数字技术下的传统家具研究概况

2020-07-28刘铁军蔺明林

设计 2020年13期

刘铁军蔺明林

摘要：在传统家具的研究领域中，数字技术的应用大多仍然处于起步阶段，研究的方式方法仍然有很大的发展和提升空间，本文着眼于当前传统家具领域中相关数字技术的应用，分别从数字模拟技术、数字制造技术、数字化的鉴定检测技术三大方面，对其应用的技术特征进行研究和剖析，以期在数字技术的应用特征和前景方面有更为全面的认知，进一步促进该领域研究手段的不断丰富和革新，提升研究的综合水平，推动中国家具的传承与发展。

关键词：传统家具数字技术数字采集数控加工数字鉴定检测

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 07-0088-05

一、数字化技术的含义

数字化技术是使用特定的设备将客观世界中的事物转换成计算机唯一能识别的二进制语言，从而将图像、文字、声音等许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据信息，建立起适当的数字化模型。它是计算机、多媒体技术、软件以及互联网技术的基础，是实现信息数字化的技术手段。

二、传统家具研究中的数字化模拟技术

在传统家具研究的过程中，随着全球科技进程的加快，各种先进的数字技术也在这个领域发挥着越来越广泛且重要的作用，我们按照不同研究层面所应用数字模拟技术特点的不同，将其可分为三个阶段。按照其在研究过程中所应用的先后顺序性，可分为：数据采集技术、数字建模技术、数字衍生技术、数字化鉴定检测技术。

（一）传统家具的数据采集技术

数据采集是研究传统家具的一项重要基础工作，广义上的传统家具的信息采集包括对家具尺度、榫卯构造、材质、装饰工艺等的记录或辨识工作，这里专指对传统家具的三维尺度、色彩纹理信息进行获取和记录。适合传统家具的数字采集技术主要是三维激光扫描，这种技术具有高精度、高效、高密度数据获取的优势，被广泛应用于设计制造、遗产保护、文化艺术、虚拟展示等领域。通过扫描测量点云编织出的外皮来逼近目标的完整原形及矢量化的数据结构，真实描述被扫目标的结构及外在形态特性。应用这种技术的扫描仪可以分为固定式和移动式，其中最适合传统家具扫描的是一种可以随意移动的便携式手持三维激光扫描仪，它免去了固定式扫描仪不断调整位置和角度的不便，且扫描过程为无损操作，不会对家具有任何接触和损害。它通过激光打在家具表面，然后接收家具表面所反射的光线来获取该物体的三维坐标信息并实时在计算机里生成虚拟化的扫描外形，可以自动生成高品质的stl、obj、jpg等模型和图片文件格式，再导入具有同类文件编辑处理功能的软件进行后期加工处理，如图1。

对于三维模型数据精度要求高、依靠手工建模比较困难或无法完成的多曲面、多层次或表面带有复杂雕刻纹样的家具，尤其适合以这种方式进行数据采集，但随着扫描精度的提升会导致扫描的时间成本和数据存储量同步增加，以华南农业大学对一件晚清民国广式风格的红木座椅所进行的扫描为例。此件椅子的体积相比建筑虽小、但形体繁琐、雕刻与镂空较多，点云数据的采集需要从多个角度进行多次扫描来获取，对于需要翻转家具进行局部针对性扫描的，还应保证每个扫描面和下一个过渡面之间至少有3个公共标志点。在对这件红木座椅实际的数据扫描过程中，系统要求重合面重叠部分占单次扫描面积的30% - 40%，加上扫描的角度和次数多，单单只此一件家具为了获取其详细的三维点云资料就耗时了两天、扫描了200多个角度，单个模型文件的原始点云数据量达到了28G。但掃描之后的模型精度仍然可以调整，我们可以从实际需求出发，选取适合的精度来降低后期的数据处理量，如图2。

