蝴蝶色彩仿生特征在智能座舱CMF 的设计应用

摘 要：智能座舱的CMF 设计成为吸引用户的重要手段之一。蝴蝶蕴含独特的色彩自然美法则，成为CMF 设计师的重要灵感来源。本文以蝴蝶为色彩仿生研究对象，使用K-means 聚类算法从蝴蝶图像中提取出对应的色彩组合，结合日本色彩研究所配色体系（PCCS）探究蝴蝶的色彩组合、色彩调和规律，得到了3 组智能座舱色彩设计方案。为满足座舱的造型设计定义与色彩设计定位要求，将蝴蝶色彩仿生特征应用于智能座舱的CMF 设计方案，从而验证了色彩仿生设计方法在智能座舱的CMF 设计中的可行性。

关键词：工业设计；色彩仿生；智能座舱；CMF

0 引言

智能座舱作为整车智能化的核心，为用户提供人—车—环境信息交互和需求的空间。座舱的色彩与材质设计满足功能性的同时也强化了舒适与愉悦的高品质感官体验，对人的情绪和心理造成直接影响。智能座舱的CMF（ColorMaterial Finishing）设计成为吸引用户的有效手段。

仿生设计作为常用的创新设计方法，巧妙地运用了仿生形态的优势，色彩仿生也成为表达视觉效果的最直观的途径之一。利用仿生学原理，借鉴自然界中的色彩元素，通过CMF 设计将为改变智能座舱技术同质化的现状提供设计新思路，拓宽应用前景。

1 色彩仿生的原理

色彩在生物体中的出现具有深远的生物学和生态学意义。从绚烂的鸟羽到具有伪装能力的昆虫，色彩在生物进化的过程中演化出多种功能，从基本的伪装、警告，到吸引配偶的仪式中的形态展示，色彩在自然界中扮演了举足轻重的角色。

色彩仿生研究的背景与仿生设计的兴起密不可分。20世纪60 年代，仿生设计理念在设计界开始萌芽[1]。21 世纪初，随着人类环境意识的觉醒和可持续发展理念的提出，仿生设计得以迅速发展。仿生设计通过模仿和学习自然生物形态、结构、材料和过程等方面的特点，将生物学原理应用于设计并解决具体设计问题，创造出功能完善、形式优美、节能环保的设计作品。

色素、生物发光与结构生色是生物颜色的来源[2]。结构生色是由入射光与周期性纳米结构表面之间的干涉、衍射和散射相互作用而产生的，自然界中的这些纳米结构的构造能表现出明确的宏观效应，具有多种鲜艳的颜色、长期稳定和环保、低能耗以及神秘的生物功能等优点[3]。物理学家和材料学家从微观层面研究自然中的色彩结构，并将这种结构复现在实验室中，模仿蝴蝶翅膀的鳞片结构生色效果[4]，将产生的绚丽夺目的视觉效果运用于手机、汽车等工业产品的表面着色工艺。

生物色素，如叶绿素、叶黄素、花青素等是一种存在于生物体和细胞内的天然化学物质。变色龙等雄性动物在求偶或社交活动中因其含有色素的细胞器在真皮着色团内的分散或聚集而表现出复杂且快速的颜色变化[5]。生物色素，也作为有机染料被广泛运用于纺织材料与产品设计。

2 色彩仿生的心理学基础

色彩直接影响人的情绪和心理活动。景于等[6] 阐述了在色彩作用于人的过程中产生的两种心理效应：单纯性心理效应，即色彩的物理学刺激感直接产生的心理和生理性影响；间接性心理效应，即伴随单纯性心理效应产生的色彩联想。史淑媛等[7] 在颜色与情绪关系的研究中总结了颜色影响情绪的理论机制：颜色的概念隐喻理论，颜色情境理论及颜色的习得性联结理论。

结合自然界中不断进化的色彩组合方案，在了解并掌握了色彩对人类心理活动的影响之后，基于色彩心理学效应，提取蝴蝶的色彩仿生特征，运用不同的色彩组合进行相应的仿生设计，改变智能座舱中乘员的视觉环境，从而提升驾乘体验将是一种有效的CMF 设计尝试，对营造舒适的座舱环境有重要意义。

3 蝴蝶色彩仿生特征的提取

蝴蝶翅膀绚丽多彩，蕴含独特的自然美法则，为智能座舱的色彩方案设计提供丰富的灵感和启发。对蝴蝶的色彩进行科学合理地提取，进行色彩仿生设计，可获得多种智能座舱色彩方案。

