基于工業(yè)設計視角的傳統(tǒng)工具數(shù)字化保護研究

王健慧 朱宏軒

關鍵詞：數(shù)字化 工業(yè)設計 傳統(tǒng)工具 CAID

引言

民間傳統(tǒng)工具既是生產力發(fā)展水平的標志，也是一定歷史時期社會文化的載體。中國傳統(tǒng)工具屬于民間造物活動，是與普通大眾生活密切相關的生產器具，其中所隱含的中國智慧是我們所需要汲取的。也許傳統(tǒng)的工具可能不能適應現(xiàn)代生產工藝的需求，但在傳統(tǒng)工具中隱含的造物觀念有些到現(xiàn)在都是非常先進的。我們要正視傳統(tǒng)生產工具的生存危機，重視與開發(fā)傳統(tǒng)生產工具的歷史與文化價值，并利用現(xiàn)代科技手段加以保護、研究和利用，這將成為—項值得關注的新課題。

近些年來，大批學者積極開展采風工作，嘗試利用先進數(shù)字化技術手段開展傳統(tǒng)造物文化資源調查和保護工作，取得了許多矚目的成果。將現(xiàn)代科技成果和手段應用于傳統(tǒng)工具的研究，為傳統(tǒng)意義的造物文化研究提供了更多的可能和視角?，F(xiàn)代工業(yè)設計的理論和研究方法與傳統(tǒng)造物設計之間存在著一定的相通之處，利用工業(yè)設計相關理論方法應用到傳統(tǒng)工具設計的研究工作中，將會為傳統(tǒng)工具的保護和傳承提供全新的研究視角。利用工業(yè)設計領域數(shù)字化設計及加工設備對民間造物文化資源進行數(shù)據(jù)采集、形態(tài)分析、結構展示、虛擬現(xiàn)實場景再現(xiàn)等信息傳播的科學操作，并建立民間造物文化三維圖像、數(shù)字模型、視聽信息等數(shù)字資料的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)民間造物資源的有效保護，將有助于傳統(tǒng)工具的信息保存、形態(tài)修復和更深入開展研究工作。

一、工業(yè)設計視角的意義

數(shù)字化工業(yè)設計技術與傳統(tǒng)工具研究相結合的設計思考，是現(xiàn)代工業(yè)設計服務于傳統(tǒng)文化保護的課題研究。它立足于傳統(tǒng)生產方式，從工業(yè)設計的視角發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，最終形成系統(tǒng)化的系列成套工具設計研究成果，在保護傳統(tǒng)工具設計文化的同時提煉對現(xiàn)代設計有益的思想和方法。這為傳承民族文化、挖掘中國民俗資源拓展了空間，也為發(fā)展具有中國特色的本土化設計提供了新的思路，對促進中國工業(yè)設計的發(fā)展具有深遠的啟示意義。

（一）操作的可行性

工具屬于工業(yè)設計的研究范疇，傳統(tǒng)工具具備現(xiàn)代工業(yè)設計的許多屬性，這為數(shù)字化工業(yè)設計技術的應用提供了操作可行性。數(shù)字化保護方式可以讓傳統(tǒng)工具的設計文化得到更廣泛的傳播，通過數(shù)字化平臺實現(xiàn)資源的共享和利用，讓更多的人能夠了解傳統(tǒng)工具保護與傳承的現(xiàn)狀，也可以使研究人員更好地參與到具體的工作中。計算機輔助工業(yè)設計數(shù)字化手段已經(jīng)發(fā)展到比較成熟的階段，利用工業(yè)設計圖形學、圖像編輯和虛擬現(xiàn)實等技術對工具設計文化遺產加以數(shù)字化采集、修復、交互和場景模擬，有利于誘發(fā)文化遺產的時空延展性。

（二）保護的有效性

第一，數(shù)字化方式可以使傳統(tǒng)工具得以有效保護和展現(xiàn)?？梢岳脭?shù)字技術再現(xiàn)和復原久已失傳的工具，利用工業(yè)設計測繪、建模以及逆向工程技術可以很好地記錄工具，保存精確的原始工具信息，可以為傳統(tǒng)技藝系統(tǒng)化研究提供幫助;即使有些工具已經(jīng)失傳或者不再使用，也可以作為研究傳統(tǒng)工具設計文化和傳統(tǒng)技藝歷史起到有益的補充作用。第二，數(shù)字化方式有助于傳統(tǒng)工具全方位的傳播和交流。數(shù)字多媒體的交互性、內容豐富性、即時更新性和全球性的特征為建立全方位的虛擬三維展示平臺提供了可能，可以更直觀、更有效、全方位地展示傳統(tǒng)工具設計的研究成果。另外，數(shù)字化方式可以大大降低因實物修復所造成的資金和資源消耗。