物体若要实现三维数据化，其构造三维模型的手段主要有以下三种：人工软件建模、照片建模和扫描建模。利用上述手持3D激光扫描仪扫描得到的家具模型属于扫描建模，它可以精确地反映出家具表面的诸多工艺特征和保存状态。若对已经拆解的家具进行分件扫描建模，则内部的榫卯结构可以被清晰记录;若对家具整体进行扫描建模，则可以记录外观榫卯组合形成的合缝、家具表面的各类线脚、外在雕刻的各种形态特征以及残损的具体状态等;若扫描同时采集纹家具表面的色彩与纹理信息，则这些内容也可以被同步记录。家具扫描后通常还要经过：模型的导入和检查一模型的细节处理一模型的面数优化等才能获得比较完美的数字模型，进而用于今后的研究或深度开发展示。

数字化建模技术可用于残损古代家具修复前的模拟复原，以此可有效降低因技术人员缺乏经验带来的修复风险。通过对模拟复原部位效果的不断更改和调整，可建立更趋合理的修复预期效果，最大限度避免因传统修复带来的不确定性和不可逆性。若原作过于残损不具备展览展示的条件，还可通过数字模型的模拟复原效果替代原作进行虚拟展示。数字模型除用于上述模拟修复和复原外，还可用于对传统木工榫卯工艺的研究与展示，如下表所示不同项目下都不同程度借助了数字建模技术的开发与应用，如表1：

（二）传统家具的数字化衍生技术

利用数字技术除了可以为传统家具建立完整精确的数字档案外，还可通过与其他多媒体技术结合衍生出很多新技术，如VR、AR、3D全息投影等。运用这些衍生技术可以立体化展现家具的空间场景，动态化展示家具的组装过程，对传统家具进行全方位多角度的科研、教学、展览等。如透过VR与AR技术的应用，可为已经脱离原始环境的传统家具打造虚拟场景，使传统家具背后的文化形态、历史形态和环境形态等得到同步展示，以此来弥补家具因与环境脱离造成的信息缺失，加深观众对传统家具的理解和认知;还可用来指导和优化室内设计，满足人们对室内传统家具的个性化需求。设计者可以根据客户提供的户型图纸建立虚拟的环境，再将传统家具的数字模型置于虚拟环境之下，客户通过智能观看设备平台便可提前感知室内陈设效果，查看其中的数字家具模型并与家具产生互动，进而提出对家具设计或陈设上的修改要求，而设计者则通过收集用户反馈的信息，不断验证和调整家具的设计与陈设效果。而借助3D全息投影这项技术，则可以全方位展示一些家具榫卯装配的动态过程以及构件的组装过程，给人以极具立体感的视觉效果。天津武清博物馆里的古代家具展厅就借助了全息投影技术向观众展示了一件罗汉床的内外整体面貌以及一件架子床的整个搭建过程，观众只需站在原处便可欣赏家具的全貌，还能透过动态的模拟演示了解整个架子床的搭建过程，如图3。

三、传统家具研究中的数字化制造技术

传统家具手工技艺的传承和创新是家具研究的重要内容，不仅仅表现在信息采集的数字化和建立模型的数字化，其传统的生产加工工艺也同样要求创新，将数字化加工技术用于中国传统家具的生产过程中，既可让加工过程变得安全高效，又可让这门传统而古老的工艺形式以崭新的技术方式得到传承和发扬。

（一）传统家具的快速成型技术（3D打印）

3D打印是一种快速成型的智能数字化制造技术，它以数字模型文件为基础，将打印机与电脑连接后，通过电脑控制运用粉末状金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，逐层打印来构造物体的技术，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今该技术被广泛运用于一些产品的直接生产制造，包括传统家具的领域中。

