木材構造圖案的美學法則研究及其包裝仿生設計

古希臘時期,學者們就提出了美的形式法則理論。從美學學科的產生與發展來看，18世紀Baumgarten創立了獨立的美學學科，是近代科學發展的產物。從精神角度來看，柏拉圖覺得美的本質就是美的理式，黑格爾認為美是理念的感性顯現。從客觀物質屬性來看，亞里士多德認為，美在事物本身，體現在事物的“秩序、勻稱與明確”的形式中，主要依靠事物的“體積與安排”，突顯事物的“整一性”。達?芬奇認為美是可以用感官認識到事物的性質。我國孔子認為美學思想與儒家的“中庸之道”的哲學思想一脈相承，其核心是“和諧為美”。凡是客觀存在的事物，都離不開形式，事物的變化、相互作用都是在形式中展開的。形式分為事物的內在內容和外顯方式兩種屬性。木材的自然美就是通過木材宏、微觀構造表征的具體形式呈現出來的。

1　國內外研究現狀

20世紀初,美、德等國家就已經展開有關木材方面的研究。1934年美國出版的《木材學教科書》、1936年德國出版的《木材技術》、1978年日本出版的《木材應用基礎》[1-4]等等。我國木材研究鼻祖著名木材解剖學家唐耀先生[5]于1936年12月發表文章《中國木材學》，為中國打開了“木研究”的大門。隨后,我國學者對天然林、人工林樹種進行木材解剖，在木材的構造、材性、加工性和利用性等物質屬性方面做出了大量深入研究。木材不僅具有作為木質材料的實用價值，還有美學價值。廣西大學羅建舉教授從木材宏觀、微觀兩個維度探討木材美學的研究內容和方法[5]，系統地提出了“木材美學”理論，以及對木材美學的長遠發展進行了初步系統規劃。呂九芳、吳智慧[7]從木材的天然紋理中提取精致的美學圖案，再將它們按照一定的規律，應用電腦合成技術打散、重組，設計出各種富有韻律和裝飾性的木材美學圖案。徐麗等[6]從形式美學角度探討了木材宏、微觀構造的形式，并將其應用于設計中。梁敏[7]根據圖案形式美法則，系統地對木材導管、木纖維、軸向薄壁組織等主要木材組織構造進行美學原理分析，認識和揭示木材解剖構造特征之美。廖曉梅[8-9]從木材橫切面細胞構造特征中提煉出美學元素，運用重構等方法將得到的美學圖案運用于室內設計中。何拓等[10]探索了紅酸枝木顯微構造中的管孔、軸向薄壁組織及木射線美學元素，并將它們應用于地板、服裝及陶瓷設計。

木材由于自身的自然屬性，其紋理、顏色以及質地富有天然的美感和質感，備受人們的青睞，符合人們崇尚自然的審美需求。從木建筑到木家具，木與人類生活息息相關。木材構造形成隨機的、自相似性的圖案具有1/f型漲落譜的特征，武者利光曾對各種條紋圖案進行心理比較測驗，發現具有1/f型漲落的條紋圖案自然感越強[11]。趙廣杰[12]研究出人們喜愛木材紋理構造的根本原因就是其紋理的漲落譜和人體生理節奏的漲落譜存在形式的一致性。龍濤[13]基于1/f漲落的木材構造研究木材美學，發現木材構造圖案的功率譜密度與頻率成線性關系，即1/f漲落關系，能激發人體大腦產生令人愉悅的α節律波。由于木材構造圖案具有1/f型漲落譜的特征，給人們帶來舒適[14]的視覺和觸覺感受，它是人們最愿意親近、最富有人情味的材料[15]。

■圖1　12種木材弦切面宏觀構造圖案

■圖2　12種木材橫切面微觀構造圖案

雖然國內不少學者對木材表面紋理、色澤、微觀構造組織進行了探討，但是對木材構造美學元素的整體特征研究較少。本研究從宏觀紋理、微觀構造圖案角度出發，提取木材構造特征元素，系統分析其美學形式，并將其作為設計材料，結合木材的視覺、觸覺等知覺美感特征，對其進行藝術處理，運用到仿生產品設計中，重塑木材的美學價值和提升仿生產品的附加值，吻合了人們親近自然的本性。