（三）設計價值的延展性

傳統(tǒng)工具數(shù)字化可以更好地提煉對現(xiàn)代設計有益的設計價值。利用先進的數(shù)字化手段，可以科學分析傳統(tǒng)工具的設計特點，可以使傳統(tǒng)造物資源轉化為現(xiàn)代設計資源。

中國傳統(tǒng)工具中所包含的設計智慧，工具傳承中的設計啟示，無疑是對現(xiàn)代中國設計以及世界現(xiàn)代設計最具有建設性意義的因素。傳承是一種歷史的延續(xù)，而傳承中最首要，也是最重要的任務就是把傳統(tǒng)造物智慧中優(yōu)秀的、精華的，特別是對現(xiàn)代設計有所幫助的元素進行提取、提煉，使之在繼承中得以發(fā)展。通過數(shù)字化的手段可以充分展示傳統(tǒng)工具的設計特點，以一種大眾都能接受的形式呈現(xiàn)出來。利用現(xiàn)代數(shù)字化分析手段，從傳統(tǒng)造物設計中發(fā)掘規(guī)律，找尋傳統(tǒng)工具中可以被現(xiàn)代設計所借鑒的設計智慧。民族傳統(tǒng)造物文化是人們在歷史中創(chuàng)造的，代表民族的文化信仰、思維方式、精神狀態(tài)和價值觀念等精神因素，這些成果僅僅依靠口傳身教是無法一直傳承的，借助現(xiàn)代數(shù)字化工業(yè)設計手段可以有效補充傳統(tǒng)文化的繼承和發(fā)展問題。

二、傳統(tǒng)工具設計數(shù)字化研究

利用三維掃描技術、圖形圖像處理技術、建模技術、虛擬現(xiàn)實技術以及動畫技術等最新的數(shù)字化技術及設備，對傳統(tǒng)工具的形制、配飾、造型、圖紋、色彩等進行采錄、采樣和數(shù)字化制作，構建一個應用于現(xiàn)代設計的傳統(tǒng)工具設計資源庫，包括工具檔案、高精度二維平面圖像、立體三維圖像信息等全方位工具設計信息的數(shù)據(jù)庫;對傳統(tǒng)工具的制作過程和使用過程進行數(shù)字化處理，建立三維動作庫，為瀕臨消失的傳統(tǒng)工具技藝的數(shù)字化記錄、傳播與傳承提供有效的解決方案。

（一）利用三維掃描和3D打印技術的造型研究方法

利用先進的三維掃描數(shù)據(jù)采集技術、機械制造軟件建模技術、高清全景攝影技術等手段，實現(xiàn)傳統(tǒng)工具中的測繪手稿、形態(tài)構造與圖案等信息的精確采集與保存。通過非接觸方式獲取工具表面形態(tài)和色彩的點云三維數(shù)字化模型，為傳統(tǒng)工具的信息資源共享、修復、傳統(tǒng)技藝研究、公共展示和開發(fā)利用等提供詳實的數(shù)字化素材。

傳統(tǒng)工具數(shù)字化保護的核心是工具的數(shù)據(jù)采集。將工具的前期獲取的資料，如測繪手稿和圖片，首先采用高質量攝影或二位掃描儀進行數(shù)據(jù)處理，生成二維數(shù)據(jù)信息，然后應用圖像處理軟件對這些信息進行基本的處理和分析;針對較復雜的傳統(tǒng)工具，需要對其進行三維立體化數(shù)據(jù)采集，可以采用臺式三維彩色掃描儀、手持式三維掃描儀和全景拍攝獲取數(shù)據(jù)的形式。圖1為三維掃描數(shù)據(jù)采集操作過程。

通過三維數(shù)據(jù)采集生成被測工具的點云模型，并通過軟件編輯形成精確的立體三維模型。這種方式的特點是精確、快速，可以完整地采集工具的數(shù)據(jù)信息。不僅能記錄工具實物的三維數(shù)據(jù)，為后期的工具復原和數(shù)據(jù)保存提供準確的模型支持，并且為三維重建技術在傳統(tǒng)工具保護領域的深入開展提供了全新的視角。圖2以傳統(tǒng)食盒為例，對其進行三維掃描和點云處理，實現(xiàn)了傳統(tǒng)工具數(shù)據(jù)采集的精確化和標準化。

