數字技術下的傳統家具研究概況

劉鐵軍 藺明林

摘要：在傳統家具的研究領域中，數字技術的應用大多仍然處于起步階段，研究的方式方法仍然有很大的發展和提升空間，本文著眼于當前傳統家具領域中相關數字技術的應用，分別從數字模擬技術、數字制造技術、數字化的鑒定檢測技術三大方面，對其應用的技術特征進行研究和剖析，以期在數字技術的應用特征和前景方面有更為全面的認知，進一步促進該領域研究手段的不斷豐富和革新，提升研究的綜合水平，推動中國家具的傳承與發展。

關鍵詞：傳統家具 數字技術 數字采集 數控加工 數字鑒定檢測

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 07-0088-05

一、數字化技術的含義

數字化技術是使用特定的設備將客觀世界中的事物轉換成計算機唯一能識別的二進制語言，從而將圖像、文字、聲音等許多復雜多變的信息轉變為可以度量的數字、數據信息，建立起適當的數字化模型。它是計算機、多媒體技術、軟件以及互聯網技術的基礎，是實現信息數字化的技術手段。

二、傳統家具研究中的數字化模擬技術

在傳統家具研究的過程中，隨著全球科技進程的加快，各種先進的數字技術也在這個領域發揮著越來越廣泛且重要的作用，我們按照不同研究層面所應用數字模擬技術特點的不同，將其可分為三個階段。按照其在研究過程中所應用的先后順序性，可分為：數據采集技術、數字建模技術、數字衍生技術、數字化鑒定檢測技術。

（一）傳統家具的數據采集技術

數據采集是研究傳統家具的一項重要基礎工作，廣義上的傳統家具的信息采集包括對家具尺度、榫卯構造、材質、裝飾工藝等的記錄或辨識工作，這里專指對傳統家具的三維尺度、色彩紋理信息進行獲取和記錄。適合傳統家具的數字采集技術主要是三維激光掃描，這種技術具有高精度、高效、高密度數據獲取的優勢，被廣泛應用于設計制造、遺產保護、文化藝術、虛擬展示等領域。通過掃描測量點云編織出的外皮來逼近目標的完整原形及矢量化的數據結構，真實描述被掃目標的結構及外在形態特性。應用這種技術的掃描儀可以分為固定式和移動式，其中最適合傳統家具掃描的是一種可以隨意移動的便攜式手持三維激光掃描儀，它免去了固定式掃描儀不斷調整位置和角度的不便，且掃描過程為無損操作，不會對家具有任何接觸和損害。它通過激光打在家具表面，然后接收家具表面所反射的光線來獲取該物體的三維坐標信息并實時在計算機里生成虛擬化的掃描外形，可以自動生成高品質的stl、obj、jpg等模型和圖片文件格式，再導入具有同類文件編輯處理功能的軟件進行后期加工處理，如圖1。

對于三維模型數據精度要求高、依靠手工建模比較困難或無法完成的多曲面、多層次或表面帶有復雜雕刻紋樣的家具，尤其適合以這種方式進行數據采集，但隨著掃描精度的提升會導致掃描的時間成本和數據存儲量同步增加，以華南農業大學對一件晚清民國廣式風格的紅木座椅所進行的掃描為例。此件椅子的體積相比建筑雖小、但形體繁瑣、雕刻與鏤空較多，點云數據的采集需要從多個角度進行多次掃描來獲取，對于需要翻轉家具進行局部針對性掃描的，還應保證每個掃描面和下一個過渡面之間至少有3個公共標志點。在對這件紅木座椅實際的數據掃描過程中，系統要求重合面重疊部分占單次掃描面積的30% - 40%，加上掃描的角度和次數多，單單只此一件家具為了獲取其詳細的三維點云資料就耗時了兩天、掃描了200多個角度，單個模型文件的原始點云數據量達到了28G。但掃描之后的模型精度仍然可以調整，我們可以從實際需求出發，選取適合的精度來降低后期的數據處理量，如圖2。

