傳統(tǒng)藝術(shù)數(shù)字化ＣＡＤ技術(shù)研究

（1.西北工業(yè)大學 工業(yè)設(shè)計研究所， 西安 710072; 2.浙江工業(yè)大學 工業(yè)設(shè)計研究所， 杭州 310023; 3. 山東工藝美術(shù)學院， 濟南 250300）

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摘 要：

以剪紙傳統(tǒng)藝術(shù)的數(shù)字化設(shè)計為例，研究了剪紙的計算機輔助技術(shù)方案。利用CAD技術(shù)輔助完成剪紙藝術(shù)中的低效、重復和非創(chuàng)意性工作內(nèi)容，抽象出剪紙元素符號庫；采用路徑裝飾、折疊及多方案組合設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了基于CorelDraw的剪紙CAD原型系統(tǒng)，并以典型傳統(tǒng)圖案為例進行了設(shè)計過程的驗證。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)藝術(shù); 剪紙; 數(shù)字化計算機輔助設(shè)計技術(shù); 計算機輔助工業(yè)設(shè)計; 工業(yè)設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)02-0778-03

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Research on traditional arts digital CAD technology

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GAO Li-wei1， YU Sui-huai1， LIU Xiao-jian2， PENG Dong-mei3

(1. Industrial Design Institute， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China; 2.Industrial Design Institute， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310023， China; 3.Shandong College of Art design， Jinan 250300， China)

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Abstract:Take digital design of paper-cut traditional arts as an example， the paper researched on the computer-aided design technology of paper-cut. Using CAD technology completed the inefficient repeating and uncreative works in paper-cut art. Paper-cut element symbols database were picked-up. Using the technology of path decoration implemented paper-cut CAD system based on CorelDraw， pucker and combination of lots of schemas. The designing process validation was carried through with typical traditional designs.

Key words：traditional arts; paper-cut; digital CAD technology; computer aided industrial design; industrial design

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剪紙傳統(tǒng)藝術(shù)是屬于民間美術(shù)類的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)之一。剪紙的數(shù)字化保護[1，2]已引起關(guān)注，非真實感圖形繪制技術(shù)（non-photorealistic rendering）在藝術(shù)的各個領(lǐng)域中已取得很好的效果[3，4]。一些NPR技術(shù)模擬傳統(tǒng)的藝術(shù)媒介如水墨畫、中國畫等均取得了很好的效果，這為剪紙藝術(shù)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展指引了方向。文獻[5，6]提出了一種計算機輔助生成剪紙形象的方法，以手工剪紙動物形象為對象，分解出剪紙紋樣構(gòu)成紋樣庫，用戶構(gòu)造出剪紙的動物形象輪廓，在紋樣庫中選出適當?shù)募y樣嵌入到剪紙輪廓內(nèi)的指定位置上。中國剪紙CAD系統(tǒng)研究[7]也采用了最新的數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)各種類型創(chuàng)新形式與內(nèi)容的剪紙，同時建立了大批量剪紙常用元素符號數(shù)據(jù)庫，大大加速了剪紙傳統(tǒng)藝術(shù)數(shù)字化CAD技術(shù)的發(fā)展。 

盡管剪紙的保護已經(jīng)取得了以上很大的進展，但剪紙作為一種傳統(tǒng)設(shè)計藝術(shù)，計算機輔助技術(shù)介入還是相對較少，主要原因是：a)剪紙藝術(shù)家對CAD技術(shù)的誤解，認為技術(shù)會破壞剪紙的藝術(shù)性并取代人的創(chuàng)意；b)設(shè)計與制作過程不能有效分離，使原本可以由計算機完成的部分工作沒有得到深入研究。

而實際上剪紙傳統(tǒng)藝術(shù)數(shù)字化的工作目標應(yīng)該是降低設(shè)計師的體力勞動，強化（而非取代）設(shè)計師的創(chuàng)意表現(xiàn)，以機器的高效輔助人的創(chuàng)意，提升傳統(tǒng)藝術(shù)的表現(xiàn)力。

