基于数字化技术的中国古典家具研究

■林 海 吴剑锋 Lin Hai & Wu Jianfeng

(1.苏州科技学院建筑城规学院，江苏苏州 215009；2.苏州工艺美术职业技术学院环境艺术系，江苏苏州 215104)

1 前言

在文化遗产的保护传承中，数字化技术的运用已经成为一种全球化的趋势。基于图片的绘制和重建、基于三维扫描的重构和漫游、图片检索及其修复、版权保护和沉浸式虚拟系统等多种数字化技术为人们提供高精度高逼真的数字化信息，弥补了传统文化遗产保护中信息易老化、易失真等缺陷，在文化遗产的保护中发挥着越来越重要的作用。数字化技术不仅能保护和传承文化遗产，而且赋予文化遗产以崭新的生命。

作为中国物质文化遗产重要组成部分之一的古典家具是世界古典家具体系中的一朵奇葩，它用材考究、做工精湛、造型优美、图案精致，承载着中国古代人民生活方式、意识形态和价值取向等诸多信息。中国对于古典家具的系统研究可以追溯到20世纪30年代，当时的研究全面介绍了中国古典家具尤其是明清家具的时代背景、种类和形式、结构和造型、装饰和用材，成果丰富。到21世纪，中国古典家具的研究逐步深入到开发满足现代生活的新古典家具层面，各种改良的古典造型的家具深受消费者喜爱。但这些新古典家具良莠不齐，设计者对于中国古典家具的了解和理解直接决定了新古典家具的品质高低。有的设计者深入了解古典家具的设计和制作，领悟了古人制作古典家具的独特匠心，精心打造出一批新古典家具的精品之作。有的设计者自身设计素养不高，仅仅参考古典家具专业书籍依葫芦画瓢，制作出来的家具差强人意。

在世界文明高度融合的今天，继承与发展中国古典家具的优秀传统，提高中国家具产业的全球竞争力，是当代中国家具产业的重要课题。将数字化技术引入中国古典家具的研究，是当代中国家具产业面临的新课题。

2 数字化技术在中国古典家具研究中的应用

2.1 研究现状

从现有资料可知，国内对于中国古典家具的研究主要以实物研究和史料研究方法为主，对各个时期的家具进行断代研究，分析总结家具的演变规律和各个时期家具的造型、装饰和技术特征。这些研究对传统文化起到了很好的保护和传承作用。但是在研究过程中存在薄弱环节。这些研究对一些中国古典家具进行了测绘，但多数家具只有外形尺寸，缺少细部构件和内部榫卯的尺寸，家具实例的信息不够全面。数字化技术作为一种新型的研究手段，引入到中国古典家具研究中，在国内仍处于探索阶段。刘文金教授的《中国传统家具艺术史料数据库的研究》以家具发展各历史阶段和家具品系为索引建立数据库，介绍家具的实证案例、造型特点、形制、装饰特征和技术特征等，是国内目前比较全面的传统家具数据库研究。张亚池教授运用计算机数值模拟有限元方法对传统家具结构进行强度测定，在古典家具的结构研究部分介入数字化技术。内蒙古大学农业大学的贺春光、高晓霞进行了蒙古族传统家具三维图案模型数据库的研究，建立了一套能够三维动态浏览并能读取数据的三维图案数据库。这种将三维数字技术引入了蒙古族传统家具的研究，弥补了古典家具在三维数据库查询、读取的空白[1]。高敏、周仁和开展的仿古家具产品数模重构及创新制造研究，利用逆向工程思想对明清等传统中式家具结构、造型进行数模重构，并通过产品造型创新完成仿制和创新设计全过程[2]。

2.2 研究内容

将数字化技术引入中国古典家具的研究，以点概面，结合跨学科的相互关联，对传统的古典家具以新的手段进行转化和开发，将为中国古典家具的研究注入创新的活力。下文系统探讨将数字化技术引入中国古典家具的研究方法和内容。

2.2.1 面向古典家具的信息采集

古典家具的数字化过程包括数据采集、数据处理，数字显示三个过程。数据采集是整个研究工作的基础，通过信息采集，可以获得古典家具的几何尺寸与外观模型的精度等级、纹理和雕刻图案等信息。古典家具造型丰富、结构复杂，尤其是一些家具经历百年之后已有损坏，这给信息采集工作带来很大的困难。基于古典家具的结构和造型特点，实际测量时会用到直接测量法、摄影测量法和三维激光扫描三种测量方法。采用直接测量方法对古典家具进行测量，简单易行，但工作量大。特别是对于图案丰富的古典家具，测绘工作难度更大，而且准确度不高。摄影测量法通过多个相机从不同角度对家具进行拍照，通过三角计算法将二维平面图形转换为三位立体图形。三维激光扫描技术通过三维激光扫描获取古典家具表面的三维坐标数据，数据采集工作简化，信息准确。激光扫描的每一个数据（点）带有X、Y、Z坐标数值或色彩数据(R、G、B)，将这些数据（点）集合起来形成点云(Point Cloud)，点云构成家具表面的全局特征。