物體若要實現三維數據化，其構造三維模型的手段主要有以下三種：人工軟件建模、照片建模和掃描建模。利用上述手持3D激光掃描儀掃描得到的家具模型屬于掃描建模，它可以精確地反映出家具表面的諸多工藝特征和保存狀態。若對已經拆解的家具進行分件掃描建模，則內部的榫卯結構可以被清晰記錄;若對家具整體進行掃描建模，則可以記錄外觀榫卯組合形成的合縫、家具表面的各類線腳、外在雕刻的各種形態特征以及殘損的具體狀態等;若掃描同時采集紋家具表面的色彩與紋理信息，則這些內容也可以被同步記錄。家具掃描后通常還要經過：模型的導入和檢查一模型的細節處理一模型的面數優化等才能獲得比較完美的數字模型，進而用于今后的研究或深度開發展示。

數字化建模技術可用于殘損古代家具修復前的模擬復原，以此可有效降低因技術人員缺乏經驗帶來的修復風險。通過對模擬復原部位效果的不斷更改和調整，可建立更趨合理的修復預期效果，最大限度避免因傳統修復帶來的不確定性和不可逆性。若原作過于殘損不具備展覽展示的條件，還可通過數字模型的模擬復原效果替代原作進行虛擬展示。數字模型除用于上述模擬修復和復原外，還可用于對傳統木工榫卯工藝的研究與展示，如下表所示不同項目下都不同程度借助了數字建模技術的開發與應用，如表1：

（二）傳統家具的數字化衍生技術

利用數字技術除了可以為傳統家具建立完整精確的數字檔案外，還可通過與其他多媒體技術結合衍生出很多新技術，如VR、AR、3D全息投影等。運用這些衍生技術可以立體化展現家具的空間場景，動態化展示家具的組裝過程，對傳統家具進行全方位多角度的科研、教學、展覽等。如透過VR與AR技術的應用，可為已經脫離原始環境的傳統家具打造虛擬場景，使傳統家具背后的文化形態、歷史形態和環境形態等得到同步展示，以此來彌補家具因與環境脫離造成的信息缺失，加深觀眾對傳統家具的理解和認知;還可用來指導和優化室內設計，滿足人們對室內傳統家具的個性化需求。設計者可以根據客戶提供的戶型圖紙建立虛擬的環境，再將傳統家具的數字模型置于虛擬環境之下，客戶通過智能觀看設備平臺便可提前感知室內陳設效果，查看其中的數字家具模型并與家具產生互動，進而提出對家具設計或陳設上的修改要求，而設計者則通過收集用戶反饋的信息，不斷驗證和調整家具的設計與陳設效果。而借助3D全息投影這項技術，則可以全方位展示一些家具榫卯裝配的動態過程以及構件的組裝過程，給人以極具立體感的視覺效果。天津武清博物館里的古代家具展廳就借助了全息投影技術向觀眾展示了一件羅漢床的內外整體面貌以及一件架子床的整個搭建過程，觀眾只需站在原處便可欣賞家具的全貌，還能透過動態的模擬演示了解整個架子床的搭建過程，如圖3。

三、傳統家具研究中的數字化制造技術

傳統家具手工技藝的傳承和創新是家具研究的重要內容，不僅僅表現在信息采集的數字化和建立模型的數字化，其傳統的生產加工工藝也同樣要求創新，將數字化加工技術用于中國傳統家具的生產過程中，既可讓加工過程變得安全高效，又可讓這門傳統而古老的工藝形式以嶄新的技術方式得到傳承和發揚。

（一）傳統家具的快速成型技術（3D打印）

3D打印是一種快速成型的智能數字化制造技術，它以數字模型文件為基礎，將打印機與電腦連接后，通過電腦控制運用粉末狀金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，逐層打印來構造物體的技術，最終把計算機上的藍圖變成實物。如今該技術被廣泛運用于一些產品的直接生產制造，包括傳統家具的領域中。

