基于工业设计视角的传统工具数字化保护研究

王健慧 朱宏轩

关键词：数字化 工业设计 传统工具 CAID

引言

民间传统工具既是生产力发展水平的标志，也是一定历史时期社会文化的载体。中国传统工具属于民间造物活动，是与普通大众生活密切相关的生产器具，其中所隐含的中国智慧是我们所需要汲取的。也许传统的工具可能不能适应现代生产工艺的需求，但在传统工具中隐含的造物观念有些到现在都是非常先进的。我们要正视传统生产工具的生存危机，重视与开发传统生产工具的历史与文化价值，并利用现代科技手段加以保护、研究和利用，这将成为—项值得关注的新课题。

近些年来，大批学者积极开展采风工作，尝试利用先进数字化技术手段开展传统造物文化资源调查和保护工作，取得了许多瞩目的成果。将现代科技成果和手段应用于传统工具的研究，为传统意义的造物文化研究提供了更多的可能和视角。现代工业设计的理论和研究方法与传统造物设计之间存在着一定的相通之处，利用工业设计相关理论方法应用到传统工具设计的研究工作中，将会为传统工具的保护和传承提供全新的研究视角。利用工业设计领域数字化设计及加工设备对民间造物文化资源进行数据采集、形态分析、结构展示、虚拟现实场景再现等信息传播的科学操作，并建立民间造物文化三维图像、数字模型、视听信息等数字资料的数据库，实现民间造物资源的有效保护，将有助于传统工具的信息保存、形态修复和更深入开展研究工作。

一、工业设计视角的意义

数字化工业设计技术与传统工具研究相结合的设计思考，是现代工业设计服务于传统文化保护的课题研究。它立足于传统生产方式，从工业设计的视角发现问题，解决问题，最终形成系统化的系列成套工具设计研究成果，在保护传统工具设计文化的同时提炼对现代设计有益的思想和方法。这为传承民族文化、挖掘中国民俗资源拓展了空间，也为发展具有中国特色的本土化设计提供了新的思路，对促进中国工业设计的发展具有深远的启示意义。

（一）操作的可行性

工具属于工业设计的研究范畴，传统工具具备现代工业设计的许多属性，这为数字化工业设计技术的应用提供了操作可行性。数字化保护方式可以让传统工具的设计文化得到更广泛的传播，通过数字化平台实现资源的共享和利用，让更多的人能够了解传统工具保护与传承的现状，也可以使研究人员更好地参与到具体的工作中。计算机辅助工业设计数字化手段已经发展到比较成熟的阶段，利用工业设计图形学、图像编辑和虚拟现实等技术对工具设计文化遗产加以数字化采集、修复、交互和场景模拟，有利于诱发文化遗产的时空延展性。

（二）保护的有效性

第一，数字化方式可以使传统工具得以有效保护和展现。可以利用数字技术再现和复原久已失传的工具，利用工业设计测绘、建模以及逆向工程技术可以很好地记录工具，保存精确的原始工具信息，可以为传统技艺系统化研究提供帮助;即使有些工具已经失传或者不再使用，也可以作为研究传统工具设计文化和传统技艺历史起到有益的补充作用。第二，数字化方式有助于传统工具全方位的传播和交流。数字多媒体的交互性、内容丰富性、即时更新性和全球性的特征为建立全方位的虚拟三维展示平台提供了可能，可以更直观、更有效、全方位地展示传统工具设计的研究成果。另外，数字化方式可以大大降低因实物修复所造成的资金和资源消耗。

（三）设计价值的延展性

传统工具数字化可以更好地提炼对现代设计有益的设计价值。利用先进的数字化手段，可以科学分析传统工具的设计特点，可以使传统造物资源转化为现代设计资源。

中国传统工具中所包含的设计智慧，工具传承中的设计启示，无疑是对现代中国设计以及世界现代设计最具有建设性意义的因素。传承是一种历史的延续，而传承中最首要，也是最重要的任务就是把传统造物智慧中优秀的、精华的，特别是对现代设计有所帮助的元素进行提取、提炼，使之在继承中得以发展。通过数字化的手段可以充分展示传统工具的设计特点，以一种大众都能接受的形式呈现出来。利用现代数字化分析手段，从传统造物设计中发掘规律，找寻传统工具中可以被现代设计所借鉴的设计智慧。民族传统造物文化是人们在历史中创造的，代表民族的文化信仰、思维方式、精神状态和价值观念等精神因素，这些成果仅仅依靠口传身教是无法一直传承的，借助现代数字化工业设计手段可以有效补充传统文化的继承和发展问题。

