基于工業設計視角的傳統工具數字化保護研究

王健慧 朱宏軒

關鍵詞：數字化 工業設計 傳統工具 CAID

引言

民間傳統工具既是生產力發展水平的標志，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。也許傳統的工具可能不能適應現代生產工藝的需求，但在傳統工具中隱含的造物觀念有些到現在都是非常先進的。我們要正視傳統生產工具的生存危機，重視與開發傳統生產工具的歷史與文化價值，并利用現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，嘗試利用先進數字化技術手段開展傳統造物文化資源調查和保護工作，取得了許多矚目的成果。將現代科技成果和手段應用于傳統工具的研究，為傳統意義的造物文化研究提供了更多的可能和視角?，F代工業設計的理論和研究方法與傳統造物設計之間存在著一定的相通之處，利用工業設計相關理論方法應用到傳統工具設計的研究工作中，將會為傳統工具的保護和傳承提供全新的研究視角。利用工業設計領域數字化設計及加工設備對民間造物文化資源進行數據采集、形態分析、結構展示、虛擬現實場景再現等信息傳播的科學操作，并建立民間造物文化三維圖像、數字模型、視聽信息等數字資料的數據庫，實現民間造物資源的有效保護，將有助于傳統工具的信息保存、形態修復和更深入開展研究工作。

一、工業設計視角的意義

數字化工業設計技術與傳統工具研究相結合的設計思考，是現代工業設計服務于傳統文化保護的課題研究。它立足于傳統生產方式，從工業設計的視角發現問題，解決問題，最終形成系統化的系列成套工具設計研究成果，在保護傳統工具設計文化的同時提煉對現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，對促進中國工業設計的發展具有深遠的啟示意義。

（一）操作的可行性

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

（二）保護的有效性

第一，數字化方式可以使傳統工具得以有效保護和展現?？梢岳脭底旨夹g再現和復原久已失傳的工具，利用工業設計測繪、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，可以為傳統技藝系統化研究提供幫助;即使有些工具已經失傳或者不再使用，也可以作為研究傳統工具設計文化和傳統技藝歷史起到有益的補充作用。第二，數字化方式有助于傳統工具全方位的傳播和交流。數字多媒體的交互性、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、全方位地展示傳統工具設計的研究成果。另外，數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

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

中國傳統工具中所包含的設計智慧，工具傳承中的設計啟示，無疑是對現代中國設計以及世界現代設計最具有建設性意義的因素。傳承是一種歷史的延續，而傳承中最首要，也是最重要的任務就是把傳統造物智慧中優秀的、精華的，特別是對現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展。通過數字化的手段可以充分展示傳統工具的設計特點，以一種大眾都能接受的形式呈現出來。利用現代數字化分析手段，從傳統造物設計中發掘規律，找尋傳統工具中可以被現代設計所借鑒的設計智慧。民族傳統造物文化是人們在歷史中創造的，代表民族的文化信仰、思維方式、精神狀態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，借助現代數字化工業設計手段可以有效補充傳統文化的繼承和發展問題。

二、傳統工具設計數字化研究

利用三維掃描技術、圖形圖像處理技術、建模技術、虛擬現實技術以及動畫技術等最新的數字化技術及設備，對傳統工具的形制、配飾、造型、圖紋、色彩等進行采錄、采樣和數字化制作，構建一個應用于現代設計的傳統工具設計資源庫，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據庫;對傳統工具的制作過程和使用過程進行數字化處理，建立三維動作庫，為瀕臨消失的傳統工具技藝的數字化記錄、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據采集技術、機械制造軟件建模技術、高清全景攝影技術等手段，實現傳統工具中的測繪手稿、形態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和色彩的點云三維數字化模型，為傳統工具的信息資源共享、修復、傳統技藝研究、公共展示和開發利用等提供詳實的數字化素材。

傳統工具數字化保護的核心是工具的數據采集。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據處理，生成二維數據信息，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;針對較復雜的傳統工具，需要對其進行三維立體化數據采集，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據的形式。圖1為三維掃描數據采集操作過程。

通過三維數據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據信息。不僅能記錄工具實物的三維數據，為后期的工具復原和數據保存提供準確的模型支持，并且為三維重建技術在傳統工具保護領域的深入開展提供了全新的視角。圖2以傳統食盒為例，對其進行三維掃描和點云處理，實現了傳統工具數據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據統計、分析、編輯、管理等。通過數控加工和3D打印技術制作出傳統工具經典造型或局部形態實體，使更多的受眾能觀看和體驗到傳統工具的真實面貌。將獲取的數據模型通過3D打印機可.決速輸出工具模型或局部形態。圖3為利用3D打印技術獲得的模型實物流程圖。