在基于三維激光掃描技術開展對實物進行精細測繪的基礎上，利用逆向三維造型設計軟件可以重新構造工具模型，也可對工具模型做進一步的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、編輯、管理等。通過數(shù)控加工和3D打印技術制作出傳統(tǒng)工具經(jīng)典造型或局部形態(tài)實體，使更多的受眾能觀看和體驗到傳統(tǒng)工具的真實面貌。將獲取的數(shù)據(jù)模型通過3D打印機可.決速輸出工具模型或局部形態(tài)。圖3為利用3D打印技術獲得的模型實物流程圖。

融入現(xiàn)代3D打印技術去實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝，并在此基礎上發(fā)展創(chuàng)新，是一個值得探究的課題，也是一個存在爭議的課題。傳統(tǒng)手工技藝的精髓之一在于它的手工性，我們可以利用現(xiàn)代3D打印技術復制出傳統(tǒng)工具經(jīng)典的結構和局部形態(tài)并加以研究和留存，而不是簡單復制。傳統(tǒng)工具經(jīng)過手藝人長期實踐摸索和打磨，表現(xiàn)出樸素的形式美感和使用的舒適性，這些美感和舒適性的數(shù)據(jù)采集和分析是我們現(xiàn)代設計研究的重點，諸如一個工具手柄的自然弧度和恰當尺寸、一個自然打磨形成的R角等這些都是可以通過3D打印技術加以模仿和復制的，以便為現(xiàn)代設計提供借鑒和研究之用。

（二）結構設計分析的CAID系統(tǒng)

借鑒工業(yè)設計及機械制造領域的CAID系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)器具的數(shù)字化建模、結構設計演示、構造的數(shù)字化分析與評價等內容。將經(jīng)典傳統(tǒng)工具的內部構造通過精確建模、模塊化分析等手段予以視覺化展示，直觀地反映出經(jīng)典工具的技術指標、工藝性、可維護性等方面的信息。

利用機械制造及設計軟件進行傳統(tǒng)工具的內部構造分析，如Pro/Engineer、EDS unigraPhics、Solidworks等。結合動畫設計可以完成多媒體數(shù)字化展示的需要，也方便研究人員分析工具各部分的結構及配合情況。另外，通過系統(tǒng)模塊可以完成對傳統(tǒng)工具的延伸性設計，為傳統(tǒng)工具的再生、再利用提供了可能。圖4為利用結構設計軟件UG，對傳統(tǒng)錢桶進行的結構及構造分析。

（三）功能展示的虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（VR）主要是使用虛擬現(xiàn)實技術，創(chuàng)建、還原虛擬的物體、場景、空間環(huán)境、工藝流程及生產生活方式。可以有效再現(xiàn)不同器形及物體所營造的空間感受及文化氛圍，使傳統(tǒng)工具不單單只是一件普通器物，而是一件擁有獨特意蘊的、完整的藝術品，給人以更直觀、更完整的視覺感受。通過虛擬現(xiàn)實再現(xiàn)技術的發(fā)展與體驗，人們可以利用各種交互平臺進行傳統(tǒng)工具保護方案的評估、評價，其展示效果和宣傳效果與以往的平面式效果相比更占據(jù)優(yōu)勢。圖5中，將傳統(tǒng)器物中殘缺的部分進行三維模型還原。同時也可以針對工具中某些經(jīng)典的結構、形態(tài)進行局部數(shù)據(jù)化建模，以便永久保存，并利用這些模型可以參與虛擬現(xiàn)實場景的還原。

傳統(tǒng)工具的數(shù)字化虛擬現(xiàn)實技術的應用主要包括兩個方面：第一，將傳統(tǒng)工具和使用的環(huán)境進行建模，再經(jīng)過渲染和動畫設置，利用現(xiàn)代交互設計技術展示傳統(tǒng)工具使用過程和傳統(tǒng)技藝工作過程;第二，建立傳統(tǒng)工具數(shù)字資源博物館。運用數(shù)字化技術將傳統(tǒng)工具的信息整合，綜合運用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術和各種多媒體交互平臺，建立起傳統(tǒng)工具及傳統(tǒng)技藝數(shù)字博物館，這將成為保護傳統(tǒng)造物文化的全新應用平臺。利用虛擬現(xiàn)實技術，一些神秘的傳統(tǒng)工藝及傳統(tǒng)工具制造流程得以立體動態(tài)展示。隨著虛擬人的運動控制、虛擬人群仿真和虛擬感知、情感計算和交互技術的不斷完善，數(shù)字化博物館可以讓我們產生身臨其境之感，讓人們能親自體驗傳統(tǒng)工具的設計及制造過程，體驗古人造物的快樂。

