基于數(shù)字化技術(shù)的中國古典家具研究

■林 海 吳劍鋒 Lin Hai & Wu Jianfeng

(1.蘇州科技學(xué)院建筑城規(guī)學(xué)院，江蘇蘇州 215009；2.蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境藝術(shù)系，江蘇蘇州 215104)

1 前言

在文化遺產(chǎn)的保護(hù)傳承中，數(shù)字化技術(shù)的運用已經(jīng)成為一種全球化的趨勢?；趫D片的繪制和重建、基于三維掃描的重構(gòu)和漫游、圖片檢索及其修復(fù)、版權(quán)保護(hù)和沉浸式虛擬系統(tǒng)等多種數(shù)字化技術(shù)為人們提供高精度高逼真的數(shù)字化信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)保護(hù)中信息易老化、易失真等缺陷，在文化遺產(chǎn)的保護(hù)中發(fā)揮著越來越重要的作用。數(shù)字化技術(shù)不僅能保護(hù)和傳承文化遺產(chǎn)，而且賦予文化遺產(chǎn)以嶄新的生命。

作為中國物質(zhì)文化遺產(chǎn)重要組成部分之一的古典家具是世界古典家具體系中的一朵奇葩，它用材考究、做工精湛、造型優(yōu)美、圖案精致，承載著中國古代人民生活方式、意識形態(tài)和價值取向等諸多信息。中國對于古典家具的系統(tǒng)研究可以追溯到20世紀(jì)30年代，當(dāng)時的研究全面介紹了中國古典家具尤其是明清家具的時代背景、種類和形式、結(jié)構(gòu)和造型、裝飾和用材，成果豐富。到21世紀(jì)，中國古典家具的研究逐步深入到開發(fā)滿足現(xiàn)代生活的新古典家具層面，各種改良的古典造型的家具深受消費者喜愛。但這些新古典家具良莠不齊，設(shè)計者對于中國古典家具的了解和理解直接決定了新古典家具的品質(zhì)高低。有的設(shè)計者深入了解古典家具的設(shè)計和制作，領(lǐng)悟了古人制作古典家具的獨特匠心，精心打造出一批新古典家具的精品之作。有的設(shè)計者自身設(shè)計素養(yǎng)不高，僅僅參考古典家具專業(yè)書籍依葫蘆畫瓢，制作出來的家具差強(qiáng)人意。

在世界文明高度融合的今天，繼承與發(fā)展中國古典家具的優(yōu)秀傳統(tǒng)，提高中國家具產(chǎn)業(yè)的全球競爭力，是當(dāng)代中國家具產(chǎn)業(yè)的重要課題。將數(shù)字化技術(shù)引入中國古典家具的研究，是當(dāng)代中國家具產(chǎn)業(yè)面臨的新課題。

2 數(shù)字化技術(shù)在中國古典家具研究中的應(yīng)用

2.1 研究現(xiàn)狀

從現(xiàn)有資料可知，國內(nèi)對于中國古典家具的研究主要以實物研究和史料研究方法為主，對各個時期的家具進(jìn)行斷代研究，分析總結(jié)家具的演變規(guī)律和各個時期家具的造型、裝飾和技術(shù)特征。這些研究對傳統(tǒng)文化起到了很好的保護(hù)和傳承作用。但是在研究過程中存在薄弱環(huán)節(jié)。這些研究對一些中國古典家具進(jìn)行了測繪，但多數(shù)家具只有外形尺寸，缺少細(xì)部構(gòu)件和內(nèi)部榫卯的尺寸，家具實例的信息不夠全面。數(shù)字化技術(shù)作為一種新型的研究手段，引入到中國古典家具研究中，在國內(nèi)仍處于探索階段。劉文金教授的《中國傳統(tǒng)家具藝術(shù)史料數(shù)據(jù)庫的研究》以家具發(fā)展各歷史階段和家具品系為索引建立數(shù)據(jù)庫，介紹家具的實證案例、造型特點、形制、裝飾特征和技術(shù)特征等，是國內(nèi)目前比較全面的傳統(tǒng)家具數(shù)據(jù)庫研究。張亞池教授運用計算機(jī)數(shù)值模擬有限元方法對傳統(tǒng)家具結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度測定，在古典家具的結(jié)構(gòu)研究部分介入數(shù)字化技術(shù)。內(nèi)蒙古大學(xué)農(nóng)業(yè)大學(xué)的賀春光、高曉霞進(jìn)行了蒙古族傳統(tǒng)家具三維圖案模型數(shù)據(jù)庫的研究，建立了一套能夠三維動態(tài)瀏覽并能讀取數(shù)據(jù)的三維圖案數(shù)據(jù)庫。這種將三維數(shù)字技術(shù)引入了蒙古族傳統(tǒng)家具的研究，彌補(bǔ)了古典家具在三維數(shù)據(jù)庫查詢、讀取的空白[1]。高敏、周仁和開展的仿古家具產(chǎn)品數(shù)模重構(gòu)及創(chuàng)新制造研究，利用逆向工程思想對明清等傳統(tǒng)中式家具結(jié)構(gòu)、造型進(jìn)行數(shù)模重構(gòu)，并通過產(chǎn)品造型創(chuàng)新完成仿制和創(chuàng)新設(shè)計全過程[2]。