2　實驗材料與方法

2.1　實驗材料

實驗材料由南京林業大學材料科學與工程學院木材科學系標本實驗室提供。針葉材分別為樟子松、北美黃杉和杉木。闊葉材分別選取環孔材白榆、蒙古櫟、水曲柳和大葉櫸；半環孔材香樟、柚木；散孔材紫椴、亮葉樺和巴里黃檀。它們均為室內裝飾的常用木材，具有代表性，因此選取這12種常用室內裝飾木材作為測量試樣。其中，編號1—3的試樣屬于針葉材：1—樟子松、2—北美黃杉、3—杉木；編號4—13的試樣屬于闊葉材：4—香樟、5—柚木、6—紫椴、7—白榆、8—蒙古櫟、9—水曲柳、10—亮葉樺、11—巴里黃檀、12—大葉櫸（圖1～圖4）。試樣木塊尺寸為120×70×12mm3（L×W×H),經長期室溫條件下氣干后，將被測面徑精刨加工平整，然后在溫度20℃、空氣相對濕度為65%的環境中，將含水率調整到12%。圖1為室內裝飾木材弦切面宏觀和三切面微觀構造圖案共48張。木材切片分別放入掃描儀(EPSON 1270，Japan)中,掃描后,經過Photoshop軟件對圖片進行處理，從而得到12種木材弦切面的宏觀圖片。木材三切面的微觀圖片是運用光學顯微鏡（OLYMPUS DP70，Japan）在40倍放大率下采集的，為了消除顏色對木材圖像感性意象的影響，對其進行灰度處理。圖片大小尺寸相等，寬度和高度為768像素×1240像素，分辨率為300dpi，位深度為24位，轉換成標準位圖格式的BMP格式圖像。

2.2　實驗儀器

本實驗采用掃描儀(EPSON 1270，Japan）和光學顯微鏡（OLYMPUS DP70，Japan），對實驗試樣進行樣本采集。

2.3　實驗方法

將圖1的48張木材宏觀和微觀構造圖案制作成PPT形式，逐張呈現并應用形式美法則進行分析。

3　結果與分析

3.1　木材弦切面宏觀構造圖案的美學法則分析

雖然木材細胞具有各向異性和變異性，但是木材的細胞結構特征是相近似的。木材微觀細胞組織構造決定宏觀構造圖案，即木材紋理。木材的不同切面呈現不同的紋理圖案，橫切面上呈現同心圓狀花紋，徑切面上呈現平行的條形帶狀花紋，弦切面上呈現拋物線狀花紋[16]。由圖1可見，大多數針、闊葉材樹種弦切面的宏觀構造圖案呈現山峰狀花紋（1樟子松、2北美黃杉、3杉木、4香樟、5柚木、6紫椴、7白榆、8蒙古櫟、9水曲柳、10亮葉樺、12大葉櫸）和波浪花紋（11巴里黃檀）。山峰狀花紋和波浪花紋在弦切面上呈現出有條理的反復和交替排列，使人在視覺上感受到動態的連續性，產生節奏感。節奏是韻律形式的純化，韻律是節奏形式的深化，節奏富于理性，而韻律富于感性。木材山峰狀花紋的韻律感不是簡單的重復，而是一定變化的互相交替，是情感在節奏中的融合，因此在木材弦切面上產生不尋常的美感。例如針葉材[17]早材至晚材緩變，早材管胞呈現不規則多邊形，晚材管胞多為長方形及多邊形。軸向薄壁組織呈現星散狀及弦向帶狀。弦切面上多為木射線單列（偶對列），高2-22（多6-12）細胞，因此，弦切面呈現相對均勻的山峰狀紋理，體現了節奏與韻律的形式美感。

3.2　木材橫切面微觀構造圖案的美學法則分析

針葉樹主要由管胞組成，其占木材總體積的89—98%，木射線占1.5-7%，軸向薄壁細胞0-4.8%，泌脂細胞0-1.5%[18]。由圖1-b可見，針葉材（1樟子松、2北美黃杉、3杉木）的橫切面早晚材管胞呈矩形，沿徑向整齊排列，構造圖案簡潔，體現單純與秩序[19]的形式法則，使人產生一種簡約、純潔的感受。例如樟子松[20]橫切面早材管胞方形、矩形，晚材管胞也是矩形，形狀趨于一致。

