數(shù)字化技術(shù)在民間人物雕塑新形態(tài)模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

摘 "要：通過(guò)數(shù)字化技術(shù)在民間人物雕塑方面的應(yīng)用特性，提出了一種承襲傳統(tǒng)人物雕塑設(shè)計(jì)風(fēng)格的雕塑新形態(tài)模具設(shè)計(jì)方法。以具體人物雕塑案例為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了雕塑動(dòng)作形態(tài)的創(chuàng)新，通過(guò)增材制造的手段，完成了其模型的制作，縮短了民間人物雕塑在傳統(tǒng)翻模階段的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，并驗(yàn)證了其可行性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；人物雕塑；模具設(shè)計(jì)；增材制造

中圖分類(lèi)號(hào)：TP12 """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on the application of digital technology in the design

of new forms of mold for folk figure sculpture

BAI Rong（Shenmu Vocational amp; Technical College Shenmu 719300， Shaanxi， China）

Abstract： The author proposes a new form of sculpture mold design method that inherits the traditional style of character sculpture design through the application characteristics of digital technology in folk character sculpture. Taking specific case studies of character sculpture as the research object， innovation in the form of sculpture movements was achieved， and through additive manufacturing， the production of its model was completed， shortening the design and development cycle of folk character sculpture in the traditional mold turning stage， and verifying its feasibility.

Key words： digital; figure sculpture; mold design; additive manufacturing

0 "引 "言

民間人物雕塑是民間傳統(tǒng)文化的一種有力的實(shí)物承載方式，也是反映我國(guó)各地民間習(xí)俗、文化的最具代表性的藝術(shù)形式之一，民間雕塑［1］的創(chuàng)作內(nèi)容主要以人物形象居多，而人物類(lèi)民間雕塑往往與豐富的地方民俗、文化傳承以及審美理想相關(guān)，承載著濃厚的民俗鄉(xiāng)風(fēng)、民族情結(jié)，其藝術(shù)風(fēng)格總體上與民間美術(shù)具有較高的一致性，有著極高的藝術(shù)價(jià)值，頗具發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。

然而，由于民間人物雕塑傳統(tǒng)手工生產(chǎn)工藝流程周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，民間人物雕塑面臨產(chǎn)品形式單一、發(fā)展模式陳舊的問(wèn)題，限制了作品的創(chuàng)作效率，使得其不能夠廣泛傳播。同時(shí)，民間人物雕塑的創(chuàng)作大多來(lái)自于民間工匠的長(zhǎng)期積累、靈感迸發(fā)，這種創(chuàng)作形式提高了民間人物雕塑的創(chuàng)作門(mén)檻，使得在現(xiàn)有創(chuàng)作模式下民間人物雕塑難以實(shí)現(xiàn)既保證質(zhì)量又保證數(shù)量的發(fā)展模式。因此，如何在兼顧造型美觀的前提下又很好地承載文化元素，怎么樣在保證個(gè)性化的創(chuàng)新前提下還保持較高的生產(chǎn)率，這是解決民間人物雕塑批量生產(chǎn)后還能持續(xù)不斷產(chǎn)生創(chuàng)新作品的關(guān)鍵。

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天，給雕塑藝術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了巨大助力。將雕塑制作和數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)革命正在進(jìn)行，以三維掃描、數(shù)字雕刻［2］［3］等為代表的數(shù)字工程技術(shù)成為了時(shí)下雕塑研究領(lǐng)域的熱門(mén)方向，并已經(jīng)滲透到了雕塑生產(chǎn)工藝、構(gòu)型創(chuàng)新等各個(gè)環(huán)節(jié)。目前，雖然有許多學(xué)者已經(jīng)將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用在民間人物雕塑的設(shè)計(jì)和制作中，但研究都集中在對(duì)民間人物雕塑的簡(jiǎn)單復(fù)制層面，沒(méi)有對(duì)人物雕塑本身的形態(tài)動(dòng)作進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)化的批量生產(chǎn)導(dǎo)致了民間人物雕塑藝術(shù)出現(xiàn)了作品單一、文化內(nèi)涵丟失的問(wèn)題，對(duì)民間文化的傳承產(chǎn)生了不利影響。因此，需要找到一種既能提高民間人物雕塑創(chuàng)作效率，又能延續(xù)其作品風(fēng)格、起到傳承民間文化作用的數(shù)字化模具創(chuàng)新的方法，這正是本文的研究目的。

