古典家具數(shù)字博物館構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：古典家具的工藝?yán)^承與保護(hù)是一項(xiàng)重要的研究工作，其中的數(shù)字化保護(hù)方法對(duì)于文物保護(hù)具有一定的實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值。數(shù)字博物館的建設(shè)是博物館適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的必然需求，是提高博物館管理水平、促進(jìn)其自身發(fā)展的必然選擇。本文就古典家具數(shù)字博物館構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：古典家具;數(shù)字博物館;信息化

一、引言

在文化遺產(chǎn)的保護(hù)傳承中，數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)成為一種全球化的趨勢(shì)?；趫D片的繪制和重建、基于三維掃描的重構(gòu)和漫游、圖片檢索及其修復(fù)、版權(quán)保護(hù)和沉浸式虛擬系統(tǒng)等多種數(shù)字化技術(shù)為人們提供高精度高逼真的數(shù)字化信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)保護(hù)中信息易老化、易失真等缺陷，在文化遺產(chǎn)的保護(hù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。數(shù)字化技術(shù)不僅能保護(hù)和傳承文化遺產(chǎn)，而且賦予文化遺產(chǎn)以嶄新的生命。

二、古典家具藝術(shù)價(jià)值及數(shù)字化保護(hù)

中國(guó)古典家具做工精湛、造型優(yōu)美、圖案精致，承載著我國(guó)古代人民生活方式、意識(shí)形態(tài)和價(jià)值取向等諸多信息，形成富有特色的東方家具體系，在世界家具發(fā)展史上特色鮮明。古典家具數(shù)字化保護(hù)作為一種新型的研究手段，其主要形式是通過(guò)建立古典家具數(shù)據(jù)庫(kù)（包括三維數(shù)據(jù)和相關(guān)的信息數(shù)據(jù)），清晰展現(xiàn)我國(guó)傳統(tǒng)家具的發(fā)展脈絡(luò)，為構(gòu)建家具文化理論奠定基礎(chǔ)。目前國(guó)外針對(duì)數(shù)字化保護(hù)已經(jīng)形成比較完整的體系，而古典家具數(shù)據(jù)庫(kù)的建立在國(guó)內(nèi)仍處于探索階段。

三、數(shù)字博物館的信息化建設(shè)

（一）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集一般通過(guò)三維掃描設(shè)備對(duì)古典家具實(shí)物進(jìn)行測(cè)量，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)換為離散的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。目前，主要的三維測(cè)量技術(shù)有攝影測(cè)量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等。其中，攝影測(cè)量技術(shù)通過(guò)多角度采集二維圖像，采用三角計(jì)算法將平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維立體圖像;三維激光掃描技術(shù)利用兩束激光，一束照射到物體表面，另一束直接照到底片上。利用兩束激光所走距離不同，快速準(zhǔn)確地獲取靜態(tài)物體的空間三維信息。相比于直接測(cè)量法，雖然技術(shù)難度較大，但測(cè)量精度明顯提升，通過(guò)改變掃描角度可實(shí)現(xiàn)古典家具全面的空間環(huán)境數(shù)據(jù)采集。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，提出應(yīng)綜合使用直接測(cè)量古典家具法、攝影測(cè)量法和三維激光掃描3種測(cè)量方法，才能最好最全面地采集到古典家具的信息。

（二）數(shù)據(jù)處理

通過(guò)圖像數(shù)據(jù)處理軟件完成視圖拼合、噪聲去除、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、點(diǎn)云分塊等處理。由于復(fù)雜的曲面往往由多個(gè)曲面整合構(gòu)成，要將整個(gè)三維數(shù)據(jù)分成多個(gè)小曲面數(shù)據(jù)分塊，并單獨(dú)對(duì)每塊數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為實(shí)現(xiàn)將不同視域下的三維數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下，需進(jìn)行三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。典型算法有迭代就近點(diǎn)算法（ICP算法）和基于特征的配準(zhǔn)方法。由于配準(zhǔn)算法在掃描精度較低的狀況下產(chǎn)生的誤差較大，以激光采樣點(diǎn)為配準(zhǔn)單元，提出一種新的基于反向投影的快速配準(zhǔn)算法。通過(guò)馬氏距離搜索最近點(diǎn)，并利用反向投影加速最近點(diǎn)搜索，依靠插值方法修正最近點(diǎn)，避開(kāi)了采樣分辨率影響。

（三）建立系統(tǒng)完整的古典家具三維數(shù)據(jù)庫(kù)

三維數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。開(kāi)發(fā)人員在信息采集和后期處理的基礎(chǔ)之上，設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)的基本框架和關(guān)系結(jié)構(gòu)，依托Revit軟件平臺(tái)的API接口進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這樣不僅充分利用了Revit軟件強(qiáng)大的三維建模功能，而且又為Revit軟件平臺(tái)的文件管理提供便捷合理的存儲(chǔ)方式。三維數(shù)據(jù)庫(kù)與傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)庫(kù)有相同之處，也有不同之處。傳統(tǒng)二維家具數(shù)據(jù)庫(kù)一般是利用Delphi可視化開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)的功能以查詢(xún)?yōu)g覽數(shù)據(jù)為主。用戶(hù)使用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)通過(guò)輸入一些關(guān)鍵詞，檢索獲取家具的二維信息，例如規(guī)格、形式、結(jié)構(gòu)、尺寸、圖案等信息。而三維數(shù)據(jù)庫(kù)不僅可以獲得上述的二維信息，還可以獲得古典家具的實(shí)證案例、造型特點(diǎn)、形制、裝飾特征、技術(shù)特征、榫卯結(jié)構(gòu)等諸多數(shù)字化的信息，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)瀏覽。用戶(hù)根據(jù)需要還可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。建立古典家具的三維數(shù)據(jù)庫(kù)不僅有利于家具企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行查閱和管理，而且方便設(shè)計(jì)人員共享和調(diào)用設(shè)計(jì)文件。

（四）古典家具力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)參數(shù)化模型的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元軟件對(duì)箱式家具結(jié)構(gòu)中角接頭的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)家具所受的撓度。提出基于ANSYS對(duì)板式家具進(jìn)行有限元分析的方法，在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了家具的可靠性及模塊化設(shè)計(jì)。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)家具模型的有限元分析，以榫卯結(jié)構(gòu)為例，主張預(yù)先將模型導(dǎo)入?yún)?shù)化三維設(shè)計(jì)軟件，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化后再將模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后進(jìn)行外載荷加載并求解。該步驟實(shí)現(xiàn)了家具的部分結(jié)構(gòu)整體化結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)一步驗(yàn)證了ANSYS軟件對(duì)家具進(jìn)行力學(xué)結(jié)構(gòu)分析的可行性。對(duì)于家具關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)ANSYS語(yǔ)言編程，分析了丁字榫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度最大情況下的榫長(zhǎng)和榫厚比，為國(guó)內(nèi)局部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的分析提供思路。

四、結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)古典家具數(shù)字化進(jìn)程已步入成熟階段，通過(guò)不斷學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，已利用數(shù)字化技術(shù)完成古典家具的信息化處理，并通過(guò)有限元分析思想優(yōu)化家具結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的古典家具文化傳承和創(chuàng)新提供新思路。古典家具數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建不僅是對(duì)古典家具最好的保護(hù)途徑，也為后續(xù)建設(shè)以古典家具為主題的的數(shù)字博物館提供數(shù)據(jù)支撐。

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作者簡(jiǎn)介：肖宇帆，武漢紡織大學(xué)。