国内目前已有相关机构开展了对传统家具圈椅的3D打印实验。其基本的制作流程是“比例尺度确定→计算机辅助设计→生成G-code文件→3D打印实物→模型后期处理”。数字建模技术结合3D打印技术后，能够开发出与实体家具有一定比例关系的精确家具模型，且实体内部的榫卯结构也可以在模型之上得到真实再现，进而再利用这个模型来验证其相关结体或榫卯在力学上的特征以及科学性，从而避免直接对家具本体进行实验操作所带来的损坏或其他危险。利用3D打印还能为传统家具的修复带来新的思路和方法。传统的家具修复需要有专业的技术人员对缺失的配件进行加工制作和调整，而借助3D打印的输出技术，只要精确地建立数字模型，则无需技术人员的加工即可将需要的部件打印出来，这可以大幅降低对于手工技术操作的依赖，弥补因缺乏专业技术人员带来的不利局面。

（二）传统家具的数控加工技术

传统手工加工方式：手工设计绘图一手工锯切木料、开榫一手工雕刻纹样一手工精细打磨

现代数控加工方式：电脑数字建模一电脑绘制刀具路径、生成加工代码—上机加工或雕刻一手工精细打磨。

以上两种加工方式都可以完成目标家具的制作，但是实现的过程与手段不同。传统的家具制作是一种手工技艺，也是中国传统家具的工艺特色，传统的老手艺从选材、下料、画线乃至锯、刨、凿等都包含着很多技巧在内。心灵手巧的匠师根据家具不同部位结合构件的不同，创造出各式各样合理而精巧的榫卯，为传统家具赋予了灵魂;方中有圆，圆中带方，各式线脚的运用与交接又赋予传统家具以經络和气脉，所有这些不仅需要工匠手力的精准操作，更需要敏锐的眼力和不厌其烦的耐力，他们凭借自身的经验、技能和丰富的阅历，将中华传统木工工艺发扬光大，使其成为了世界家具史上最受尊崇的古老工艺发明之一。掌握这门手艺通常要付出数年的努力，其技艺的娴熟与否直接与实践和经验的不断积累相关，高昂的培养成本，使熟练掌握这门传统手工艺的人已经越来越少，乃至今天已经成为了非物质文化遗产。熟练匠人的不可多得和世人对古典家具需求的与日俱增催生了传统家具的工艺创新——数控加工。所以传统木工技艺是数控加工技术的最好蓝本，通过不断模仿和学习，木工领域的大多数技术几乎都可以用数字设备实现代替，不断把数控技术和传统木工技术相互融合，使传统与数字加工成为不可分割的整体已经是大势所趋。

随着科技的不断发展，专门以手工制作榫卯的方式已经越来越少，一方面由于劳动力太贵，另一方面也因为手工制作榫卯对技艺的要求太高，而传统的实木开榫机也存在缺乏灵活性、加工结构单一、精度不高、木材利用率低等一些问题。相比传统的开榫机，数控开榫机不再仅仅针对单一榫件的加工，而是可以加工出大多数传统家具中常用的榫卯结构，还适合对异形榫卯及复杂榫件进行加工，榫卯的形状、宽度、厚度等都可以形成参数设置和记忆，一些厂家研发的数控双端开榫机，还能一次性对两端同时做榫，精准流畅，自动送卸料，这大大减少了资金投入，提高了加工效率和精度。而相比传统的手工开榫，调整锯切角度技术性较强，需要不断试料和测量，一旦更换新的锯切角度，旧的角度几乎无法保存，数控技术的运用则可避免因手工操作带来的一些弊端，以常用的藤编工艺而言，传统的手工钻孔，通常都存在不同程度的误差，而数控技术的精准定位则将这一误差归零，如图4。

除了榫卯的制作，家具雕刻也是一门“中国功夫”，无论是浮雕、透雕还是圆雕，雕琢的韵味与气质，均可以反应匠师运笔如刀之功力，好的雕刻能为家具锦上添花，然而技法的熟练运用绝非一日之功所能练就，技法纯熟的工人同样面临着上述时间培养成本高昂的问题，而借助现代化的数控雕刻技术，只要能编制程序，生成刀具轨迹，同时选用合适的刀具，那么家具构件表面的各种复杂曲面雕刻、线型同样也可以被加工出来，且在面对重复性、对称性图案加工时，还可避免因传统手工重复操作带来的效率低下和容易出错的问题。