2.2 研究內(nèi)容

將數(shù)字化技術(shù)引入中國古典家具的研究，以點概面，結(jié)合跨學(xué)科的相互關(guān)聯(lián)，對傳統(tǒng)的古典家具以新的手段進(jìn)行轉(zhuǎn)化和開發(fā)，將為中國古典家具的研究注入創(chuàng)新的活力。下文系統(tǒng)探討將數(shù)字化技術(shù)引入中國古典家具的研究方法和內(nèi)容。

2.2.1 面向古典家具的信息采集

古典家具的數(shù)字化過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，數(shù)字顯示三個過程。數(shù)據(jù)采集是整個研究工作的基礎(chǔ)，通過信息采集，可以獲得古典家具的幾何尺寸與外觀模型的精度等級、紋理和雕刻圖案等信息。古典家具造型豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是一些家具經(jīng)歷百年之后已有損壞，這給信息采集工作帶來很大的困難?；诠诺浼揖叩慕Y(jié)構(gòu)和造型特點，實際測量時會用到直接測量法、攝影測量法和三維激光掃描三種測量方法。采用直接測量方法對古典家具進(jìn)行測量，簡單易行，但工作量大。特別是對于圖案豐富的古典家具，測繪工作難度更大，而且準(zhǔn)確度不高。攝影測量法通過多個相機(jī)從不同角度對家具進(jìn)行拍照，通過三角計算法將二維平面圖形轉(zhuǎn)換為三位立體圖形。三維激光掃描技術(shù)通過三維激光掃描獲取古典家具表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集工作簡化，信息準(zhǔn)確。激光掃描的每一個數(shù)據(jù)（點）帶有X、Y、Z坐標(biāo)數(shù)值或色彩數(shù)據(jù)(R、G、B)，將這些數(shù)據(jù)（點）集合起來形成點云(Point Cloud)，點云構(gòu)成家具表面的全局特征。

在實際測量時，必須綜合使用以上三種方法，才能最好最全面地采集到古典家具的信息。利用三維激光掃描儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，精度高、點云密集、處理速度快，但獲取的模型缺少紋理信息?，F(xiàn)有的掃描儀可以獲取一定程度的紋理影像，但是其質(zhì)量、精度和對色彩的還原度遠(yuǎn)沒有達(dá)到實際的需要。因此，需要研究如何利用相機(jī)拍攝的光學(xué)影像，實現(xiàn)和點云獲取的幾何模型之間的配準(zhǔn)，建立高精度的紋理影像。

