基于數字化技術的中國古典家具研究

■林 海 吳劍鋒 Lin Hai & Wu Jianfeng

(1.蘇州科技學院建筑城規學院，江蘇蘇州 215009；2.蘇州工藝美術職業技術學院環境藝術系，江蘇蘇州 215104)

1 前言

在文化遺產的保護傳承中，數字化技術的運用已經成為一種全球化的趨勢。基于圖片的繪制和重建、基于三維掃描的重構和漫游、圖片檢索及其修復、版權保護和沉浸式虛擬系統等多種數字化技術為人們提供高精度高逼真的數字化信息，彌補了傳統文化遺產保護中信息易老化、易失真等缺陷，在文化遺產的保護中發揮著越來越重要的作用。數字化技術不僅能保護和傳承文化遺產，而且賦予文化遺產以嶄新的生命。

作為中國物質文化遺產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、造型優美、圖案精致，承載著中國古代人民生活方式、意識形態和價值取向等諸多信息。中國對于古典家具的系統研究可以追溯到20世紀30年代，當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、結構和造型、裝飾和用材，成果豐富。到21世紀，中國古典家具的研究逐步深入到開發滿足現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高低。有的設計者深入了解古典家具的設計和制作，領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。有的設計者自身設計素養不高，僅僅參考古典家具專業書籍依葫蘆畫瓢，制作出來的家具差強人意。

在世界文明高度融合的今天，繼承與發展中國古典家具的優秀傳統，提高中國家具產業的全球競爭力，是當代中國家具產業的重要課題。將數字化技術引入中國古典家具的研究，是當代中國家具產業面臨的新課題。

2 數字化技術在中國古典家具研究中的應用

2.1 研究現狀

從現有資料可知，國內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行斷代研究，分析總結家具的演變規律和各個時期家具的造型、裝飾和技術特征。這些研究對傳統文化起到了很好的保護和傳承作用。但是在研究過程中存在薄弱環節。這些研究對一些中國古典家具進行了測繪，但多數家具只有外形尺寸，缺少細部構件和內部榫卯的尺寸，家具實例的信息不夠全面。數字化技術作為一種新型的研究手段，引入到中國古典家具研究中，在國內仍處于探索階段。劉文金教授的《中國傳統家具藝術史料數據庫的研究》以家具發展各歷史階段和家具品系為索引建立數據庫，介紹家具的實證案例、造型特點、形制、裝飾特征和技術特征等，是國內目前比較全面的傳統家具數據庫研究。張亞池教授運用計算機數值模擬有限元方法對傳統家具結構進行強度測定，在古典家具的結構研究部分介入數字化技術。內蒙古大學農業大學的賀春光、高曉霞進行了蒙古族傳統家具三維圖案模型數據庫的研究，建立了一套能夠三維動態瀏覽并能讀取數據的三維圖案數據庫。這種將三維數字技術引入了蒙古族傳統家具的研究，彌補了古典家具在三維數據庫查詢、讀取的空白[1]。高敏、周仁和開展的仿古家具產品數模重構及創新制造研究，利用逆向工程思想對明清等傳統中式家具結構、造型進行數模重構，并通過產品造型創新完成仿制和創新設計全過程[2]。

2.2 研究內容

將數字化技術引入中國古典家具的研究，以點概面，結合跨學科的相互關聯，對傳統的古典家具以新的手段進行轉化和開發，將為中國古典家具的研究注入創新的活力。下文系統探討將數字化技術引入中國古典家具的研究方法和內容。

2.2.1 面向古典家具的信息采集

古典家具的數字化過程包括數據采集、數據處理，數字顯示三個過程。數據采集是整個研究工作的基礎，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、結構復雜，尤其是一些家具經歷百年之后已有損壞，這給信息采集工作帶來很大的困難。基于古典家具的結構和造型特點，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，而且準確度不高。攝影測量法通過多個相機從不同角度對家具進行拍照，通過三角計算法將二維平面圖形轉換為三位立體圖形。三維激光掃描技術通過三維激光掃描獲取古典家具表面的三維坐標數據，數據采集工作簡化，信息準確。激光掃描的每一個數據（點）帶有X、Y、Z坐標數值或色彩數據(R、G、B)，將這些數據（點）集合起來形成點云(Point Cloud)，點云構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據進行采集，精度高、點云密集、處理速度快，但獲取的模型缺少紋理信息。現有的掃描儀可以獲取一定程度的紋理影像，但是其質量、精度和對色彩的還原度遠沒有達到實際的需要。因此，需要研究如何利用相機拍攝的光學影像，實現和點云獲取的幾何模型之間的配準，建立高精度的紋理影像。

2.2.2 信息的后期開發處理

中國古典家具的數字化是從對原始點云數據的處理，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據處理過程分為三部分，分別為數據預處理、建模和模型可視化。數據預處理指的是在點云處理軟件環境下對三維掃描儀采集到的點云數據進行優化處理，如點云數據的濾波、平滑、縮減、分割、配準、融合等，減低模型重建的復雜性，提高精確度和速度。建模指的是將預處理后的點云數據以參考文件的方式導入BIM軟件，如Revit，通過捕捉點構成線、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、加入燈光，對三維模型進行渲染，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，是集成的智能數字系統。在古典家具的研究中創新性地引入建筑信息模型BIM技術，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，以數據共享為手段，協同設計、管理和制造的智能化流程。BIM技術的運用，將中國古典家具保護與傳承工作中的諸多信息和環節“打通”，實現跨部門跨專業的數據溝通、傳遞和交流，為古典家具設計、制作和管理提供數字化平臺，優化工作方式，提高工作效率。