1 "研究?jī)?nèi)容和方法

1.1 "研究?jī)?nèi)容

傳統(tǒng)的民間人物雕塑制作過(guò)程至少分為6個(gè)步驟：確定創(chuàng)作主題、構(gòu)思設(shè)計(jì)方案、出泥塑小稿、完成泥塑［4］定稿、雕塑翻模、完成上色。僅在泥塑翻模環(huán)節(jié)，常用材料例如石膏、玻璃鋼的翻模周期就至少需要7d時(shí)間。本文旨在通過(guò)數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行民間人物雕塑的新形態(tài)設(shè)計(jì)，以求縮短產(chǎn)品的模具開(kāi)發(fā)周期，優(yōu)化工藝流程。

1.2 "研究方法

本文通過(guò)具體民間人物雕塑研究案例《打鼓少女》展開(kāi)研究，通過(guò)分析該雕塑的藝術(shù)內(nèi)涵和形態(tài)特征，提出民間人物雕塑的新形態(tài)模具數(shù)字化設(shè)計(jì)方案。在對(duì)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)理論進(jìn)行學(xué)習(xí)研究的基礎(chǔ)上，采取先用逆向數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集［5］和數(shù)據(jù)處理，再借鑒人體姿態(tài)估計(jì)技術(shù)［6］原理對(duì)研究對(duì)象的動(dòng)作特征進(jìn)行了骨骼化提取和重組，并用工程參數(shù)化三維動(dòng)作仿真軟件技術(shù)完成了案例的動(dòng)作創(chuàng)新設(shè)計(jì)。最后將仿真得到的動(dòng)作骨骼模型，用數(shù)字雕刻技術(shù)進(jìn)行三維模型的實(shí)體重構(gòu)。達(dá)到了既保留原有作品細(xì)節(jié)特征又實(shí)現(xiàn)了民間人物雕塑的動(dòng)作創(chuàng)新的作用。最后，結(jié)合增材制造技術(shù)，對(duì)研究案例進(jìn)行了實(shí)物打印制作，驗(yàn)證了研究方法的可實(shí)現(xiàn)性。

2 "試驗(yàn)平臺(tái)搭建

2.1 "搭建三維數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)平臺(tái)

要進(jìn)行民間人物雕塑的數(shù)字化研究，首先需要得到研究對(duì)象的數(shù)字化原型。針對(duì)民間人物雕塑形狀復(fù)雜容易產(chǎn)生掃描盲點(diǎn)，而且越是復(fù)雜的雕塑造型細(xì)節(jié)、紋理特征越多的特點(diǎn)，雕塑數(shù)據(jù)采集采用分辨率較高的工業(yè)級(jí)掃描儀來(lái)進(jìn)行，點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式以三角面片數(shù)據(jù)為基本格式。本文根據(jù)被研究對(duì)象的大小、掃描分辨要求、數(shù)據(jù)拼合質(zhì)量、掃描速度來(lái)綜合選用了一款工業(yè)級(jí)掃描儀，見(jiàn)表1。

2.2 "搭建模具制造快速成型平臺(tái)

隨著增材制造技術(shù)越來(lái)越成熟，通過(guò)增材制造技術(shù)制作模具已經(jīng)越來(lái)越普遍，本文采用桌工程塑料增材制造設(shè)備搭建試驗(yàn)加工平臺(tái)，在試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)采用的設(shè)備型號(hào)為北京太爾時(shí)代公司研發(fā)出品的桌面級(jí)FDM快速成型機(jī)型UP BOX+，具體參數(shù)如表2所示。

3 "試驗(yàn)過(guò)程

3.1 "提取三維數(shù)據(jù)原型

民間人物雕塑作品不像工業(yè)零件那樣要求極高的制造精度，但采集到的數(shù)據(jù)也必須真實(shí)有效，可描述對(duì)象的表面肌理和細(xì)節(jié)特征，因此要求用于雕塑的掃描儀要具備一定的掃描分辨率，每次掃描出來(lái)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)必須足夠密集，本文使用上述工業(yè)級(jí)掃描儀對(duì)本文試驗(yàn)案例《打鼓少女》雕塑進(jìn)行了三維云圖數(shù)據(jù)獲?。▓D3），并對(duì)掃描采集到的原始點(diǎn)云進(jìn)行了優(yōu)化等系列處理，得到了質(zhì)量較好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 "針對(duì)原型進(jìn)行曲面重構(gòu)

通過(guò)逆向建模軟件Design X，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件進(jìn)行精確曲面的創(chuàng)建，達(dá)到曲面重構(gòu)的操作效果。對(duì)于民間人物雕塑自由曲面較多的情況，首先要在設(shè)置曲面重構(gòu)參數(shù)時(shí)要選擇“有機(jī)”選項(xiàng)，其次在擬合選項(xiàng)中，為了使最終得到的NURBS曲面模型最大限度達(dá)到平滑平順的效果，將“幾何形狀捕捉精度”參數(shù)調(diào)整為最大，然后再進(jìn)行曲面創(chuàng)建，最終的曲面重構(gòu)效果如圖4所示。