融入現代3D打印技術去實現傳統工藝，并在此基礎上發展創新，是一個值得探究的課題，也是一個存在爭議的課題。傳統手工技藝的精髓之一在于它的手工性，我們可以利用現代3D打印技術復制出傳統工具經典的結構和局部形態并加以研究和留存，而不是簡單復制。傳統工具經過手藝人長期實踐摸索和打磨，表現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據采集和分析是我們現代設計研究的重點，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，以便為現代設計提供借鑒和研究之用。

（二）結構設計分析的CAID系統

借鑒工業設計及機械制造領域的CAID系統，可以實現對傳統器具的數字化建模、結構設計演示、構造的數字化分析與評價等內容。將經典傳統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，通過系統模塊可以完成對傳統工具的延伸性設計，為傳統工具的再生、再利用提供了可能。圖4為利用結構設計軟件UG，對傳統錢桶進行的結構及構造分析。

（三）功能展示的虛擬現實技術

虛擬現實（VR）主要是使用虛擬現實技術，創建、還原虛擬的物體、場景、空間環境、工藝流程及生產生活方式。可以有效再現不同器形及物體所營造的空間感受及文化氛圍，使傳統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。通過虛擬現實再現技術的發展與體驗，人們可以利用各種交互平臺進行傳統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優勢。圖5中，將傳統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典的結構、形態進行局部數據化建模，以便永久保存，并利用這些模型可以參與虛擬現實場景的還原。

傳統工具的數字化虛擬現實技術的應用主要包括兩個方面：第一，將傳統工具和使用的環境進行建模，再經過渲染和動畫設置，利用現代交互設計技術展示傳統工具使用過程和傳統技藝工作過程;第二，建立傳統工具數字資源博物館。運用數字化技術將傳統工具的信息整合，綜合運用現代互聯網技術和各種多媒體交互平臺，建立起傳統工具及傳統技藝數字博物館，這將成為保護傳統造物文化的全新應用平臺。利用虛擬現實技術，一些神秘的傳統工藝及傳統工具制造流程得以立體動態展示。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工具的設計及制造過程，體驗古人造物的快樂。

三、數字化感性工學技術

將數字化感性工學技術應用于傳統工具數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，依據人的喜好來制造產品，它屬于工學的一個新分支。傳統工具是民間手工藝人在長期的生產實踐中逐漸完善，并最終形成現在的樣式，這些傳統設計是經得住時間的檢驗的，這里面蘊含的優秀的傳統工藝思想是值得我們學習借鑒的。與現代工業生產不同，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字化感性工學的研究內容之一。

數字化感性工學主要包含三大內容：即基于模糊邏輯的技術、人工神經網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。

傳統工具制作主要停留在人工手動狀態，工藝控制的實際效果主要依靠有經驗的操作人員。而人的操作行為以及獲得的經驗不是固定的形式，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工具，也是值得開發的一方面，也可以彌補特殊事物在取樣分析方面的空白。

（二）人工神經網絡

人工神經網絡作為一種基于連接主義的智能技術完全區別于傳統的人工智能方法，具有自學習和聯想記憶等功能，經過人工神經網絡的自學習等功能可以實現知識的自動獲取和處理，提高設計師的邏輯推理思維能力。一個人工神經網絡的建立，可按進化思想來創造“聰明”而又“精致”的人工神經網絡，這也將是今后的一個重要發展方向。它不按常規公式進行運算，而是需要從積累的大量數據中進行歸納梳理，獲得內在規律。

（三）進化計算

進化計算是一種模擬生物遺傳、進化的隨機尋優技術。它可以復制和延續人類自身的知識、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勢，從而構建人機智慧交融的智能信息處理系統，幫助現代設計的發展。這項技術可用來分析傳統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，以及如何最優化地搜索和求解問題。我們可以通過采集到的大量傳統工具的信息，結合文獻資料以及傳統技藝流程的復原，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，從而提煉對現代設計有價值的元素。

結語

傳統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、有效的方法開展對傳統工具的保護與研究。傳統工具的數字化保護是時代發展的必然，數字化保護可以更有效地保存歷史資料信息，再現其文化空間，搭建虛擬場景，使人在身臨其境的效果中體驗傳統技藝的意境及文化魅力。應用現代工業設計數字化技術進行民間傳統工具設計的研究，將會使我國優秀傳統技藝和造物思想得以有效傳承。