙的低明度與高彩度結(jié)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(diào)和的[13]。因此，當(dāng)有彩色的調(diào)和出現(xiàn)強(qiáng)烈沖突時，通過無彩色改變色彩的整體彩度或明度以達(dá)到調(diào)和的目的。以玫瑰青鳳蝶的色彩仿生設(shè)計為例（圖10）。座艙色彩呈現(xiàn)出鮮明的對比關(guān)系，由于無彩色的調(diào)和，穩(wěn)重的色調(diào)中也透出活躍的色彩區(qū)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(shè)計

運用蝴蝶色彩仿生的色彩提取方法，結(jié)合類似調(diào)和規(guī)律，以淡綠無螯蛺蝶色彩仿生為例，完成智能座艙的CMF設(shè)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(nèi)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(zhì)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(jié)構(gòu)是色素色，外面覆蓋一層透光鱗片。基于此原理，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(shè)計，為乘員增加交互的趣味性。

6 結(jié)語

色彩仿生涉及多領(lǐng)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(jìn)行色彩提取，基于色彩調(diào)和理論與規(guī)律，探究色彩仿生特征，并運用三種色彩調(diào)和方法，結(jié)合智能座艙的造型設(shè)計定義完成三組CMF 設(shè)計方案。該研究方法為智能座艙的CMF 設(shè)計提供理論依據(jù)與實踐參考。

隨著智能化時代的發(fā)展和人們對出行空間舒適度等要求的提高，色彩仿生設(shè)計方法可以在智能座艙這一新興領(lǐng)域中得到更好的應(yīng)用，通過該方法分析出色彩仿生的搭配規(guī)律，結(jié)合色素和結(jié)構(gòu)色特征可以打造出舒適美觀的艙內(nèi)環(huán)境，更好地提升智能座艙內(nèi)的高品質(zhì)感官體驗，將色彩仿生應(yīng)用于智能座艙CMF 設(shè)計將成為提高智能座艙設(shè)計品質(zhì)的有效途徑。

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