在实际测量时，必须综合使用以上三种方法，才能最好最全面地采集到古典家具的信息。利用三维激光扫描仪对数据进行采集，精度高、点云密集、处理速度快，但获取的模型缺少纹理信息。现有的扫描仪可以获取一定程度的纹理影像，但是其质量、精度和对色彩的还原度远没有达到实际的需要。因此，需要研究如何利用相机拍摄的光学影像，实现和点云获取的几何模型之间的配准，建立高精度的纹理影像。

2.2.2 信息的后期开发处理

中国古典家具的数字化是从对原始点云数据的处理，到建立完整的信息模型的过程。具体而言，中国古典家具的点云数据处理过程分为三部分，分别为数据预处理、建模和模型可视化。数据预处理指的是在点云处理软件环境下对三维扫描仪采集到的点云数据进行优化处理，如点云数据的滤波、平滑、缩减、分割、配准、融合等，减低模型重建的复杂性，提高精确度和速度。建模指的是将预处理后的点云数据以参考文件的方式导入BIM软件，如Revit，通过捕捉点构成线、面和实体，完成古典家具的建模。模型可视化则是通过着色、赋予材质、加入灯光，对三维模型进行渲染，使三维模型可视化。古典家具的三维模型包含家具的全部信息，是集成的智能数字系统。在古典家具的研究中创新性地引入建筑信息模型BIM技术，不仅拓宽了研究思路，同时为多种信息集成的研究提供了一种新的研究方法。BIM不是一个单纯的软件，而是一种理念，是一种基于建筑全生命周期，以三维模型为基础，以数据共享为手段，协同设计、管理和制造的智能化流程。BIM技术的运用，将中国古典家具保护与传承工作中的诸多信息和环节“打通”，实现跨部门跨专业的数据沟通、传递和交流，为古典家具设计、制作和管理提供数字化平台，优化工作方式，提高工作效率。

2.2.3 建立系统完整的古典家具三维数据库

三维数据库的建立是一个复杂的过程。开发人员在信息采集和后期处理的基础之上，设定数据库的基本框架和关系结构，依托Revit软件平台的API接口进行开发。这样不仅充分利用了Revit软件强大的三维建模功能，而且又为Revit软件平台的文件管理提供便捷合理的存储方式。

三维数据库与传统二维数据库有相同之处，也有不同之处。传统二维家具数据库一般是利用Delphi可视化开发工具进行数据库开发，数据库的功能以查询浏览数据为主。用户使用数据库时通过输入一些关键词，检索获取家具的二维信息，例如规格、形式、结构、尺寸、图案等信息。而三维数据库不仅可以获得上述的二维信息，还可以获得古典家具的实证案例、造型特点、形制、装饰特征、技术特征、榫卯结构等诸多数字化的信息，实现三维动态浏览。用户根据需要还可将数据导出，进行逆向设计。建立古典家具的三维数据库不仅有利于家具企业对设计文件进行查阅和管理，而且方便设计人员共享和调用设计文件。

2.2.4 基于三维模型的数字化产品研发

古典家具三维数据库提供了大量的古典家具三维信息，设计人员在进行古典家具的新产品研发时可以充分利用三维数据库，引入一种新型的基于三维模型的产品开发模式，以适应在家具行业越来越广泛运用的数字化设计和制造。目前家具行业产品开发中普遍使用的是基于三维模型的二维图纸设计。设计师进行家具开发时，根据用户需求，基于三维模型推敲设计方案。确定方案后将三维模型转化为二维图纸的图样，传送至制造部门深化图样，进行工艺流程设计，组织生产，完成家具的加工。这种产品研发模式存在一些问题，例如二维图纸的深化需要花费大量的时间，设计人员进行数据重复输入时容易增加出错率，设计数据和制造数据的关联程度不高。因此，有一些家具企业开始尝试基于三维模型的数字化产品研发。数字化产品研发是一种逆向设计方法，设计者通过设计需求分析，借助PRO/E、犀牛等三维造型软件，导入三维数据库中的家具信息，通过添加新的处理信息，开发出满足时代需求的家具[3-4]。在产品研发过程中，设计者还可以借用三维打印成型机进行成形处理，推敲优化设计方案。数字化产品研发适合图案造型丰富的古典家具,优势比较明显。