以数控技术代替手工的加工方式既实现了对传统家具艺术形式的传承，又赋予了这门古老手艺以新的技术内涵。如这款最初原型来自古斯塔夫·艾克《中国花梨家具图考》一书中的“带底足瓜棱形鼓凳”，就是利用了扫描建模与数控加工技术相结合，通过非手工制作的方式完美再现了经典器物，其表面精度误差控制在了0.1mm以内，如图5。

四、传统家具的数字化鉴定检测技术

（一）传统家具的结构力学检测

3D传感技术通常可以分为很多种，其基本原理是通过将力学、光学、磁学、热学等信号通过传感元件将采集到的信息转换成电信号，再经过相关技术转换，成为便于处理、控制、记录和显示的有用数据。前文所述的三维激光和摄影测量技术都是基于光学测量的一种传感器技术，而力学传感技术则可用于传统家具结构力学方面的研究。日本的武藏野美术大学通过人与家具的交流所形成的触觉反馈，研究家具本身的结构设计能否给予人体最舒适的体感，以此来指导设计者对家具进行改良和调整。国内目前在古建筑领域已有关于建筑构架及榫卯结点力学性能方面的测试分析，但在传统家具的相关领域还鲜有应用，但其作为一种研究手段仍有其现实指导意义。我们可以通过此技术采集传统家具在某些结构点上的受力参数，以供设计人员参考，做出更加人性化的设计，还可以对各种类型的家具榫卯展开力学性能测试，以确认其是否符合强度要求，进而为榫卯结构的优化设计提供技术参数。

（二）传统家具用材的树种检测

古代家具是非常珍贵和具有历史意义的收藏品，影响这类藏品的价值除了款式、工艺和年代外，木材树种也是一个很重要的因素，对古代家具材质的检测鉴定，还有利于总结一些家具用材的规律性、地域性以及家具背后所反应的相关历史、地理、环境信息等，在这方面主要以博物馆或考古科研单位的检测为主，如鲁荒王木器材质的鉴定，而新古典红木家具用材更是影响家具价值的重要因素。

手持显微镜是当前红木家具木种无损检测中最便捷实用的重要数字设备。目前红木家具市场上的用材五花八门，且同一类别下的木材有时差别很小，用肉眼难以区分，如下表中常见的两种木材微凹黄檀和交趾黄檀，从图中可以看出他们在颜色与纹理上比较近似，但是价格相差数倍，普通人难以用肉眼区分，尤其从弦切与径切面来看，两者肉眼差别并不大，故存在冒充现象。而通过手持显微镜则可以对其进行明确区分。从显微镜下的横切面来看，微凹黄檀管孔较少，交趾黄檀管孔细密且数量较多;微凹黄檀轴向薄壁组织呈现为翼状和星散聚合状，交趾黄檀是翼状与傍管带状，如表2。

（三）家具表面漆膜及彩绘颜料的成分检测

由于髹漆手法和漆膜表面颜料的使用具有时代特征和地域特点，因此对不同时期和地域的漆饰家具进行漆膜及其表面彩绘颜料成分的检测，其结果能为家具的鉴定、辨伪、断代、产地、价值评估、髹漆工艺以及时间演变等提供科学数据，为其保护和修复提供重要参考依据。漆膜的检测包括对漆膜样品的漆灰填料、色漆层及填加物、颜料层等物质的物相、色相、元素成分、显微结构等不同物理或者化学的解析，这一检测过程不能单靠某一检测手段独立完成，而需要多种技术进行联合测试，综合分析最后才能得出最终的结果。