國內目前已有相關機構開展了對傳統家具圈椅的3D打印實驗。其基本的制作流程是“比例尺度確定→計算機輔助設計→生成G-code文件→3D打印實物→模型后期處理”。數字建模技術結合3D打印技術后，能夠開發出與實體家具有一定比例關系的精確家具模型，且實體內部的榫卯結構也可以在模型之上得到真實再現，進而再利用這個模型來驗證其相關結體或榫卯在力學上的特征以及科學性，從而避免直接對家具本體進行實驗操作所帶來的損壞或其他危險。利用3D打印還能為傳統家具的修復帶來新的思路和方法。傳統的家具修復需要有專業的技術人員對缺失的配件進行加工制作和調整，而借助3D打印的輸出技術，只要精確地建立數字模型，則無需技術人員的加工即可將需要的部件打印出來，這可以大幅降低對于手工技術操作的依賴，彌補因缺乏專業技術人員帶來的不利局面。

（二）傳統家具的數控加工技術

傳統手工加工方式：手工設計繪圖一手工鋸切木料、開榫一手工雕刻紋樣一手工精細打磨

現代數控加工方式：電腦數字建模一電腦繪制刀具路徑、生成加工代碼—上機加工或雕刻一手工精細打磨。

以上兩種加工方式都可以完成目標家具的制作，但是實現的過程與手段不同。傳統的家具制作是一種手工技藝，也是中國傳統家具的工藝特色，傳統的老手藝從選材、下料、畫線乃至鋸、刨、鑿等都包含著很多技巧在內。心靈手巧的匠師根據家具不同部位結合構件的不同，創造出各式各樣合理而精巧的榫卯，為傳統家具賦予了靈魂;方中有圓，圓中帶方，各式線腳的運用與交接又賦予傳統家具以經絡和氣脈，所有這些不僅需要工匠手力的精準操作，更需要敏銳的眼力和不厭其煩的耐力，他們憑借自身的經驗、技能和豐富的閱歷，將中華傳統木工工藝發揚光大，使其成為了世界家具史上最受尊崇的古老工藝發明之一。掌握這門手藝通常要付出數年的努力，其技藝的嫻熟與否直接與實踐和經驗的不斷積累相關，高昂的培養成本，使熟練掌握這門傳統手工藝的人已經越來越少，乃至今天已經成為了非物質文化遺產。熟練匠人的不可多得和世人對古典家具需求的與日俱增催生了傳統家具的工藝創新——數控加工。所以傳統木工技藝是數控加工技術的最好藍本，通過不斷模仿和學習，木工領域的大多數技術幾乎都可以用數字設備實現代替，不斷把數控技術和傳統木工技術相互融合，使傳統與數字加工成為不可分割的整體已經是大勢所趨。

隨著科技的不斷發展，專門以手工制作榫卯的方式已經越來越少，一方面由于勞動力太貴，另一方面也因為手工制作榫卯對技藝的要求太高，而傳統的實木開榫機也存在缺乏靈活性、加工結構單一、精度不高、木材利用率低等一些問題。相比傳統的開榫機，數控開榫機不再僅僅針對單一榫件的加工，而是可以加工出大多數傳統家具中常用的榫卯結構，還適合對異形榫卯及復雜榫件進行加工，榫卯的形狀、寬度、厚度等都可以形成參數設置和記憶，一些廠家研發的數控雙端開榫機，還能一次性對兩端同時做榫，精準流暢，自動送卸料，這大大減少了資金投入，提高了加工效率和精度。而相比傳統的手工開榫，調整鋸切角度技術性較強，需要不斷試料和測量，一旦更換新的鋸切角度，舊的角度幾乎無法保存，數控技術的運用則可避免因手工操作帶來的一些弊端，以常用的藤編工藝而言，傳統的手工鉆孔，通常都存在不同程度的誤差，而數控技術的精準定位則將這一誤差歸零，如圖4。

除了榫卯的制作，家具雕刻也是一門“中國功夫”，無論是浮雕、透雕還是圓雕，雕琢的韻味與氣質，均可以反應匠師運筆如刀之功力，好的雕刻能為家具錦上添花，然而技法的熟練運用絕非一日之功所能練就，技法純熟的工人同樣面臨著上述時間培養成本高昂的問題，而借助現代化的數控雕刻技術，只要能編制程序，生成刀具軌跡，同時選用合適的刀具，那么家具構件表面的各種復雜曲面雕刻、線型同樣也可以被加工出來，且在面對重復性、對稱性圖案加工時，還可避免因傳統手工重復操作帶來的效率低下和容易出錯的問題。