3.3 "基于數(shù)字原型的動(dòng)作特征分析

本文研究對(duì)象《打鼓少女》是藝術(shù)家根據(jù)自己的藝術(shù)審美的創(chuàng)作，為了保證腰鼓類(lèi)動(dòng)作的原汁原味，可將其文化傳承功能遷移到著名非物質(zhì)文化遺產(chǎn)“安塞腰鼓”［7］中。在分析原型動(dòng)作后發(fā)現(xiàn)，該動(dòng)作并不是完全符合打腰鼓的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)。若以傳承和發(fā)揚(yáng)安塞腰鼓文化為主題，就需要對(duì)現(xiàn)有腰鼓雕塑作品進(jìn)行動(dòng)作特征提取、解析，從而達(dá)到形態(tài)創(chuàng)新的目的。本文詳細(xì)調(diào)研了安塞腰鼓的動(dòng)作文化元素，結(jié)合雕塑本體的形態(tài)特征并緊緊圍繞打腰鼓這一動(dòng)作元素進(jìn)行創(chuàng)作設(shè)計(jì)。通過(guò)分析安塞腰鼓的58個(gè)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，建立了動(dòng)作特征庫(kù)，并對(duì)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化得到的特征進(jìn)行動(dòng)作特征重組，這也是作為后續(xù)模具形態(tài)創(chuàng)新的起點(diǎn)。

3.4 "雕塑人物動(dòng)作骨骼化

根據(jù)人體姿態(tài)估計(jì)技術(shù)，先針對(duì)腰鼓動(dòng)作進(jìn)骨骼化，采用的數(shù)字工程建模軟件為UG，其虛擬仿真模塊可以靈活地對(duì)人體骨骼模型進(jìn)行虛擬仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的風(fēng)格優(yōu)化，相比傳統(tǒng)的全物理環(huán)境試驗(yàn)，這種方案具有經(jīng)濟(jì)性和快速性的特點(diǎn)，降低了對(duì)物理試驗(yàn)平臺(tái)的依賴(lài)，有利于控制成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)研究的需要，本文使用到了UG自帶的人體建模模塊?；谠摴こ探ＤK，使用者可以在行業(yè)—人體選項(xiàng)面板中通過(guò)設(shè)置合適的人體建模參數(shù)，生成對(duì)應(yīng)的人體骨骼模型。如圖5所示，可以將人體抽象為小平面體，綠色的小平面體代表骨骼（與連桿類(lèi)似），紅色的小平面體代表關(guān)節(jié)，這樣就得到了較好的人體模型骨架。

3.5 "新形態(tài)雕塑人物模型數(shù)字重構(gòu)

三維數(shù)字造型法最典型的應(yīng)用軟件是Zbrush這款較為流行的數(shù)字雕刻工具，將需要重構(gòu)的模型在軟件中打開(kāi)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字化重構(gòu)的操作主要包括了兩個(gè)步驟。

3.5.1 "新形態(tài)骨骼模型的動(dòng)作調(diào)整

在三維空間坐標(biāo)中對(duì)比兩個(gè)模型的差異，可以清晰地看到骨骼模型和民間人物雕塑原型在位置和角度的不同，接下來(lái)需要用到的是局部特征旋轉(zhuǎn)的辦法，將雕塑模型進(jìn)行局部旋轉(zhuǎn)，達(dá)到雕塑模型與骨骼模型動(dòng)作相一致的效果。以上揚(yáng)手臂動(dòng)作特征為例，具體操作步驟為：首先將民間人物雕塑模型三維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)移動(dòng)至骨骼模型手臂與實(shí)體模型手臂交匯處，然后激活實(shí)體雕塑圖層，并轉(zhuǎn)動(dòng)三維坐標(biāo)，讓實(shí)體雕塑的手臂與骨骼模型的手臂相重合，如圖6所示，從而實(shí)現(xiàn)肢體特征的旋轉(zhuǎn)變換。按照這樣的方法，依次可以完成對(duì)頭部、腰部、背部、腿部各處身體部位的形態(tài)的重構(gòu)。

3.5.2 "模型細(xì)節(jié)紋理重構(gòu)

