基于绿色设计理念的现代化拖拉机产品外观艺术设计

叶 欢

(广州美术学院，广州 510260)

0 引言

随着现代机械自动化程度的提高，人们对于拖拉机的使用要求越来越高，如果拖拉机设备的形状和外观过于粗糙，在进行机械化作业时，人们不能够从农业作业过程中收获愉快的工作体验，更不能够缓解高强度作业带来的疲劳感。如果将绿色设计理念引入到现代拖拉机设计过程中，不仅可以提高拖拉机的外观艺术设计水平，也可以使人们从拖拉机的外观和色彩艺术上获得更多的愉快和轻松的体验，从劳动中获得成就和满足感，从而提高拖拉机产品的市场竞争力，对于现代拖拉机的设计具有重要的现实意义。

1 绿色设计理念和现代拖拉机外观设计

1.1 绿色设计理念

绿色设计理念是当前最热门的设计理念，该理念倡导最大限度地节省不可再生能源，最大限度地使用自然资源，并利用一些绿色植物来调整的环境参数，利用绿色基调来调节装修装饰的色彩氛围，通过温度、湿度以及感官等各方面的调节，为人们提供一个生态环保的居室环境。

1.2 生态设计理念

该设计方案主要是考虑对生态环境的影响，比如使用的油漆需要甲醛含量少的，不使用污染程度高的装修装饰材料，最好避免使用一次性材料，多使用可以循环使用的低碳环保材料。

1.3 智能设计理念

基于绿色设计理念，拖拉机外观设计时可以结合现代智能化和实用性的设计方法，结合心理学、人体结构学，使农业设备外观和劳动作业者以及拖拉机作业环境相协调。如图1所示：在拖拉机外观设计过程中，可以充分利用绿色设计理念，完成拖拉机的初始化设计，然后采用3D渲染技术，创建拖拉机作业环境，将设计好的拖拉机外观利用图像融合技术融入到作业环境中，验证环境和拖拉机的和谐统一，为后期拖拉机外观设计修改提供参考。

2 图像融合技术与拖拉机产品外观设计

拖拉机产品的外观设计完成后，可以采用图像融合技术，将其置于作业环境中，以验证其和环境的协调一致性。图像融合技术的算法有很多，加权平均算法是常用的算法之一。该方法采用时间序数作为权数，将同一目标在不同时间序列的观测值进行统计，取加权平均值作为融合图像的像素值，从而得到更加清晰完成的图像，其计算公式为

F(m,n)=ω1A(m,n)+ω2B(m,n)

(1)

其中，m=1,2,…,M表示融合图像的像素的行序列；n=1,2，…，N表示融合图像的像素的列序列；w表示加权系数。加权平均算法对于多幅图像的融合处理效果较好，但对于信噪比较高的较少图像进行融合时，不能够达到完美的效果。在图像数量较少时，可以采用INS变换的方法，假设原始的多光谱源图像为TM，高空间分辨率图像为PAN，在TM的3个波段进行赋值后实行GRB-IHS变换，可以得到分量以及两个中间量V1、V2的表达式为

(2)

其中，V1、V2表示在笛卡尔坐标系下的横轴与纵轴，其亮度I用z轴表示，则色度H和饱和度S的表达式为

(3)

采用RGB-IHS变换后，可以使图像在亮度、分辨率方面都有明显的提高，使融合图像更加匀称协调。对融合图像需要进行质量检测，以得到最佳的融合效果。目前融合图像的质量评价主要有4种，包括信息熵、均方根误差、信噪比及平均梯度。

图像在进行融合过程中，融合前后的图像信息量会发生改变，因此可以用信息熵量来衡量图像融合的质量。依据香农准则，用信息熵可以表示一幅2的n次幂级的图像，其表达式为

(4)

其中，Pk表示总的灰度级数。信息熵的量越大，表示图像融合后信息含量越多，图像的效果越好；除了信息熵之外，还有均方根也可以对图像的融合效果进行评价。根据图像融合的原理，可以根据融合图像和标准图像之间的均方差来表征图像的融合质量，即