以數控技術代替手工的加工方式既實現了對傳統家具藝術形式的傳承，又賦予了這門古老手藝以新的技術內涵。如這款最初原型來自古斯塔夫·艾克《中國花梨家具圖考》一書中的“帶底足瓜棱形鼓凳”，就是利用了掃描建模與數控加工技術相結合，通過非手工制作的方式完美再現了經典器物，其表面精度誤差控制在了0.1mm以內，如圖5。

四、傳統家具的數字化鑒定檢測技術

（一）傳統家具的結構力學檢測

3D傳感技術通常可以分為很多種，其基本原理是通過將力學、光學、磁學、熱學等信號通過傳感元件將采集到的信息轉換成電信號，再經過相關技術轉換，成為便于處理、控制、記錄和顯示的有用數據。前文所述的三維激光和攝影測量技術都是基于光學測量的一種傳感器技術，而力學傳感技術則可用于傳統家具結構力學方面的研究。日本的武藏野美術大學通過人與家具的交流所形成的觸覺反饋，研究家具本身的結構設計能否給予人體最舒適的體感，以此來指導設計者對家具進行改良和調整。國內目前在古建筑領域已有關于建筑構架及榫卯結點力學性能方面的測試分析，但在傳統家具的相關領域還鮮有應用，但其作為一種研究手段仍有其現實指導意義。我們可以通過此技術采集傳統家具在某些結構點上的受力參數，以供設計人員參考，做出更加人性化的設計，還可以對各種類型的家具榫卯展開力學性能測試，以確認其是否符合強度要求，進而為榫卯結構的優化設計提供技術參數。

（二）傳統家具用材的樹種檢測

古代家具是非常珍貴和具有歷史意義的收藏品，影響這類藏品的價值除了款式、工藝和年代外，木材樹種也是一個很重要的因素，對古代家具材質的檢測鑒定，還有利于總結一些家具用材的規律性、地域性以及家具背后所反應的相關歷史、地理、環境信息等，在這方面主要以博物館或考古科研單位的檢測為主，如魯荒王木器材質的鑒定，而新古典紅木家具用材更是影響家具價值的重要因素。

手持顯微鏡是當前紅木家具木種無損檢測中最便捷實用的重要數字設備。目前紅木家具市場上的用材五花八門，且同一類別下的木材有時差別很小，用肉眼難以區分，如下表中常見的兩種木材微凹黃檀和交趾黃檀，從圖中可以看出他們在顏色與紋理上比較近似，但是價格相差數倍，普通人難以用肉眼區分，尤其從弦切與徑切面來看，兩者肉眼差別并不大，故存在冒充現象。而通過手持顯微鏡則可以對其進行明確區分。從顯微鏡下的橫切面來看，微凹黃檀管孔較少，交趾黃檀管孔細密且數量較多;微凹黃檀軸向薄壁組織呈現為翼狀和星散聚合狀，交趾黃檀是翼狀與傍管帶狀，如表2。

（三）家具表面漆膜及彩繪顏料的成分檢測

由于髹漆手法和漆膜表面顏料的使用具有時代特征和地域特點，因此對不同時期和地域的漆飾家具進行漆膜及其表面彩繪顏料成分的檢測，其結果能為家具的鑒定、辨偽、斷代、產地、價值評估、髹漆工藝以及時間演變等提供科學數據，為其保護和修復提供重要參考依據。漆膜的檢測包括對漆膜樣品的漆灰填料、色漆層及填加物、顏料層等物質的物相、色相、元素成分、顯微結構等不同物理或者化學的解析，這一檢測過程不能單靠某一檢測手段獨立完成，而需要多種技術進行聯合測試，綜合分析最后才能得出最終的結果。