2.2.2 信息的后期開發(fā)處理

中國古典家具的數(shù)字化是從對原始點云數(shù)據(jù)的處理，到建立完整的信息模型的過程。具體而言，中國古典家具的點云數(shù)據(jù)處理過程分為三部分，分別為數(shù)據(jù)預(yù)處理、建模和模型可視化。數(shù)據(jù)預(yù)處理指的是在點云處理軟件環(huán)境下對三維掃描儀采集到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，如點云數(shù)據(jù)的濾波、平滑、縮減、分割、配準(zhǔn)、融合等，減低模型重建的復(fù)雜性，提高精確度和速度。建模指的是將預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)以參考文件的方式導(dǎo)入BIM軟件，如Revit，通過捕捉點構(gòu)成線、面和實體，完成古典家具的建模。模型可視化則是通過著色、賦予材質(zhì)、加入燈光，對三維模型進(jìn)行渲染，使三維模型可視化。古典家具的三維模型包含家具的全部信息，是集成的智能數(shù)字系統(tǒng)。在古典家具的研究中創(chuàng)新性地引入建筑信息模型BIM技術(shù)，不僅拓寬了研究思路，同時為多種信息集成的研究提供了一種新的研究方法。BIM不是一個單純的軟件，而是一種理念，是一種基于建筑全生命周期，以三維模型為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)共享為手段，協(xié)同設(shè)計、管理和制造的智能化流程。BIM技術(shù)的運用，將中國古典家具保護(hù)與傳承工作中的諸多信息和環(huán)節(jié)“打通”，實現(xiàn)跨部門跨專業(yè)的數(shù)據(jù)溝通、傳遞和交流，為古典家具設(shè)計、制作和管理提供數(shù)字化平臺，優(yōu)化工作方式，提高工作效率。

2.2.3 建立系統(tǒng)完整的古典家具三維數(shù)據(jù)庫

三維數(shù)據(jù)庫的建立是一個復(fù)雜的過程。開發(fā)人員在信息采集和后期處理的基礎(chǔ)之上，設(shè)定數(shù)據(jù)庫的基本框架和關(guān)系結(jié)構(gòu)，依托Revit軟件平臺的API接口進(jìn)行開發(fā)。這樣不僅充分利用了Revit軟件強(qiáng)大的三維建模功能，而且又為Revit軟件平臺的文件管理提供便捷合理的存儲方式。

三維數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)庫有相同之處，也有不同之處。傳統(tǒng)二維家具數(shù)據(jù)庫一般是利用Delphi可視化開發(fā)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)，數(shù)據(jù)庫的功能以查詢?yōu)g覽數(shù)據(jù)為主。用戶使用數(shù)據(jù)庫時通過輸入一些關(guān)鍵詞，檢索獲取家具的二維信息，例如規(guī)格、形式、結(jié)構(gòu)、尺寸、圖案等信息。而三維數(shù)據(jù)庫不僅可以獲得上述的二維信息，還可以獲得古典家具的實證案例、造型特點、形制、裝飾特征、技術(shù)特征、榫卯結(jié)構(gòu)等諸多數(shù)字化的信息，實現(xiàn)三維動態(tài)瀏覽。用戶根據(jù)需要還可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行逆向設(shè)計。建立古典家具的三維數(shù)據(jù)庫不僅有利于家具企業(yè)對設(shè)計文件進(jìn)行查閱和管理，而且方便設(shè)計人員共享和調(diào)用設(shè)計文件。

2.2.4 基于三維模型的數(shù)字化產(chǎn)品研發(fā)

古典家具三維數(shù)據(jù)庫提供了大量的古典家具三維信息，設(shè)計人員在進(jìn)行古典家具的新產(chǎn)品研發(fā)時可以充分利用三維數(shù)據(jù)庫，引入一種新型的基于三維模型的產(chǎn)品開發(fā)模式，以適應(yīng)在家具行業(yè)越來越廣泛運用的數(shù)字化設(shè)計和制造。目前家具行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中普遍使用的是基于三維模型的二維圖紙設(shè)計。設(shè)計師進(jìn)行家具開發(fā)時，根據(jù)用戶需求，基于三維模型推敲設(shè)計方案。確定方案后將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙的圖樣，傳送至制造部門深化圖樣，進(jìn)行工藝流程設(shè)計，組織生產(chǎn)，完成家具的加工。這種產(chǎn)品研發(fā)模式存在一些問題，例如二維圖紙的深化需要花費大量的時間，設(shè)計人員進(jìn)行數(shù)據(jù)重復(fù)輸入時容易增加出錯率，設(shè)計數(shù)據(jù)和制造數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度不高。因此，有一些家具企業(yè)開始嘗試基于三維模型的數(shù)字化產(chǎn)品研發(fā)。數(shù)字化產(chǎn)品研發(fā)是一種逆向設(shè)計方法，設(shè)計者通過設(shè)計需求分析，借助PRO/E、犀牛等三維造型軟件，導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)庫中的家具信息，通過添加新的處理信息，開發(fā)出滿足時代需求的家具[3-4]。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，設(shè)計者還可以借用三維打印成型機(jī)進(jìn)行成形處理，推敲優(yōu)化設(shè)計方案。數(shù)字化產(chǎn)品研發(fā)適合圖案造型豐富的古典家具,優(yōu)勢比較明顯。