闊葉材主要由木纖維、導管分子、木射線和軸向薄壁管胞組成。由圖2可見，木材構造特征為環孔材（7白榆、8蒙古櫟、9水曲柳、12大葉櫸）的橫切面細胞構造圖案比針葉材復雜。在同一生長輪內，管孔的形狀、疏密相近似，多為單個或2-3個排列分布。由于管孔與木纖維細胞形狀相近似，形成調和的視覺美感，橫切面上管孔的直徑又遠大于木纖維的孔徑，形成大小對比的效果，兩者在橫切面上呈現對比與調和的形式美感。例如水曲柳橫切面上多是單管孔或2個徑列復管孔。木材構造特征為散孔材至半環孔材（4香樟、5柚木）、散孔材（6紫椴、10亮葉樺和11巴里黃檀）的橫切面細胞構造圖案比環孔材樹種的圖案更有秩序感。由于散孔材的導管形狀、大小相似，相對均勻地分布在橫切面上，體現單純與秩序的形式美感。同時，導管與木纖維的孔徑大小形成對比，前者孔形近似于不規則的圓形，后者孔形為多角形，兩者近似產生對比與調和的視覺感受。例如紫椴橫切面上多為單管孔及2-3個徑列復管孔。導管分子、軸向薄壁組織、木纖維及木射線均局部疊生。軸向薄壁組織呈星散-聚合狀，輪界狀薄壁組織帶寬1-2個細胞。

■圖3　12種木材徑切面微觀構造圖案

■圖4　12種木材弦切面微觀構造圖案

3.3　木材徑切面微觀構造圖案的美學法則分析

根據圖3可見，針葉材（1樟子松、2北美黃杉、3杉木）徑切面主要是管胞分子和木射線細胞組織。在徑切面上，管胞分子呈現平行狀排列分布，單純具有秩序感。木射線中的射線薄壁細胞呈現橫臥長方體，射線管胞為橫向生長的管胞，形體短而寬，長菱形，長度僅為軸向管胞的三十分之一，一層層疊加組織，兼具秩序感。射線薄壁細胞與軸向管胞交叉形成交叉場紋孔，在徑切面上產生了變化的形式，與整體管胞分子平行條狀排列的統一形式相呼應，組成變化與統一的形式感。例如樟子松徑切面上具有軸向管胞具緣紋孔和交叉場紋孔窗格狀，與管胞分子的平行條狀排列形成多樣與統一的效果。

根據圖3可見，闊葉材（4香樟、5柚木、6紫椴、7白榆、8蒙古櫟、9水曲柳、10亮葉樺、11巴里黃檀、12大葉櫸）徑切面主要是導管、木纖維、木射線和軸向細胞構成。在徑切面上，導管分子呈現寬平行條狀排列分布，木纖維細胞呈現窄平行條串狀的排列分布，兩者之間相互依次間隔，產生對稱與均衡的視覺美感，達到徑切面整體的穩定、莊嚴的心理感覺。例如紫椴徑切面導管與木纖維細胞交替呈現。

3.4　木材弦切面微觀構造圖案的美學法則分析

根據圖4可見，針葉材（1樟子松、2北美黃杉、3杉木）弦切面主要是管胞分子和木射線細胞組織。在弦切面上，管胞分子還是呈現平行條狀排列分布，單純兼具秩序感。木射線多為單列寬度僅1個（偶爾2個）細胞的木射線，有的具有紡錘形含1個（偶爾2個）徑向樹脂道的木射線。木射線在弦切面上的不規則分布，與管胞分子的平行條狀排列，產生變化與統一的視覺效果。例如樟子松弦切面木射線具單列和紡錘形兩類，單列射線高2-17個細胞，紡錘射線具徑向樹脂道，樹脂道上下方射線細胞2-3列，兩端尖削而成單列，高1-10個細胞。木射線的不規則分布與管胞分子平行條狀排列，形成變化與統一的圖案。

根據圖4可見，闊葉材（4香樟、5柚木、6紫椴、7白榆、8蒙古櫟、9水曲柳、10亮葉樺、11巴里黃檀、12大葉櫸）弦切面主要是導管、木纖維、木射線和軸向細胞構成。在弦切面上，導管分子也呈現寬平行條狀排列分布，木纖維細胞呈現窄平行條串狀的排列分布。不同寬度、排列和組成的射線分布在闊葉材弦切面上產生變化的視覺感受，與導管、木纖維細胞構成的平行條狀排列分布形成變化與統一的視覺美感，產生靈動、和諧的心理感受。例如紫椴弦切面上單列射線較少，多列射線寬3-4個細胞，高20-60個細胞，射線組織同形單列或多列。木射線與導管分子都是不規則的平行條狀排列，形狀相似，一深一淺，形成變化與統一的視覺效果。

4　木材構造圖案特征的包裝仿生設計

應用Photoshop圖形設計軟件，對木材構造圖案進行設計。由于木材來源于大自然，在進行設計時盡量保留了木材自然的本性，使其再生圖案更貼近人們的生活，具有生命力。