三、數(shù)字化感性工學技術

將數(shù)字化感性工學技術應用于傳統(tǒng)工具數(shù)字化保護是值得期待的新的研究視角。感性工學是感性與工學相結合的技術，主要通過分析人的感性來設計產品，依據(jù)人的喜好來制造產品，它屬于工學的一個新分支。傳統(tǒng)工具是民間手工藝人在長期的生產實踐中逐漸完善，并最終形成現(xiàn)在的樣式，這些傳統(tǒng)設計是經(jīng)得住時間的檢驗的，這里面蘊含的優(yōu)秀的傳統(tǒng)工藝思想是值得我們學習借鑒的。與現(xiàn)代工業(yè)生產不同，手工制作的過程沒有精密儀器和先進計算手段的支撐，更多的是憑借手工藝人的生產經(jīng)驗和手的感覺來完成設計，存在許多無法量化和文字描述的因素。這其中隱藏的奧秘正是數(shù)字化感性工學的研究內容之一。

數(shù)字化感性工學主要包含三大內容：即基于模糊邏輯的技術、人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術和進化計算技術。

（一）模糊邏輯

模糊邏輯源于對人類思維方式的模擬，可以運用模糊邏輯對一些無法表述的模糊知識進行分析。

傳統(tǒng)工具制作主要停留在人工手動狀態(tài)，工藝控制的實際效果主要依靠有經(jīng)驗的操作人員。而人的操作行為以及獲得的經(jīng)驗不是固定的形式，它是一種自然語言，具有不確定性和“模糊性”的特點，“模糊”一詞可能會引起誤解和猜疑，實際上，模糊邏輯技術本身并不模糊，它并不是虛無縹緲的、無法捕捉的，它可以通過人為的對現(xiàn)存文獻及實物把應用對象進行剖析、梳理，歸類相應輸入值，用它來總結分析現(xiàn)實問題。但是模糊邏輯技術與實踐的結合有待于進一步探索，用來記錄和保護傳統(tǒng)工具，也是值得開發(fā)的一方面，也可以彌補特殊事物在取樣分析方面的空白。

（二）人工神經(jīng)網(wǎng)絡

人工神經(jīng)網(wǎng)絡作為一種基于連接主義的智能技術完全區(qū)別于傳統(tǒng)的人工智能方法，具有自學習和聯(lián)想記憶等功能，經(jīng)過人工神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習等功能可以實現(xiàn)知識的自動獲取和處理，提高設計師的邏輯推理思維能力。一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡的建立，可按進化思想來創(chuàng)造“聰明”而又“精致”的人工神經(jīng)網(wǎng)絡，這也將是今后的一個重要發(fā)展方向。它不按常規(guī)公式進行運算，而是需要從積累的大量數(shù)據(jù)中進行歸納梳理，獲得內在規(guī)律。

（三）進化計算

進化計算是一種模擬生物遺傳、進化的隨機尋優(yōu)技術。它可以復制和延續(xù)人類自身的知識、智能以及推理學習等能力，可以有機地綜合提取人和計算機兩者各自的優(yōu)勢，從而構建人機智慧交融的智能信息處理系統(tǒng)，幫助現(xiàn)代設計的發(fā)展。這項技術可用來分析傳統(tǒng)工具制作過程中的影響因素，但是作為新興技術，需要得到更多的關注與研究。

以上，借助數(shù)字化感性工學的相關技術來處理造物活動中不確定的因素，分析某些記憶和感性問題，以及如何最優(yōu)化地搜索和求解問題。我們可以通過采集到的大量傳統(tǒng)工具的信息，結合文獻資料以及傳統(tǒng)技藝流程的復原，挖掘其中所蘊含的感性設計的內容，以便更接近手工藝人的造物思想，從而提煉對現(xiàn)代設計有價值的元素。

結語

傳統(tǒng)工具保護方法一般主要是側重對傳承人的采訪記錄分析、對實物的測繪拍照、對器物收藏及仿制再現(xiàn)等基礎層面上，保護方式略欠缺，保護效果還不能盡善盡美，急需一種更為全面、系統(tǒng)、有效的方法開展對傳統(tǒng)工具的保護與研究。傳統(tǒng)工具的數(shù)字化保護是時代發(fā)展的必然，數(shù)字化保護可以更有效地保存歷史資料信息，再現(xiàn)其文化空間，搭建虛擬場景，使人在身臨其境的效果中體驗傳統(tǒng)技藝的意境及文化魅力。應用現(xiàn)代工業(yè)設計數(shù)字化技術進行民間傳統(tǒng)工具設計的研究，將會使我國優(yōu)秀傳統(tǒng)技藝和造物思想得以有效傳承。