2.2.5 數(shù)字化制造的研究

家具的數(shù)字化制造是提升傳統(tǒng)家具產(chǎn)業(yè)的重要手段。板式家具數(shù)字化制造與數(shù)字化軟件密切相關(guān)，不同的數(shù)字化制造軟件，其操作方式有所差別，但核心均包括三部分軟件：銷售端軟件（W O O D N E T）、設(shè)計拆單軟件（W OO D C A D／C AM）和開料優(yōu)化軟件（C U T R I T E），是在整個數(shù)字化制造過程中相互關(guān)聯(lián)的三個獨立軟件[4]。在古典家具的開發(fā)制造中，可以用UG軟件，將設(shè)計后的三維模型導(dǎo)入UG軟件的加工模塊中，生成刀具軌跡，判斷加工的合理性，并作適當(dāng)?shù)男拚?。等確定各加工過程準(zhǔn)確無誤后就可以進(jìn)行程序的輸出。NC加工程序生成后，再將生成的數(shù)控加工代碼送至加工中心加工完成加工[5]。古典家具由于圖案豐富的特性，還可以與數(shù)控雕刻機(jī)相結(jié)合完成數(shù)字化制造。家具設(shè)計師將三維數(shù)據(jù)庫中高保真的復(fù)雜3D模型，通過編程軟件傳輸至數(shù)控雕刻機(jī)，直接進(jìn)行批量加工，完成采樣、設(shè)計、加工全過程數(shù)字化，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率[6]。

2.2.6 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為數(shù)字化技術(shù)的一種,近年來廣泛地運用在許多領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)借助計算機(jī)模擬創(chuàng)造一種虛擬的環(huán)境，讓用戶沉浸其中，產(chǎn)生身臨其境的感覺，并且通過具體的操作與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用，獲取知識，提高認(rèn)識，萌發(fā)構(gòu)思。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行中國古典家具的研究，可以從三部分著手。首先，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于古典家具產(chǎn)品實例和虛擬空間的展示。古典家具實例的展示，可以實現(xiàn)快捷地查詢和瀏覽，讓人們系統(tǒng)了解中國古典家具。虛擬空間的展示，可以實現(xiàn)古典家具的逼真重現(xiàn)，讓人們在虛擬園林、虛擬民居中欣賞中國古典家具。逼真的三維直觀展示不僅加深了客戶對中國古典家具的了解，而且容易被精美的古典家具吸引，快速下單，提升家具企業(yè)的銷售手段和能力。其次，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以用于家具的新產(chǎn)品開發(fā)。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于新產(chǎn)品開發(fā)稱之為虛擬設(shè)計，虛擬設(shè)計作為一種新型的設(shè)計方式，將新產(chǎn)品的概念設(shè)計、方案生成到加工制造的環(huán)節(jié)通過計算機(jī)虛擬呈現(xiàn)，實現(xiàn)設(shè)計和制造的可視化。設(shè)計者在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中通過三維數(shù)字模型，可以在新產(chǎn)品開發(fā)的各個階段，對新產(chǎn)品的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝、裝配和生產(chǎn)組織進(jìn)行推敲優(yōu)化，保證設(shè)計的可靠和高效。例如美國波音公司的波音777飛機(jī)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行全數(shù)字化三維描述，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的無紙工程。最后，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以進(jìn)行家具企業(yè)員工的培訓(xùn)。員工在虛擬的真實環(huán)境中清晰地了解家具的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、工藝流程、制造、安裝，以及家具擺放在實際室內(nèi)環(huán)境的效果，學(xué)習(xí)興趣高漲，培訓(xùn)效果明顯。

3 展望

中國古典家具的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究立足于解決中國古典家具研究與當(dāng)前古典家具設(shè)計脫節(jié)的狀況，提出的古典家具的數(shù)字化研究方法，從“中國家具數(shù)據(jù)采集”入手，采用“建筑信息模型BIM”技術(shù)，對前期采集信息進(jìn)行處理，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，最終深入到新古典家具的設(shè)計層面，指導(dǎo)新古典家具研究開發(fā)的實踐，力爭探索出一條中國傳統(tǒng)家具的傳承、應(yīng)用及推廣的新路子，為古典家具的研發(fā)帶來新的契機(jī)。

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