2.2.3 建立系統完整的古典家具三維數據庫

三維數據庫的建立是一個復雜的過程。開發人員在信息采集和后期處理的基礎之上，設定數據庫的基本框架和關系結構，依托Revit軟件平臺的API接口進行開發。這樣不僅充分利用了Revit軟件強大的三維建模功能，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。

三維數據庫與傳統二維數據庫有相同之處，也有不同之處。傳統二維家具數據庫一般是利用Delphi可視化開發工具進行數據庫開發，數據庫的功能以查詢瀏覽數據為主。用戶使用數據庫時通過輸入一些關鍵詞，檢索獲取家具的二維信息，例如規格、形式、結構、尺寸、圖案等信息。而三維數據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、技術特征、榫卯結構等諸多數字化的信息，實現三維動態瀏覽。用戶根據需要還可將數據導出，進行逆向設計。建立古典家具的三維數據庫不僅有利于家具企業對設計文件進行查閱和管理，而且方便設計人員共享和調用設計文件。

2.2.4 基于三維模型的數字化產品研發

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

2.2.5 數字化制造的研究

家具的數字化制造是提升傳統家具產業的重要手段。板式家具數字化制造與數字化軟件密切相關，不同的數字化制造軟件，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）、設計拆單軟件（W OO D C A D／C AM）和開料優化軟件（C U T R I T E），是在整個數字化制造過程中相互關聯的三個獨立軟件[4]。在古典家具的開發制造中，可以用UG軟件，將設計后的三維模型導入UG軟件的加工模塊中，生成刀具軌跡，判斷加工的合理性，并作適當的修正。等確定各加工過程準確無誤后就可以進行程序的輸出。NC加工程序生成后，再將生成的數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，還可以與數控雕刻機相結合完成數字化制造。家具設計師將三維數據庫中高保真的復雜3D模型，通過編程軟件傳輸至數控雕刻機，直接進行批量加工，完成采樣、設計、加工全過程數字化，縮短生產周期，提高生產效率[6]。

2.2.6 虛擬現實技術的應用

虛擬現實技術作為數字化技術的一種,近年來廣泛地運用在許多領域。虛擬現實技術借助計算機模擬創造一種虛擬的環境，讓用戶沉浸其中，產生身臨其境的感覺，并且通過具體的操作與多維化信息的環境發生交互作用，獲取知識，提高認識，萌發構思。

利用虛擬現實技術進行中國古典家具的研究，可以從三部分著手。首先，將虛擬現實技術用于古典家具產品實例和虛擬空間的展示。古典家具實例的展示，可以實現快捷地查詢和瀏覽，讓人們系統了解中國古典家具。虛擬空間的展示，可以實現古典家具的逼真重現，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，提升家具企業的銷售手段和能力。其次，虛擬現實技術可以用于家具的新產品開發。將虛擬現實技術用于新產品開發稱之為虛擬設計，虛擬設計作為一種新型的設計方式，將新產品的概念設計、方案生成到加工制造的環節通過計算機虛擬呈現，實現設計和制造的可視化。設計者在虛擬現實環境中通過三維數字模型，可以在新產品開發的各個階段，對新產品的尺寸、結構、材料、加工工藝、裝配和生產組織進行推敲優化，保證設計的可靠和高效。例如美國波音公司的波音777飛機通過虛擬現實技術對產品進行全數字化三維描述，實現產品設計的無紙工程。最后，運用虛擬現實技術可以進行家具企業員工的培訓。員工在虛擬的真實環境中清晰地了解家具的設計、結構、工藝流程、制造、安裝，以及家具擺放在實際室內環境的效果，學習興趣高漲，培訓效果明顯。

3 展望

中國古典家具的數字化技術應用研究立足于解決中國古典家具研究與當前古典家具設計脫節的狀況，提出的古典家具的數字化研究方法，從“中國家具數據采集”入手，采用“建筑信息模型BIM”技術，對前期采集信息進行處理，建立相關數據庫，最終深入到新古典家具的設計層面，指導新古典家具研究開發的實踐，力爭探索出一條中國傳統家具的傳承、應用及推廣的新路子，為古典家具的研發帶來新的契機。

[1]賀春光,高曉霞.創建蒙古族傳統家具三維圖案模型數據庫的研究[J].內蒙古農業大學學報(自然科學版).2011,(1):245-249.

[2]高敏,周仁和.仿古家具產品數模重構及創新設計制造研究[J].制造業自動化.2011,(10):150-152.

[3]郁舒蘭,吳智慧.家具產品協同定制數字化關鍵技術研究[J].制造業自動化.2010,(11):62-65.

[4]蔣星.數碼媒體在藝術設計中的應用[J].中南林業科技大學學報.2011,(12).

[5]曹平祥,王福轅.板式家具數字化制造技術淺談[J].木材工業.2013,(1):35-38.

[6]郁舒蘭,王兆伍.逆向工程中明清家具曲面造型的可視化設計[J].林業機械與木工設備.2002,(12):13-15.

[7]陳宇拓,鄧背介,韓旭里.木工數字化智能雕刻系統關鍵技術的研究[J].CAD/CAM與制造業信息化.2007,(2):128-131.