完成模型的形態(tài)重構(gòu)后，由于局部特征的旋轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致民間人物雕塑肢體部位連接處的表面發(fā)生畸變，在完成對(duì)民間人物雕塑原型手臂的形態(tài)調(diào)整后，手臂與身體部分明顯產(chǎn)生了不光滑過(guò)渡表面，因此需要做進(jìn)一步細(xì)節(jié)方面的處理。這里Zbrush中提供了平滑筆刷和各種雕刻筆刷，可以將畸變的模型表面進(jìn)行光滑處理或者重新賦予細(xì)節(jié)特征，進(jìn)行細(xì)致的紋理刻畫(huà)和還原，如圖7所示，最大程度上保持雕塑原本的風(fēng)格特征。

3.6 "小比例模型的打印驗(yàn)證

1） 參數(shù)選擇。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象《打鼓少女》的外形特征來(lái)選擇打印參數(shù)，為了保證打印效果，應(yīng)從怎樣使雕塑的人物特征、服飾特征能有一個(gè)較好的表達(dá)這個(gè)角度出發(fā)，從優(yōu)選擇打印參數(shù)。具體參數(shù)選擇為：由于需要充分體現(xiàn)細(xì)節(jié)特征，因此打印層厚選擇設(shè)備最小層厚0.1mm來(lái)保證打印精度；由于《打鼓少女》雕塑的性質(zhì)是工藝品，抗強(qiáng)度沖擊性要求不高，在保證外觀完整的情況下，可以選擇13%的填充密度；噴頭的移動(dòng)速度與作品的表面質(zhì)量成反比，打印時(shí)選擇較慢的打印速度來(lái)保證表面的連續(xù)性；由于衍生后的雕塑造型懸空部分較多，因此打印支撐角度初步設(shè)置為至少60°，根據(jù)后續(xù)打印質(zhì)量再進(jìn)行調(diào)整，打印參數(shù)如表4所示。

2） 實(shí)物模型打印。首先需要將打印文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將Zbrush中完成的打鼓少女雕塑數(shù)字化模型格式更改為STL格式，并將其導(dǎo)入通過(guò)增材制造設(shè)備進(jìn)行打印前的參數(shù)設(shè)置，最后使用軟件UPstudio根據(jù)合適的參數(shù)進(jìn)行增材制造，最終得到如圖8所示的實(shí)體模型，模型的表面紋理特征完善，曲面光順。

3.7 "新形態(tài)模具的制作

在完成小比例模型實(shí)物驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，為滿(mǎn)足新形態(tài)雕塑的批量生產(chǎn)，需要進(jìn)一步制作其負(fù)模，這里仍然采用增材制造的方法進(jìn)行其負(fù)模模具的制作，不同的是打印時(shí)采取的打印材質(zhì)為軟性TPU材質(zhì)，來(lái)達(dá)到類(lèi)似硅膠模具的效果。利用雕塑相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，結(jié)合對(duì)最終民間人物雕塑的后期模型特點(diǎn)進(jìn)行模具劃分和分塊打印，最終就可以得到民間人物雕塑《打鼓少女》的新形態(tài)實(shí)物負(fù)模模具。

4 "結(jié) "論

本文通過(guò)對(duì)數(shù)字化民間人物雕塑的新形態(tài)模具設(shè)計(jì)方法的研究，從保護(hù)民間人物雕塑、傳承和弘揚(yáng)民間文化的角度出發(fā)，圍繞民間人物雕塑數(shù)據(jù)采集、動(dòng)作特征提取、數(shù)字創(chuàng)新等方面，對(duì)民間人物雕塑案例《打鼓少女》進(jìn)行了詳細(xì)研究。在對(duì)民間人物雕塑完成數(shù)據(jù)采集和曲面重構(gòu)之后，結(jié)合人體姿態(tài)估計(jì)技術(shù)研究方法對(duì)民間文化進(jìn)行了動(dòng)作特征提取，并在此基礎(chǔ)上提出了運(yùn)動(dòng)仿真法和形態(tài)重構(gòu)法來(lái)進(jìn)行新形態(tài)雕塑模型的設(shè)計(jì)。最后，利用增材制造技術(shù)完成了新形態(tài)雕塑實(shí)體及其模具的實(shí)物制作。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的手段來(lái)進(jìn)行新形態(tài)人物雕塑模型設(shè)計(jì)和制作，整個(gè)新形態(tài)模具研發(fā)過(guò)程全部利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行，這能夠?qū)鹘y(tǒng)民間人物雕塑7d的模具制作周期縮短到2～3d完成，極大地提升了民間人物雕塑作品制作的效率、優(yōu)化了工藝流程，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)效果。

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基金項(xiàng)目：陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目：民間人物雕塑形態(tài)衍生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究（編號(hào)：22JK0368）。

作者簡(jiǎn)介：白榕，副教授，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造方面的研究。

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 "神木 "719300）