三维成型在艺术设计实践教学中应用研究探讨

杨一桐，朱利

（1.东北大学 计算机科学与工程学院，国家级计算机实验教学示范中心，辽宁 沈阳；2.东北大学 艺术学院，辽宁 沈阳）

设计是人类创造活动的基本范畴，是改变客观世界，使其变化、增益、更新、发展的创造性劳动，是构想和解决问题的过程。基础的设计包括产品设计（工业设计）、视觉传达设计、染织服装设计、环境艺术设计（室内设计、景观设计、展览展示设计）这四大主导专业[1]。艺术设计的学科范围是不固定的，涉及到社会、科技、人文等诸多方面的因素，一直处于动态变化之中，这导致设计范围也在不断扩展，其审美标准也随着设计范围的变化而改变。

三维成型的相关技术包括3D打印技术、三维激光雕刻技术、三维扫描与逆建模等。3D打印技术又称为增材制造技术，由于其灵活性和低成本，目前广泛应用于医疗、机械、航天等各个领域的小型模具设计和创新项目研发。三维激光雕刻技术以数控技术为基础，激光作为加工媒介。加工材料在激光照射下发生瞬间的熔化和气化的物理变性，从而达到加工目的[2]。三维扫描是一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术[3]。它采用的是白光光栅扫描，以非接触三维扫描方式工作，全自动拼接，具有高效率、高精度、高寿命、高解析度等优点。逆向建模将三维扫描的点云数据进行降噪处理通过建模软件在3D环境中重建三维模型。基于3D打印、激光雕刻、三维扫描与逆向建模相结合的三维成型实践可以充分利用先进的设计制造技术实现个性化模型的创意设计。现结合艺术设计实践教学现状及艺术类三维成型实践教学中存在的问题进行分析梳理并提出解决方案。

一 基于云平台的三维成型实践教学体系

在艺术设计实践教学改革中，为解决上述艺术类三维成型实验室存在的相关问题，依据教学大纲、教学培养方案，对艺术设计专业实践教学课程进行了设置。自2018年底我校实验室中心化改革完成，实验中心陆续引入不同级别的3D打印机、激光雕刻机，三维扫描仪进而应用于艺术设计相关专业实验教学课程中。引入设备的同时对实验室开放形式，实验教学内容、教学方式和考核机制等进行调整，不仅有利于培养学生扎实的艺术设计理论基础知识和技能，掌握先进技术，而且能激发学生开展相关领域研究的兴趣与潜能。

（一） 基于云平台的三维成型实验室--开放体系

基于云平台的三维成型实验室开放体系是依托实验中心已有的设备资源，借助信息互联网技术构建的实验室远程控制操作体系，其可以实现线上实验项目的预约、线上作品提交，三维模型上传下载、作品分享展示等作用。如图1所示，包括仪器设备、实验内容、实验项目、具体应用、模型库、考核体系和开放方式等部分。

图1 三维成型实验室开放体系结构图

三维成型实验室目前可以完成三维建模，逆向建模，激光浮雕，三维扫描，3D打印等多类实验。为使实验室更具灵活性开放性，使有兴趣参加实验的学生不受专业、年级、时间限制，实验室面向全校学生实行周一至周日全天开放。学生基于三维成型云平台可以灵活选择申请相应设备以及设备的使用时间，基于云平台端的模型库进行进一步的模型设计制作，同时可以将自己设计的符合实验中心要求的3D模型、三维扫描逆向建模的模型上传到三维模型模型库中将自己设计的激光浮雕灰度图上传到灰度图模型库中。使云平台端的模型库与三维建模、逆向建模实验、三维激光浮雕实验项目形成双向循环从而不断丰富模型库实现资源共享。

（二） 基于云平台的三维成型实验室--开放模式

为提高设备使用率，满足学生实践创新需求三维成型实验室逐步实现7×24小时开放。三维成型实验室的开放运营基于三维成型云平台，学生通过线上预约，选择实验设备及实验项目上传三维模型，教师审核学生上传的三维模型安排实验时间及实验设备，中心制作完成后期处理加工，学生领取成品。

二 将三维成型融入艺术设计实践教学的探讨

3D打印技术在艺术设计的应用，包括3D打印技术在景观设计中景观环境模型的搭建，以及在建筑设计方案的实施等方面。3D打印技术在视觉传达专业的应用包括其在产品设计、包装设计、非物质文化遗产的科学化保护等方向。3D打印技术有以下几种，包括熔融沉积建模（FDM），选择性激光烧结（SLS）、立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）等，这些技术可以很容易地制造任意复杂的3D模型。激光雕刻技术在艺术设计领域的应用包括公共艺术作品展示、传统技艺的现代表达，电脑模型的立体呈现等。三维扫描及逆向建模在艺术设计中的应用,包括文物保护、产品设计、工业设计、非物质文化遗产保护以及建筑等方面。

基于三维成型技术在艺术设计专业的广泛应用，在艺术设计原有的实践内容基础上引入三维成型相关技术。让学生在掌握仪器设备的原理、构造、操作流程的同时结合艺术设计专业相关的三维成型软件，比较不同制造模式的原理、材料、成型效果的差异，从而激发学生的创新能力。为此，设计了以下几种实验教学项目。