本文將從剪紙傳統(tǒng)藝術(shù)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護的角度來抽象剪紙的形態(tài)設(shè)計過程，實現(xiàn)剪紙設(shè)計和制作的分離，并合理地介入剪紙的CAD技術(shù)方案，使得設(shè)計師能夠在此基礎(chǔ)上更好地發(fā)揮他的創(chuàng)意并快捷地設(shè)計出各種剪紙方案。

1 剪紙CAD技術(shù)方案

CAD輔助模塊一方面可以保持設(shè)計師的創(chuàng)意，提高設(shè)計師的工作效率，也可以豐富設(shè)計師創(chuàng)意表現(xiàn)效果。經(jīng)大量的剪紙作品考察和對剪紙形態(tài)設(shè)計過程的分析，CAD技術(shù)可以向剪紙設(shè)計師提供如下輔助模塊創(chuàng)意。

1.1 元素符號庫

為了更好地保護剪紙傳統(tǒng)藝術(shù)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)作品，對已設(shè)計的剪紙作品（包含手工剪紙）進行計算機數(shù)碼矢量化處理，根據(jù)剪紙作品的類型進行抽象與歸類，進而豐富剪紙元素符號庫的內(nèi)容。這樣既保證了符號庫的原始非物質(zhì)文化遺產(chǎn)特征，又使設(shè)計師可以對剪紙符號進行修改與編輯，以發(fā)揮設(shè)計師更廣闊的創(chuàng)意。元素符號庫包含：

a）輪廓構(gòu)形紋樣庫。剪紙設(shè)計師根據(jù)已構(gòu)思的主題從庫中選擇需要的輪廓，輪廓已基本反映某個主題的總體特征。圖1為庫中蝴蝶的四種構(gòu)形紋樣，設(shè)計師在設(shè)計蝴蝶剪紙時可以調(diào)取修改。

b）特征構(gòu)形紋樣庫。特征構(gòu)形紋樣可以進一步刻畫某一個剪紙主題的局部特征，如動物的五官特征以及植物的基本形態(tài)特征等。圖2為元素符號庫中抽取的眉毛、眼睛紋樣。

c）裝飾紋樣庫。裝飾紋樣用于剪紙主題的細節(jié)刻畫，常用的剪紙裝飾用紋樣有鋸齒紋、月牙紋、朵花紋、云紋、水紋以及火紋等，此類紋樣變化豐富。圖3為元素符號庫中抽取的鋸齒、月牙、朵花、云、水及火紋。

元素符號庫的產(chǎn)生有兩種方式：a)人工構(gòu)建。從已有的剪紙設(shè)計圖案中提取基本特征符號。b)程序自動提取。采用圖像處理的方式從剪紙圖形庫中提取出單元形態(tài)，并經(jīng)過統(tǒng)計特征識別和抽象處理，得到保留共性特征的符號[8]。本文元素符號庫暫時采用人工分析處理的方式構(gòu)建。

1. 2 基于路徑的裝飾技術(shù)

為了增強剪紙形態(tài)的表現(xiàn)力，豐富畫面細節(jié)是剪紙常用的藝術(shù)手法。其中對曲線的“打扮”是最常用的一種技巧，這種技巧通過將基本的剪紙紋樣沿路徑裝飾變換便形成更復雜更有美學效果的組合路徑紋樣。

一般的CAD平臺上均具備樣條曲線生成功能，將剪紙紋樣同B曲線混合變換可以產(chǎn)生更復雜更有規(guī)律的紋樣，此類變換可以分為單路徑變換以及雙路徑填充CAD技術(shù)。

1）單路徑變換 將某個剪紙紋樣沿一條由剪紙設(shè)計師設(shè)計的樣條曲線按照一定的規(guī)律分布，并可以調(diào)整分布的方向角，這種變化得到的裝飾紋樣具有紋樣跟隨路徑的效果。