北美黃杉弦切面的宏觀紋理具有山峰狀花紋（圖5），在設計中盡量保持木材紋理的原貌。將原圖（a）進行色彩處理得到圖案（b），提升原木紋理的逼真度，再經過濾鏡選項應用變化與統一的形式美法則，應用到咖啡包裝盒的設計（c）中，使木材自然的肌理得到完美呈現，給消費者帶來木材紋理、色彩的視覺美感享受。

（圖6）白榆橫切面管胞早材管孔比晚材管孔大，年輪界限明顯，屬于環孔材。應用管孔的特征，將原圖（a）經過濾鏡晶格化處理得到圖案（b），再通過放大處理得到圖案（c），根據形狀相似而色彩不同，即變化與統一的美學原則貼圖到JELLY品牌果凍的包裝袋（d）設計中，形象地烘托了產品的品牌形象。

紫椴徑切面導管分子單穿孔，木射線與導管間紋孔大，多呈現橢圓形與柵狀（圖7）。應用導管分子和管間紋孔互列的特征，將原圖（a）經過濾鏡風格化選項，同時放大處理得到圖案（b），根據形狀相似的變化與統一的美學原則貼圖到美膚語品牌化妝品的包裝盒（d）設計中，給產品注入了新的活力。

（圖8）白榆弦切面木射線具有單列、二列、多列和寬木射線4種類型。應用木射線的特征，將原圖（a）經過濾鏡像素化馬賽克處理得到圖案（b），再通過去色、放大處理得到圖案（c），將這種肌理應用到SPAGHETTI品牌的意大利細面的包裝設計（d、e）中，增強了產品包裝的肌理感。

木材的管胞、導管、木纖維等細胞都是構成木材構造圖案的主要元素，由于木材構造圖案具有1/f型漲落譜的特征，給人們帶來舒適的觸覺和視覺感受，它是人們最愿意親近、最富有人情味的材料。中國的文化就是“木的文化”，中國的古建筑殿、堂、樓、館、亭、榭、閣、軒、齋、寺等都是由木材構建而成，形成了獨特的東方風韻。Tohid[21-22]認為木雕藝術的復雜圖案表達了人們的民族特色、道德和倫理價值。將木材構造形成的宏、微觀構造圖案作為設計元素，利用各自圖案的細胞構造特征，針對不同產品的特性，有的放矢地進行包裝仿生設計，不僅擴寬木材構造圖案美學的研究價值，還為仿生設計提供新的思路和商品附加值。同時，木材構造圖案還可以應用到建筑、室內[23]及家具裝飾材料的肌理、紋樣圖案的設計，工業產品的功能設計，以及服裝、平面的圖案設計中。將木材構造圖案融于藝術與情感，不斷喚起人們對木制品以及其商品的親近感[24]。

5　結語

運用掃描軟件采集木材弦切面宏觀構造圖案，探討木材由于生長輪界線的早、晚材緩變至急變產生紋理的形式美學規律；采用光學顯微鏡表征木材三切面微觀的構造圖案，分別分析不同細胞構造特征的形式美規律。同時，將其美學特征進行包裝仿生設計研究。

①由于生長輪界線早、晚材的緩變至急變，針、闊葉材的弦切面宏觀構造呈現相對均勻的山峰狀花紋，體現節奏與韻律的形式美感。

②由于針葉材橫切面上早、晚材管胞形狀趨于一致且呈秩序性分布，微觀圖案呈現單純與秩序的形式美感。由于闊葉材橫切面上環孔材、散孔材的管孔與木纖維細胞形狀相近似，且管孔的直徑又遠大于木纖維的孔徑，形成對比與調和的視覺美感。

③由于針葉材徑切面上軸向管胞具緣紋孔和交叉場紋孔，它們與管胞分子平行條狀排列的統一形式，組成變化與統一的形式美感。由于闊葉材導管分子與木纖維細胞在徑切面上都呈平行條狀排列，且交替呈現，產生對稱與均衡的視覺美感，達到徑切面微觀整體的穩定、莊嚴的心理感覺。

④由于針葉材弦切面上木射線不規則分布，與導管分子的平行條狀排列形成對比，產生變化與統一的視覺效果。由于闊葉材弦切面微觀上木射線與導管分子都是不規則的平行條狀排列，形狀相似，一深一淺，也產生變化與統一的視覺效果。

⑤木材構造圖案具有隨機的、自相似性的1/f漲落特征，根據宏、微觀三切面細胞構造的這一特征，展開各種再創作和設計的新思路，豐富傳統的木文化以及美學內涵。針對木材宏、微觀各切面細胞構造的自然屬性，結合包裝產品的特點，進行產品的藝術創作，拓展木材美學圖案的應用，提升產品的附加值。