我们参考湖南省博物馆近年来对马王堆汉墓出土彩绘漆器所进行的色彩鉴定，可知其综合运用了各种技术手段同时结合考古类型学、文化因素分析法、自然科学检测法，以及与历史文献相结合的跨学科综合研究方法，在漆工艺史等多个独特领域迈出了新的一步，这也为我们对古代漆木家具的研究提供了可兹参考的范例。该馆通过X射线衍射（XRD）与拉曼光谱（Raman）这两项技术的联合检测，得出了彩绘漆器表面白色颜料的组成成分为大自然中存在的天然矿物，确认了它们来自人工开采和物理研磨而非人工冶炼合成。还通过潘通Pantone RM200-PTOl色彩检测仪对马王堆出土的大量漆器进行了色彩匹配，建立了对器物色彩的数据档案库。这项技术同样也可用于监测传统漆木家具表面的漆色变化，进而推测造成颜色变化的原因是否与其所处环境中的光线、温度、湿度的变化有关，为后续的保护工作提供参考依据。

扫描电镜能谱仪（SEM-EDX）是一种将扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDX）集成的仪器。它既可以观察到漆膜的分层结构，测出分层厚度，漆膜中填料的外观特征，还可以检测出样品的元素成分。傅里叶红外光谱仪（FTIR），则可反映出被检测化合物所含官能团的种类，通过官能团的比对可以判断被测样本中包含何种化合物。漆酚是天然生漆的主要成分，桐油也是家具表面漆层中的常用的物质，二者都属于化合物，但官能团不同，通过红外光谱分析我们可以推断漆中是否添加过桐油，以及漆层之上的彩绘使用的是油彩还是漆彩，从而对家具的髹漆材料和工艺做出相应推断。以山东博物t宫对明鲁王墓出土的朱漆酒桌所进行的检测为例，经过以上技术的联合检测再进行综合判断可知此件酒桌采用了一麻多灰的漆工艺，主要步骤：上通灰一披麻—止细灰一打底漆—止面漆;红色漆膜的面漆和底漆呈色颜料都是硫化汞，是自然界矿物颜料朱砂的主要成分，也是中国古代漆工艺中常用的一种添加颜料;漆膜中存有大量钙长石成分，应为与朱砂伴生的矿物夹杂所致;面漆由生漆和朱砂调和，未掺入桐油，灰层中添加的纤维属于麻纤维。

有关数字检测技术的不同功用与特点，经分析归纳如表3所示：

总结

随着大数据产业的蓬勃发展，数字技术在传统家具领域的应用也越来越广泛。当传统家具的图像资料、数字模型信息以及被检测的样品信息等形成庞大的数据积累后，大数据的分析优势将越来越明显。对于目标用户尤其是学术研究人员和教育机构而言可以进行实时的动态浏览和搜索，从数据库中调用和采集有关家具的尺寸、结体、纹样、榫卯结构.装饰工艺等诸多相关信息，各取所需;还可以借助大数据的分析对传统家具进行更加系统化的研究，如对某一类家具或者同一类构件、构件组合、工艺特征、装饰题材和手法等进行检索和筛选，再用类型学研究方法，通过排比和比对分析等手段揭示传统家其一些内在的仍不为人所知的规律性特征或工艺特性;有了庞大的数据作支撑，还可以就有关传统家具的地域性分布问题做更为细致的研究和剖析，进而探讨家具背后的某些历史成因以及可能与之相关的社会学问题;数据库的建立还可以为古代家具的修复与复原提供样式依据和数据参考;可为从事古典家具设计和室内设计行业的人员提供设计参考和模型调用、降低工作量、提高工作效率;同时还可以为数字媒体诸如VR、AR等技术的应用提供相应的素材。总之，借助以上相关数字技术在传统家具的图形采集、模型构建、图像学、力学、材料学、人机工程学、设计学、形态学等领域的相关研究和应用，再结合以大数据的整合与量化分析，便可以对传统家具展开综合式、交叉式的跨学科研究，这势必拓展我们的研究视角和研究手段，为传统家具的研究注入新的活力，带来新的启迪与发现。..

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