具體CAD變換的實施步驟如下：

a)選擇已設(shè)計好的B樣條曲線shape1以及需要變換的紋樣對象shape2;

b)調(diào)整好需要在路徑上分布對象的數(shù)目n;

c)指定變換紋樣的某個方向為標準方向角angle，以便同路徑方向校準;

d)將shape1進行n等分，計算出n個點的坐標(xi，yi)， (1≤i≤n);

e)確定紋樣在shape1上分布的方向（原有方向、切線方向或垂線方向）;

f)計算shape1上n個點的方向角θi(1≤i≤n);

g)再制shape2對象為sp，將sp移到點(xi，yi)，旋轉(zhuǎn)θi-angle，循環(huán)n次。

經(jīng)過以上七個步驟，單路徑CAD變換便可以將紋樣沿路徑變換，圖4為采用CAD得到的單路徑變換紋樣。

2）雙路徑填充 將剪紙紋樣填充在兩條B樣條曲線之間，并根據(jù)曲線對應(yīng)點間的關(guān)系對紋樣進行相應(yīng)的縮放處理，雙路徑填充可以實現(xiàn)紋樣豐富多變的效果。

具體的CAD填充步驟如下：

a)選擇已設(shè)計好的外輪廓和內(nèi)輪廓B樣條曲線shape1和shape2以及需要變換的紋樣對象shape3;

b)調(diào)整好需要在路徑上填充對象的數(shù)目n;

c)指定填充紋樣的某個方向為標準方向角angle，以便與填充方向校準;

d)計算在標準方向angle上紋樣對象shape3的長度l;

e)將shape1和shape2進行n等分，計算出n個點的坐標(xi1，yi1)和(xi2，yi2)(1≤i≤n)，計算對應(yīng)點的距離li和方向角θi;

f)再制shape3對象為sp，將sp移至點((xi1+xi2)/2，(yi1+yi2)/2)，繞sp中心旋轉(zhuǎn)角度θi-angle，再將sp縮放li/l倍，循環(huán)n次。

經(jīng)過以上六個步驟，雙路徑CAD填充便可以將紋樣沿路徑填充。圖5為采用CAD得到的雙路徑填充紋樣。

路徑裝飾功能只針對用戶選定的對象實施，這樣可以讓藝術(shù)家手工建立路徑或用掃描儀掃描設(shè)計草圖并經(jīng)過矢量化處理得到樣條曲線，既保持了藝術(shù)家的原始創(chuàng)意，又降低了其勞動強度；并可以快速展示不同的裝飾效果供藝術(shù)家選用。

1. 3 折疊連續(xù)變換

折疊是剪紙中常用的連續(xù)圖案創(chuàng)作技術(shù)。為了更好地輔助剪紙設(shè)計中折疊式樣，需要借助CAD技術(shù)提供剪紙圖案紋樣的連續(xù)變換，這樣就可以方便設(shè)計師設(shè)計出具有連續(xù)圖樣的剪紙紋樣效果。連續(xù)變換包含：

a）二方/四方連續(xù)變換。二方連續(xù)變換為對某一個紋樣對象沿一個方向連續(xù)折疊變換，以形成一維的連續(xù)紋樣；而四方連續(xù)變換為沿垂直的兩個方向連續(xù)折疊變換，以形成二維的連續(xù)紋樣。在剪紙CAD中具體的做法為對已設(shè)計的剪紙對象進行矩形剪裁，通過控制一維和二維連續(xù)變換的次數(shù)得到不同連續(xù)紋樣。圖6為借助CAD產(chǎn)生的連續(xù)變換紋樣。其中：（a）為基本紋樣；（b）和（c）分別為二方和四方連續(xù)紋樣。由于在剪紙中需要將連續(xù)紋樣填充在不規(guī)則的區(qū)域中，CAD中提供底紋填充工具以方便剪紙設(shè)計，（d）為借助CAD生成的不規(guī)則底紋填充紋樣。

b）圓周連續(xù)變換。其為將某一紋樣沿圓周方向連續(xù)折疊變換，以形成圓周紋樣。在剪紙CAD中的具體做法為對已設(shè)計的剪紙對象進行三角形剪裁，須保證三角形為等腰三角形且頂角能整除360°，此時對該剪裁后的三角紋樣進行圓周折疊變換形成圓周連續(xù)紋樣。圖7為借助CAD產(chǎn)生的圓周連續(xù)變換紋樣。

折疊連續(xù)變換借助CAD技術(shù)后可以產(chǎn)生大量的連續(xù)紋樣，大大豐富并加快設(shè)計師創(chuàng)造連續(xù)紋樣。此時設(shè)計師還需要對這些連續(xù)紋樣進行判斷，檢驗這些紋樣是否符合陰刻或陽刻的條件，如果不滿足還需要進行調(diào)整修改。