二、传统工具设计数字化研究

利用三维扫描技术、图形图像处理技术、建模技术、虚拟现实技术以及动画技术等最新的数字化技术及设备，对传统工具的形制、配饰、造型、图纹、色彩等进行采录、采样和数字化制作，构建一个应用于现代设计的传统工具设计资源库，包括工具档案、高精度二维平面图像、立体三维图像信息等全方位工具设计信息的数据库;对传统工具的制作过程和使用过程進行数字化处理，建立三维动作库，为濒临消失的传统工具技艺的数字化记录、传播与传承提供有效的解决方案。

（一）利用三维扫描和3D打印技术的造型研究方法

利用先进的三维扫描数据采集技术、机械制造软件建模技术、高清全景摄影技术等手段，实现传统工具中的测绘手稿、形态构造与图案等信息的精确采集与保存。通过非接触方式获取工具表面形态和色彩的点云三维数字化模型，为传统工具的信息资源共享、修复、传统技艺研究、公共展示和开发利用等提供详实的数字化素材。

传统工具数字化保护的核心是工具的数据采集。将工具的前期获取的资料，如测绘手稿和图片，首先采用高质量摄影或二位扫描仪进行数据处理，生成二维数据信息，然后应用图像处理软件对这些信息进行基本的处理和分析;针对较复杂的传统工具，需要对其进行三维立体化数据采集，可以采用台式三维彩色扫描仪、手持式三维扫描仪和全景拍摄获取数据的形式。图1为三维扫描数据采集操作过程。

通过三维数据采集生成被测工具的点云模型，并通过软件编辑形成精确的立体三维模型。这种方式的特点是精确、快速，可以完整地采集工具的数据信息。不仅能记录工具实物的三维数据，为后期的工具复原和数据保存提供准确的模型支持，并且为三维重建技术在传统工具保护领域的深入开展提供了全新的视角。图2以传统食盒为例，对其进行三维扫描和点云处理，实现了传统工具数据采集的精确化和标准化。

在基于三维激光扫描技术开展对实物进行精细测绘的基础上，利用逆向三维造型设计软件可以重新构造工具模型，也可对工具模型做进一步的数据统计、分析、编辑、管理等。通过数控加工和3D打印技术制作出传统工具经典造型或局部形态实体，使更多的受众能观看和体验到传统工具的真实面貌。将获取的数据模型通过3D打印机可.决速输出工具模型或局部形态。图3为利用3D打印技术获得的模型实物流程图。

融入现代3D打印技术去实现传统工艺，并在此基础上发展创新，是一个值得探究的课题，也是一个存在争议的课题。传统手工技艺的精髓之一在于它的手工性，我们可以利用现代3D打印技术复制出传统工具经典的结构和局部形态并加以研究和留存，而不是简单复制。传统工具经过手艺人长期实践摸索和打磨，表现出朴素的形式美感和使用的舒适性，这些美感和舒适性的数据采集和分析是我们现代设计研究的重点，诸如一个工具手柄的自然弧度和恰当尺寸、一个自然打磨形成的R角等这些都是可以通过3D打印技术加以模仿和复制的，以便为现代设计提供借鉴和研究之用。

（二）结构设计分析的CAID系统

借鉴工业设计及机械制造领域的CAID系统，可以实现对传统器具的数字化建模、结构设计演示、构造的数字化分析与评价等内容。将经典传统工具的内部构造通过精确建模、模块化分析等手段予以视觉化展示，直观地反映出经典工具的技术指标、工艺性、可维护性等方面的信息。

利用机械制造及设计软件进行传统工具的内部构造分析，如Pro/Engineer、EDS unigraPhics、Solidworks等。结合动画设计可以完成多媒体数字化展示的需要，也方便研究人员分析工具各部分的结构及配合情况。另外，通过系统模块可以完成对传统工具的延伸性设计，为传统工具的再生、再利用提供了可能。图4为利用结构设计软件UG，对传统钱桶进行的结构及构造分析。

（三）功能展示的虚拟现实技术

虚拟现实（VR）主要是使用虚拟现实技术，创建、还原虚拟的物体、场景、空间环境、工艺流程及生产生活方式。可以有效再现不同器形及物体所营造的空间感受及文化氛围，使传统工具不单单只是一件普通器物，而是一件拥有独特意蕴的、完整的艺术品，给人以更直观、更完整的视觉感受。通过虚拟现实再现技术的发展与体验，人们可以利用各种交互平台进行传统工具保护方案的评估、评价，其展示效果和宣传效果与以往的平面式效果相比更占据优势。图5中，将传统器物中残缺的部分进行三维模型还原。同时也可以针对工具中某些经典的结构、形态进行局部数据化建模，以便永久保存，并利用这些模型可以参与虚拟现实场景的还原。