(5)

其中，M、N分别表示融合图像的像素行和列序列，均方根的数值越小，表示图像融合的质量越好。采用均方根方法对图像融合质量进行考察时，还可以利用信噪比来反映图像的质量。信噪比定义为

(6)

信噪比值越高，说明融合效果越好。图像的清晰度还可以通过平均梯度来检测，平均梯度是对融合图像细节的考察，如式(7)所示，即

(7)

其中，f(x,y)表示融合图像，该数值越大表示图像融合效果越好。

图1 基于绿色设计理念的现代化拖拉机外观设计Fig.1 The appearance design for modern tractor based on the concept of green design

如图2所示，根据客户的外观设计需求，可以首先根据特征信息，对外观进行总体设计，然后利用OpenGL渲染技术，构建三维设计场景。将设计好外观的拖拉机产品，放置于创建的拖拉机作业场景中，利用图像融合技术对其色彩的协调性进行验证，通过验证发现设计过程中存在的问题，并对问题做进一步修改，最后得到最佳的设计效果。

3 基于绿色设计理念的拖拉机外观设计

为了验证绿色设计理念在拖拉机外观艺术设计上使用的可行性，本次采用图片融合和虚拟环境创设的方法，以实际作业的农田为例，创设了如图3所示的绿色虚拟背景。

本次创设的虚拟背景包括天空、田地、数目和农作物等，农作物主要以绿色农作物为主要对象，可以在虚拟创设环境中添加任何的作物，如树木，如图4所示。

图2 拖拉机产品图像融合和艺术外观设计框架Fig.2 The image fusion and art design framework of tractor product

图3 绿色虚拟背景Fig.3 Green virtual background

图4 虚拟创设环境添加树木Fig.4 Adding trees in virtual creation environment

为了使添加的树木特征更加明显，选择了红色作为整体颜色。由图5可以看出，通过情境融合后，树木和农作物互相形成了装饰作用，同理将拖拉机加入创设的虚拟环境中。

图5 添加拖拉机样图Fig.5 Adding sample tractor

利用图像融合的方法，也可以将拖拉机的设计图融合到图像中，然后根据绿色设计理念搭配拖拉机的颜色，使拖拉机的总体颜色既能和绿色的农作物与红色的数目相协调，又能给你人带来较好的感官体验。

为了使拖拉机和树木与农作物相搭配，体现绿色协调的颜色基调，将车轮取红色，车身装饰为绿色，从外观上散发出一种积极向上的绿色气息，给拖拉机作业者营造了一种欢快积极的工作氛围，如图6所示。

图6 绿色设计理论中拖拉机装饰图Fig.6 The tractor decoration drawing in green design theory

通过拖拉机外观设计的设计效率和满意度测评，得到了如表1所示的结果。测评结果表明：采用绿色设计理念设计的拖拉机外观不仅可以满足作业环境的和谐一致，提高客户的感官体验，而且拖拉机设计的效率和满意度都较高，从而验证了绿色设计理念在拖拉机外观艺术设计上使用的可行性，为拖拉机艺术外观设计又提供了一种新的方法。

表1 满意度和设计效率测评Table 1 The evaluation of satisfaction and design efficiency

4 结论

为了给拖拉机的使用过程带来更多的愉悦感官体验，使农业作业者获得更多的成就感，营造积极向上的绿色作业氛围，将绿色设计理念引入到了拖拉机外观设计过程中，有效地提高了拖拉机的设计效率和设计水平。在设计过程中，采用3D渲染技术创设了拖拉机的作业环境，并采用图像融合算法将设计好的拖拉机外观产品置于虚拟作业环境中，验证了设计效果。最后，对该方案的设计满意度与设计效率进行了测评，测评结果表明：采用该设计方法可以获得较高的客户满意度，且设计周期在6周以内，设计效率较高。采用设计理念对拖拉机外观进行设计，提高了拖拉机外观设计的灵活性，对于现代拖拉机外观艺术设计的研究具有重要的借鉴意义。