3.1 蝴蝶色彩的提取方法

有研究表明：色彩提取的方法分为测色法和聚类提取法。从早期的目测到当下测色仪的更新换代，测色法一直是对自然界物体色彩直接提取的主要方式。艺术设计领域学者基于智能算法开发出更科学高效的聚类色彩提取方法。张旻爽[8] 等人使用优化后的K-MEANS 聚类算法对蜂鸟羽毛的照片进行主色系提取并分析规律制成配比色卡。

考虑到K-MEANS 聚类算法的有效性和科学性在色彩提取领域已得到广泛使用和验证，基于智能座舱的色彩设计要求，本文采用K-MEANS 聚类算法将处理后的蝴蝶照片进行色彩提取。包含四个主要步骤：（1）截取蝴蝶样本图片的翅膀主体部分；（2）剔除图片的背景色；（3）将剔除背景色的图片导入K-means 聚类算法中，得到一组色卡的色彩数值和比例关系；（4）将提取出的色彩组合色卡导入日本实用配色系统，进行配色规律的分析，并结合智能座舱的造型定义与色彩定位，运用配色原则进行色彩仿生方案的设计。

3.2 蝴蝶色彩仿生特征的提取过程

根据智能座舱的色彩设计流程与规则要求，色彩方案中所呈现的色相数量一般不超过3 个，含主色、辅色与装饰色。因此，设定蝴蝶颜色的提取数量为3。为了突出蝴蝶颜色的主体性，本文只提取蝴蝶翅膀的主体颜色，考虑到其头、胸、腹等部位的颜色特征以及环境背景色对提取目标色的影响，预先剔除蝴蝶图片样本的背景色。以丹顶猫头鹰环蝶图像为例，截取出蝴蝶翅膀主体（单侧），在色相环上提取出与该蝴蝶翅膀主色呈180°位置的颜色作为背景色进行填充（图1）。根据聚类算法的变量要求，将背景色进行单独聚类计算并从计算结果中予以剔除，考虑蝴蝶色彩提取数量、背景元素色彩提取数量这两个主要因素，采用可对图像进行详细色彩分析的工具（IMAGE COLORSUMMARIZER）中，使用 K-Means 和均方误差等高级算法来识别、聚类和分析颜色，设定色彩聚类中心数量为4。

将用于主体色彩采集的图1-（b） 导入K-means 聚类算法中，得到包括背景色在内的色彩数值和占比结果（表1）

因选定的初始聚类中心数量为4，所以第一次聚类后得到四种色彩的比例结果，剔除背景色彩后，将聚类中心数量变为3 并重新进行聚类计算，得到三种色彩的比例关系。重复将前一次得到的结果进行迭代，进行到第三次时得到稳定的提取结果（图2）。

采用相同方法对其他蝴蝶色彩样本分别设定聚类中心为3 并逐一进行聚类计算。

本文结合智能座舱的造型设计定义与色彩定位要求，按照色彩调和原则，选取6 个典型的蝴蝶色彩原图，按照前文所述色彩提取方法进行蝴蝶色彩仿生特征的提取，获得对应的蝴蝶色卡（图3）。

3.3 蝴蝶色彩仿生的分析

PCCS（Practical Color Co-ordinate System） 色彩体系是日本色彩研究所在Munsell 表色系和Ostwald色彩体系的基础上，综合二者长处和模式改良研制所得，其特点是将色彩的色相、明度、彩度三属性综合成色相与色调两个主体要素[9]。根据不同的明度将无彩色系划分为9个等级；根据不同的明度和彩度数值将有彩色系设定成12个不同的色调系统（图4）。

本文仍以丹顶猫头鹰环蝶为例，将剔除背景色的蝴蝶样本中提取的颜色导入PCCS 体系（图5），得到相应的色彩编号，再将其匹配到相应的色调系统，从而探究蝴蝶仿生色彩的分布规律（表2）。

运用相同的聚类计算与转化方法，将聚类提取出的图3 中的6 个蝴蝶样本色卡的数值导入颜色代码查询系统（https：//colorcodesearch.com/pccssurch/），完成色彩匹配，所形成的蝴蝶样本的色彩分布结果详见图6。