2.2.5 数字化制造的研究

家具的数字化制造是提升传统家具产业的重要手段。板式家具数字化制造与数字化软件密切相关，不同的数字化制造软件，其操作方式有所差别，但核心均包括三部分软件：销售端软件（W O O D N E T）、设计拆单软件（W OO D C A D／C AM）和开料优化软件（C U T R I T E），是在整个数字化制造过程中相互关联的三个独立软件[4]。在古典家具的开发制造中，可以用UG软件，将设计后的三维模型导入UG软件的加工模块中，生成刀具轨迹，判断加工的合理性，并作适当的修正。等确定各加工过程准确无误后就可以进行程序的输出。NC加工程序生成后，再将生成的数控加工代码送至加工中心加工完成加工[5]。古典家具由于图案丰富的特性，还可以与数控雕刻机相结合完成数字化制造。家具设计师将三维数据库中高保真的复杂3D模型，通过编程软件传输至数控雕刻机，直接进行批量加工，完成采样、设计、加工全过程数字化，缩短生产周期，提高生产效率[6]。

2.2.6 虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术作为数字化技术的一种,近年来广泛地运用在许多领域。虚拟现实技术借助计算机模拟创造一种虚拟的环境，让用户沉浸其中，产生身临其境的感觉，并且通过具体的操作与多维化信息的环境发生交互作用，获取知识，提高认识，萌发构思。

利用虚拟现实技术进行中国古典家具的研究，可以从三部分着手。首先，将虚拟现实技术用于古典家具产品实例和虚拟空间的展示。古典家具实例的展示，可以实现快捷地查询和浏览，让人们系统了解中国古典家具。虚拟空间的展示，可以实现古典家具的逼真重现，让人们在虚拟园林、虚拟民居中欣赏中国古典家具。逼真的三维直观展示不仅加深了客户对中国古典家具的了解，而且容易被精美的古典家具吸引，快速下单，提升家具企业的销售手段和能力。其次，虚拟现实技术可以用于家具的新产品开发。将虚拟现实技术用于新产品开发称之为虚拟设计，虚拟设计作为一种新型的设计方式，将新产品的概念设计、方案生成到加工制造的环节通过计算机虚拟呈现，实现设计和制造的可视化。设计者在虚拟现实环境中通过三维数字模型，可以在新产品开发的各个阶段，对新产品的尺寸、结构、材料、加工工艺、装配和生产组织进行推敲优化，保证设计的可靠和高效。例如美国波音公司的波音777飞机通过虚拟现实技术对产品进行全数字化三维描述，实现产品设计的无纸工程。最后，运用虚拟现实技术可以进行家具企业员工的培训。员工在虚拟的真实环境中清晰地了解家具的设计、结构、工艺流程、制造、安装，以及家具摆放在实际室内环境的效果，学习兴趣高涨，培训效果明显。

3 展望

中国古典家具的数字化技术应用研究立足于解决中国古典家具研究与当前古典家具设计脱节的状况，提出的古典家具的数字化研究方法，从“中国家具数据采集”入手，采用“建筑信息模型BIM”技术，对前期采集信息进行处理，建立相关数据库，最终深入到新古典家具的设计层面，指导新古典家具研究开发的实践，力争探索出一条中国传统家具的传承、应用及推广的新路子，为古典家具的研发带来新的契机。

[1]贺春光,高晓霞.创建蒙古族传统家具三维图案模型数据库的研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版).2011,(1):245-249.

[2]高敏,周仁和.仿古家具产品数模重构及创新设计制造研究[J].制造业自动化.2011,(10):150-152.

[3]郁舒兰,吴智慧.家具产品协同定制数字化关键技术研究[J].制造业自动化.2010,(11):62-65.

[4]蒋星.数码媒体在艺术设计中的应用[J].中南林业科技大学学报.2011,(12).

[5]曹平祥,王福辕.板式家具数字化制造技术浅谈[J].木材工业.2013,(1):35-38.

[6]郁舒兰,王兆伍.逆向工程中明清家具曲面造型的可视化设计[J].林业机械与木工设备.2002,(12):13-15.

[7]陈宇拓,邓背介,韩旭里.木工数字化智能雕刻系统关键技术的研究[J].CAD/CAM与制造业信息化.2007,(2):128-131.