1. 4 多方案的組合創(chuàng)意

當剪紙設(shè)計師已經(jīng)確定剪紙輪廓構(gòu)形以及特征構(gòu)形后，余下的工作就是對剪紙進行裝飾。裝飾剪紙時需要借助剪紙CAD技術(shù)方案（如基于路徑的裝飾技術(shù)以及折疊連續(xù)變換等）進行輔助。現(xiàn)假定設(shè)計師選擇了單路徑變換以及雙路徑填充CAD方案，此時多方案組合創(chuàng)意便體現(xiàn)出很大的價值。設(shè)計師一方面可以修改需要進行CAD處理的裝飾紋樣；一方面可以修改每一種CAD方案的參數(shù)，這樣就可以產(chǎn)生很多某一特定輪廓構(gòu)形和特征構(gòu)形的多方案剪紙。圖8為采用單路徑變換以及雙路徑填充CAD的多組合紋樣。

2 剪紙CAD系統(tǒng)的實現(xiàn)

剪紙CAD系統(tǒng)的研發(fā)是基于二維設(shè)計核心CorelDraw實現(xiàn)了原型系統(tǒng)。圖9為剪紙數(shù)字化CAD系統(tǒng)的工作界面。

剪紙設(shè)計師需要導入剪紙輪廓及特征或者自由設(shè)計，從元素符號庫中選擇裝飾紋樣進行CAD方案的參數(shù)化處理形成組合紋樣；再對剪紙進行自由打扮并檢驗設(shè)計的剪紙是否合理，如合理則將剪紙作品輸出，否則重新進行CAD處理。系統(tǒng)工作流程如圖10所示。

圖11為借助剪紙CAD系統(tǒng)生成蝴蝶剪紙的過程。其中：（a）為蝴蝶的輪廓構(gòu)形，也包含了部分蝴蝶的特征，在此基礎(chǔ)上進一步選擇特征紋樣及裝飾紋樣；（b）為設(shè)計師根據(jù)輪廓（a）繪制的紋樣依附路徑草圖，經(jīng)由草圖的特征識別及矢量化處理得到B樣條曲線；（c）為已放置好的基本紋樣和矢量化后的B樣條路徑曲線，經(jīng)過單路徑變換及雙路徑填充后形成（d）剪紙圖案，將路徑刪除后形成（e）圖案，對（e）中左側(cè)圖案進行折疊連續(xù)對稱變換便形成剪紙（f）圖案，經(jīng)檢驗符合陰刻剪紙的設(shè)計原則。

根據(jù)多方案組合創(chuàng)意，調(diào)整剪紙CAD的參數(shù)便可以快速形成多方案蝴蝶剪紙圖案，如圖12所示為六個多方案蝴蝶剪紙圖案。

如果按照傳統(tǒng)剪紙過程設(shè)計，需要設(shè)計師不停地選擇與擺放蝴蝶裝飾紋樣，這在一定程度上會耗費設(shè)計師大量的設(shè)計時間且剪紙往往相對簡單。但從借助CAD生成蝴蝶剪紙以及產(chǎn)生多方案蝴蝶可以看出，CAD大大發(fā)揮了它的快速性、復雜性以及多方案等優(yōu)點。

3 結(jié)束語

本文以剪紙為例探討了中國傳統(tǒng)藝術(shù)設(shè)計中計算機輔助技術(shù)的介入方式。所開發(fā)的軟件模塊的使用效果表明，即本技術(shù)方案可以在保持藝術(shù)家創(chuàng)意的基礎(chǔ)上大大提高其工作效率，并可對原始創(chuàng)意快速提供多種表達方案供比較選擇。實踐證明，本文所提出的創(chuàng)意與制作過程有效分工的方式對傳統(tǒng)藝術(shù)設(shè)計和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護均有很好的促進作用，也有助于加深CAD技術(shù)開發(fā)人員與藝術(shù)家之間的相互理解與交流，憑借現(xiàn)代科技共同提升傳統(tǒng)藝術(shù)的價值。

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