4 色彩调和在智能座舱中的应用

智能座舱的色彩搭配效果直接影响到乘员的感知与情绪体验。自然界的色彩搭配和应用经过长期进化，已高度适应了生物的生存和发展需要，这些策略和原理为智能座舱的色彩设计与色彩调和提供科学而富有创意的解决方案。

色彩调和源自日本明治时期，是指两种或两种以上的色彩，按自然协调的方式有秩序、协调地搭配组织在一起，达到和谐整体的效果[11]。根据色相的不同可将色彩调和划分为类似调和、对比调和与无彩色调和三类；PCCS 色彩体系根据不同的明度和彩度数值将色彩进行色调划分。

本文通过运算、提取、分析后获得的蝴蝶色彩仿生特征作为色彩设计的要点，以智能座舱造型设计方案为载体（图7），运用色彩调和方法进行智能座舱的CMF 设计。

（1）类似调和，指使用色相相近的颜色进行搭配时，通过改变颜色的彩度和明度，获得深浅不同的层次变化，形成和谐统一的色彩效果。以图3-a 中的淡绿无螯蛱蝶的色彩为例，将聚类计算所得具体色相与PCCS 系统进行匹配，确定智能座舱的整体色彩基调，并利用类似调和法则，完成智能座舱色彩初步设计（图8）。色彩方案呈现了淡绿无螯蛱蝶的整体化的偏绿色相，通过彩度和明度的变化强调智能座舱的整体色彩层次变化。

（2）对比调和是将色相环中距离较远的两种色彩，尤其是两者位置接近180°的颜色（补色），通过对比的方法和色相排列规律进行搭配，从而取得和谐的色彩效果[12]。以丹顶猫头鹰环蝶的色彩仿生设计为例（图9）。根据其在PCCS 体系中的色彩分布可看出，两种对比色都处于明度较低的1.5 至5.5 区域，紫色为主色，黄色为点缀色，并且有处于彩度和明度都极低的暗灰色调的颜色作为辅色从中进行调和，形成了座舱的低明度与高彩度结合的色彩对比效果。

（3）无彩色是相对于有彩色而言没有明显的色相倾向的颜色，即黑白灰。任意无彩色与有彩色中的任何颜色搭配都是调和的[13]。因此，当有彩色的调和出现强烈冲突时，通过无彩色改变色彩的整体彩度或明度以达到调和的目的。以玫瑰青凤蝶的色彩仿生设计为例（图10）。座舱色彩呈现出鲜明的对比关系，由于无彩色的调和，稳重的色调中也透出活跃的色彩区域，避免了色彩的沉闷感。

5 基于蝴蝶色彩仿生特征的智能座舱CMF 设计

运用蝴蝶色彩仿生的色彩提取方法，结合类似调和规律，以淡绿无螯蛱蝶色彩仿生为例，完成智能座舱的CMF设计（图11）。

该方案的仿生对象淡绿无螯蛱翅膀的颜色具有哑光及柔和的特点，座舱内绝大部分表面采用麂皮纹通过软包工艺打造柔软和自然感，中控台等硬质部件也使用哑光表面和消光工艺处理，打造柔和自然的效果，整体氛围亲切、柔和、舒缓。淡绿无螯蛱蝶翅膀的呈色原理和结构是色素色，外面覆盖一层透光鳞片。基于此原理，在仪表板的副驾驶位置增加了可以自定义文字的透光表面设计，为乘员增加交互的趣味性。

6 结语

色彩仿生涉及多领域的交叉融合，本文基于K-means聚类算法和日本色彩研究所配色体系（PCCS）对蝴蝶进行色彩提取，基于色彩调和理论与规律，探究色彩仿生特征，并运用三种色彩调和方法，结合智能座舱的造型设计定义完成三组CMF 设计方案。该研究方法为智能座舱的CMF 设计提供理论依据与实践参考。

随着智能化时代的发展和人们对出行空间舒适度等要求的提高，色彩仿生设计方法可以在智能座舱这一新兴领域中得到更好的应用，通过该方法分析出色彩仿生的搭配规律，结合色素和结构色特征可以打造出舒适美观的舱内环境，更好地提升智能座舱内的高品质感官体验，将色彩仿生应用于智能座舱CMF 设计将成为提高智能座舱设计品质的有效途径。

7 参考文献

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基金项目：国家自然科学基金重点项目：基于数字孪生的金属仿生增材制造原理及关键技术（项目编号：52235006）。