传统工具的数字化虚拟现实技术的应用主要包括两个方面：第一，将传统工具和使用的环境进行建模，再经过渲染和动画设置，利用现代交互设计技术展示传统工具使用过程和传统技艺工作过程;第二，建立传统工具数字资源博物馆。运用数字化技术将传统工具的信息整合，综合运用现代互联网技术和各种多媒体交互平台，建立起传统工具及传统技艺数字博物馆，这将成为保护传统造物文化的全新应用平台。利用虚拟现实技术，一些神秘的传统工艺及传统工具制造流程得以立体动态展示。随着虚拟人的运动控制、虚拟人群仿真和虚拟感知、情感计算和交互技术的不断完善，数字化博物馆可以让我们产生身临其境之感，让人们能亲自体验传统工具的设计及制造过程，体验古人造物的快乐。

三、数字化感性工学技术

将数字化感性工学技术应用于传统工具数字化保护是值得期待的新的研究视角。感性工学是感性与工学相结合的技术，主要通过分析人的感性来设计产品，依据人的喜好来制造产品，它属于工学的一个新分支。传统工具是民间手工艺人在长期的生产实践中逐渐完善，并最终形成现在的样式，这些传统设计是经得住时间的检验的，这里面蕴含的优秀的传统工艺思想是值得我们学习借鉴的。与现代工业生产不同，手工制作的过程没有精密仪器和先进计算手段的支撑，更多的是凭借手工艺人的生产经验和手的感觉来完成设计，存在许多无法量化和文字描述的因素。这其中隐藏的奥秘正是数字化感性工学的研究内容之一。

数字化感性工学主要包含三大内容：即基于模糊逻辑的技术、人工神经网络技术和进化计算技术。

（一）模糊逻辑

模糊逻辑源于对人类思维方式的模拟，可以运用模糊逻辑对一些无法表述的模糊知识进行分析。

传统工具制作主要停留在人工手动状态，工艺控制的实际效果主要依靠有经验的操作人员。而人的操作行为以及获得的经验不是固定的形式，它是一种自然语言，具有不确定性和“模糊性”的特点，“模糊”一词可能会引起误解和猜疑，实际上，模糊逻辑技术本身并不模糊，它并不是虚无缥缈的、无法捕捉的，它可以通过人为的对现存文献及实物把应用对象进行剖析、梳理，归类相应输入值，用它来总结分析现实问题。但是模糊逻辑技术与实践的结合有待于进一步探索，用来记录和保护传统工具，也是值得开发的一方面，也可以弥补特殊事物在取样分析方面的空白。

（二）人工神经网络

人工神经网络作为一种基于连接主义的智能技术完全区别于传统的人工智能方法，具有自学习和联想记忆等功能，经过人工神经网络的自学习等功能可以实现知识的自动获取和处理，提高设计师的逻辑推理思维能力。一個人工神经网络的建立，可按进化思想来创造“聪明”而又“精致”的人工神经网络，这也将是今后的一个重要发展方向。它不按常规公式进行运算，而是需要从积累的大量数据中进行归纳梳理，获得内在规律。

（三）进化计算

进化计算是一种模拟生物遗传、进化的随机寻优技术。它可以复制和延续人类自身的知识、智能以及推理学习等能力，可以有机地综合提取人和计算机两者各自的优势，从而构建人机智慧交融的智能信息处理系统，帮助现代设计的发展。这项技术可用来分析传统工具制作过程中的影响因素，但是作为新兴技术，需要得到更多的关注与研究。

以上，借助数字化感性工学的相关技术来处理造物活动中不确定的因素，分析某些记忆和感性问题，以及如何最优化地搜索和求解问题。我们可以通过采集到的大量传统工具的信息，结合文献资料以及传统技艺流程的复原，挖掘其中所蕴含的感性设计的内容，以便更接近手工艺人的造物思想，从而提炼对现代设计有价值的元素。

结语

传统工具保护方法一般主要是侧重对传承人的采访记录分析、对实物的测绘拍照、对器物收藏及仿制再现等基础层面上，保护方式略欠缺，保护效果还不能尽善尽美，急需一种更为全面、系统、有效的方法开展对传统工具的保护与研究。传统工具的数字化保护是时代发展的必然，数字化保护可以更有效地保存历史资料信息，再现其文化空间，搭建虚拟场景，使人在身临其境的效果中体验传统技艺的意境及文化魅力。应用现代工业设计数字化技术进行民间传统工具设计的研究，将会使我国优秀传统技艺和造物思想得以有效传承。