（一） 特色基础实验——基于3D打印的模型创意实验

3D打印模型创意实验是基于3D打印技术的应用研究，利用手工与3D打印机相结合制作环境设计模型：包括沙盘模型的制作，室内家具的制作，室内装饰品的打印等内容。传统的模型制作课程通过减材制造的方式完成，学生在制作模型的过程中缺乏对设计模型的全局认识。而基于3D打印的模型制作课程通过三维成型软件设计建模能够使学生在设计的过程中对设计方案进行全局的考虑和认识，并通过3D打印机直接打印成型，使设计方案以最直接的方式得以呈现。

学生通过了解和掌握3D打印机技术利用3D打印机进行模型设计制作，通过基础理论学习、实际动手操作、案例分析、上机实验等内容对学生进行室内外模型设计和制作的技能教育。基于3D打印的模型创意实验课程重点是学生进行3D打印所需模型设计的掌握、3D打印机的基本操作、3D打印模型制作的实验。

（二） 综合能力实验——3D打印与三维激光浮雕对比

传统工艺设计以减材制造为基本模式，以传统的接触式加工为主要方式，以木材纸张为基本原料。而基于3D打印的模型制作材料有：光敏树脂复合材料、高分子粉末材料、石蜡粉末材料、熔丝线材料、FDM支撑材料等，最常用的光敏树脂、PLA、ABS、尼龙、不锈钢等材料。有别于传统艺术设计材料，3D打印材料具有明显的现代特征。而激光雕刻技术以传统的纸张、木材、胶合板等为主要材料，以传统的减材制造模式为基础通过自动化激光处理使模型精度更高完成质量更好。激光雕刻包括线条雕刻和表面浮雕两种，线条雕刻结合矢量图像根据直线或路径进行雕刻，表面浮雕是通过动态聚焦来实现的如图六所示。三维模型文件以电信号的形式传递到激光雕刻软件中，通过模/数转换将电信号转换成伺服电机上的模拟信号，根据三维模型中不同深度的电信号转换成不同的模拟电压信号，通过控制电机上三轴镜片的前后移动使激光焦点移动从而实现动态聚焦[7]。

单纯从理论上为学生讲解上述两种成型技术的原理、成型方式，特点等较为抽象，学生不能切实领悟先进技术及其应用范围。因此在原有接触式手工制作模型的基础上通过运用三维软件设计三维模型并引入3D打印机与激光雕刻机制作三维实物模型，对两种制作方式从三维成型原理，成型方式和成型材料等方面进行对比，并让学生亲自操作仪器。通过亲自动手调整参数及设计方案，不仅可以使学生掌握先进成型技术的操作使用技能，还能够使学生更直观、更深刻地了解两种技术的原理、材料、特点及优缺点，以及适用的艺术设计方向，进一步加强学生的认知能力和艺术设计实践能力。

图2 3D激光雕刻机结构示意图

（三） 研究创新实验——三维扫描与逆向建模虚拟仿真实验

逆向建模是通过三维扫描可以得到实体模型的点云数据通过相应的建模软件得到三维空间模型的一种方法[8]。虚拟现实（Virtual Reality，VR）是可以创建模拟虚拟环境的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种交互式三维场景从而给人以环境沉浸感[9]。

通过设计三维扫描及逆向建模实验可以实现对传统非物质文化遗产、历史文物等的逆向重建，运用虚拟仿真VR技术进行场景还原，从而实现对历史遗产的科学化保护与研究。三维扫描与逆向建模虚拟仿真实验的基本步骤如图3所示。学生通过三维激光扫描获取实物模型的点云数据，通过拼接、降噪、配准获得点云模型，逆行建模BIM模型获得构件的现实模型与场景，运用VR虚拟仿真实现场景的虚拟化呈现与还原。

图3 三维扫描与逆向建模虚拟仿真实验

三维扫描与逆向建模虚拟仿真实验可以实现三维模型及场景的逆向虚拟化呈现，在充分调动学生的创造性的同时不脱离客观物品。利用沉浸式体验提供更直观的质性感受，同时起到了对文物及非物质文化遗产等的保护与传播。

三 考核机制

考核是实验课程体系的重要组成部分，考核的目的主要是检验教学效果，调控教学活动逐渐完善教学体系，促进素质教育与人才培养。三维成型实验教学以小组授课的形式完成，采用多元实验考核体系，包括实验素养、实验准备、实验过程、实验结果、实验创新五大部分，针对不同性质的实验相应的参考评分分值有不同权重的调整。特色基础性实验侧重掌握实验基础性内容，综合能力性实验在实验过程实验创新性方面有一定要求，而研究创新性实验对于实践创新性有较高要求。实验展示以实验报告、ppt答辩的方式综合呈现，同时采用学生组内互评与教师考核相结合的方式，鼓励实验过程中的创新性表现。

四 结语

以3D打印为代表的三维成型技术与传统的模型制造技术相比具有成本低、效率高、操作灵活、创新性强等特点，适用于现代化艺术设计多层次、复合型人才的实践教学培养过程。本文构建了基于云平台的三维成型实验教学体系，对实验室开放体系、开放形式、实验教学内容、考核机制等进行了阐述分析。通过基于学生为中心任务为驱动的层次化实验项目，有效促进了学生掌握综合交叉学科解决问题的能力，夯实了学生的专业基础，培养了学生的创新能力。面向现代艺术设计专业培养复合型人才的需求，将进一步探索更完备的三维成型实践教学体系，更加注重复合型、创新型人才的培养，从而引导学生不断探索新知识掌握新技能，为推动艺术类实验教学的改革和发展培养艺术类综合型创新人才贡献力量。