我們參考湖南省博物館近年來對馬王堆漢墓出土彩繪漆器所進行的色彩鑒定，可知其綜合運用了各種技術手段同時結合考古類型學、文化因素分析法、自然科學檢測法，以及與歷史文獻相結合的跨學科綜合研究方法，在漆工藝史等多個獨特領域邁出了新的一步，這也為我們對古代漆木家具的研究提供了可茲參考的范例。該館通過X射線衍射（XRD）與拉曼光譜（Raman）這兩項技術的聯合檢測，得出了彩繪漆器表面白色顏料的組成成分為大自然中存在的天然礦物，確認了它們來自人工開采和物理研磨而非人工冶煉合成。還通過潘通Pantone RM200-PTOl色彩檢測儀對馬王堆出土的大量漆器進行了色彩匹配，建立了對器物色彩的數據檔案庫。這項技術同樣也可用于監測傳統漆木家具表面的漆色變化，進而推測造成顏色變化的原因是否與其所處環境中的光線、溫度、濕度的變化有關，為后續的保護工作提供參考依據。

掃描電鏡能譜儀（SEM-EDX）是一種將掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線能譜儀（EDX）集成的儀器。它既可以觀察到漆膜的分層結構，測出分層厚度，漆膜中填料的外觀特征，還可以檢測出樣品的元素成分。傅里葉紅外光譜儀（FTIR），則可反映出被檢測化合物所含官能團的種類，通過官能團的比對可以判斷被測樣本中包含何種化合物。漆酚是天然生漆的主要成分，桐油也是家具表面漆層中的常用的物質，二者都屬于化合物，但官能團不同，通過紅外光譜分析我們可以推斷漆中是否添加過桐油，以及漆層之上的彩繪使用的是油彩還是漆彩，從而對家具的髹漆材料和工藝做出相應推斷。以山東博物t宮對明魯王墓出土的朱漆酒桌所進行的檢測為例，經過以上技術的聯合檢測再進行綜合判斷可知此件酒桌采用了一麻多灰的漆工藝，主要步驟：上通灰一披麻—止細灰一打底漆—止面漆;紅色漆膜的面漆和底漆呈色顏料都是硫化汞，是自然界礦物顏料朱砂的主要成分，也是中國古代漆工藝中常用的一種添加顏料;漆膜中存有大量鈣長石成分，應為與朱砂伴生的礦物夾雜所致;面漆由生漆和朱砂調和，未摻入桐油，灰層中添加的纖維屬于麻纖維。

有關數字檢測技術的不同功用與特點，經分析歸納如表3所示：

總結

隨著大數據產業的蓬勃發展，數字技術在傳統家具領域的應用也越來越廣泛。當傳統家具的圖像資料、數字模型信息以及被檢測的樣品信息等形成龐大的數據積累后，大數據的分析優勢將越來越明顯。對于目標用戶尤其是學術研究人員和教育機構而言可以進行實時的動態瀏覽和搜索，從數據庫中調用和采集有關家具的尺寸、結體、紋樣、榫卯結構.裝飾工藝等諸多相關信息，各取所需;還可以借助大數據的分析對傳統家具進行更加系統化的研究，如對某一類家具或者同一類構件、構件組合、工藝特征、裝飾題材和手法等進行檢索和篩選，再用類型學研究方法，通過排比和比對分析等手段揭示傳統家其一些內在的仍不為人所知的規律性特征或工藝特性;有了龐大的數據作支撐，還可以就有關傳統家具的地域性分布問題做更為細致的研究和剖析，進而探討家具背后的某些歷史成因以及可能與之相關的社會學問題;數據庫的建立還可以為古代家具的修復與復原提供樣式依據和數據參考;可為從事古典家具設計和室內設計行業的人員提供設計參考和模型調用、降低工作量、提高工作效率;同時還可以為數字媒體諸如VR、AR等技術的應用提供相應的素材。總之，借助以上相關數字技術在傳統家具的圖形采集、模型構建、圖像學、力學、材料學、人機工程學、設計學、形態學等領域的相關研究和應用，再結合以大數據的整合與量化分析，便可以對傳統家具展開綜合式、交叉式的跨學科研究，這勢必拓展我們的研究視角和研究手段，為傳統家具的研究注入新的活力，帶來新的啟迪與發現。..

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