数字化技术在民间人物雕塑新形态模具设计中的应用研究

摘 "要：通过数字化技术在民间人物雕塑方面的应用特性，提出了一种承袭传统人物雕塑设计风格的雕塑新形态模具设计方法。以具体人物雕塑案例为研究对象，实现了雕塑动作形态的创新，通过增材制造的手段，完成了其模型的制作，缩短了民间人物雕塑在传统翻模阶段的设计开发周期，并验证了其可行性。

关键词：数字化；人物雕塑；模具设计；增材制造

中图分类号：TP12 """""""文献标志码：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

民间人物雕塑是民间传统文化的一种有力的实物承载方式，也是反映我国各地民间习俗、文化的最具代表性的艺术形式之一，民间雕塑［1］的创作内容主要以人物形象居多，而人物类民间雕塑往往与丰富的地方民俗、文化传承以及审美理想相关，承载着浓厚的民俗乡风、民族情结，其艺术风格总体上与民间美术具有较高的一致性，有着极高的艺术价值，颇具发展潜力和市场前景。

然而，由于民间人物雕塑传统手工生产工艺流程周期长、工艺复杂的特点，民间人物雕塑面临产品形式单一、发展模式陈旧的问题，限制了作品的创作效率，使得其不能够广泛传播。同时，民间人物雕塑的创作大多来自于民间工匠的长期积累、灵感迸发，这种创作形式提高了民间人物雕塑的创作门槛，使得在现有创作模式下民间人物雕塑难以实现既保证质量又保证数量的发展模式。因此，如何在兼顾造型美观的前提下又很好地承载文化元素，怎么样在保证个性化的创新前提下还保持较高的生产率，这是解决民间人物雕塑批量生产后还能持续不断产生创新作品的关键。

计算机技术发展到今天，给雕塑艺术领域的发展带来了巨大助力。将雕塑制作和数字化技术相结合的技术革命正在进行，以三维扫描、数字雕刻［2］［3］等为代表的数字工程技术成为了时下雕塑研究领域的热门方向，并已经渗透到了雕塑生产工艺、构型创新等各个环节。目前，虽然有许多学者已经将数字化技术应用在民间人物雕塑的设计和制作中，但研究都集中在对民间人物雕塑的简单复制层面，没有对人物雕塑本身的形态动作进行实质性的创新。同时，产业化的批量生产导致了民间人物雕塑艺术出现了作品单一、文化内涵丢失的问题，对民间文化的传承产生了不利影响。因此，需要找到一种既能提高民间人物雕塑创作效率，又能延续其作品风格、起到传承民间文化作用的数字化模具创新的方法，这正是本文的研究目的。

1 "研究内容和方法

1.1 "研究内容

传统的民间人物雕塑制作过程至少分为6个步骤：确定创作主题、构思设计方案、出泥塑小稿、完成泥塑［4］定稿、雕塑翻模、完成上色。仅在泥塑翻模环节，常用材料例如石膏、玻璃钢的翻模周期就至少需要7d时间。本文旨在通过数字化技术进行民间人物雕塑的新形态设计，以求缩短产品的模具开发周期，优化工艺流程。

1.2 "研究方法

本文通过具体民间人物雕塑研究案例《打鼓少女》展开研究，通过分析该雕塑的艺术内涵和形态特征，提出民间人物雕塑的新形态模具数字化设计方案。在对涉及到的关键技术理论进行学习研究的基础上，采取先用逆向数据采集技术进行数据采集［5］和数据处理，再借鉴人体姿态估计技术［6］原理对研究对象的动作特征进行了骨骼化提取和重组，并用工程参数化三维动作仿真软件技术完成了案例的动作创新设计。最后将仿真得到的动作骨骼模型，用数字雕刻技术进行三维模型的实体重构。达到了既保留原有作品细节特征又实现了民间人物雕塑的动作创新的作用。最后，结合增材制造技术，对研究案例进行了实物打印制作，验证了研究方法的可实现性。

2 "试验平台搭建

2.1 "搭建三维数据采集试验平台

要进行民间人物雕塑的数字化研究，首先需要得到研究对象的数字化原型。针对民间人物雕塑形状复杂容易产生扫描盲点，而且越是复杂的雕塑造型细节、纹理特征越多的特点，雕塑数据采集采用分辨率较高的工业级扫描仪来进行，点云数据格式以三角面片数据为基本格式。本文根据被研究对象的大小、扫描分辨要求、数据拼合质量、扫描速度来综合选用了一款工业级扫描仪，见表1。

2.2 "搭建模具制造快速成型平台

随着增材制造技术越来越成熟，通过增材制造技术制作模具已经越来越普遍，本文采用桌工程塑料增材制造设备搭建试验加工平台，在试验验证时采用的设备型号为北京太尔时代公司研发出品的桌面级FDM快速成型机型UP BOX+，具体参数如表2所示。

3 "试验过程

3.1 "提取三维数据原型

民间人物雕塑作品不像工业零件那样要求极高的制造精度，但采集到的数据也必须真实有效，可描述对象的表面肌理和细节特征，因此要求用于雕塑的扫描仪要具备一定的扫描分辨率，每次扫描出来得到的点云数据必须足够密集，本文使用上述工业级扫描仪对本文试验案例《打鼓少女》雕塑进行了三维云图数据获取（图3），并对扫描采集到的原始点云进行了优化等系列处理，得到了质量较好的点云数据。

3.2 "针对原型进行曲面重构

通过逆向建模软件Design X，对点云数据文件进行精确曲面的创建，达到曲面重构的操作效果。对于民间人物雕塑自由曲面较多的情况，首先要在设置曲面重构参数时要选择“有机”选项，其次在拟合选项中，为了使最终得到的NURBS曲面模型最大限度达到平滑平顺的效果，将“几何形状捕捉精度”参数调整为最大，然后再进行曲面创建，最终的曲面重构效果如图4所示。

3.3 "基于数字原型的动作特征分析

本文研究对象《打鼓少女》是艺术家根据自己的艺术审美的创作，为了保证腰鼓类动作的原汁原味，可将其文化传承功能迁移到著名非物质文化遗产“安塞腰鼓”［7］中。在分析原型动作后发现，该动作并不是完全符合打腰鼓的动作标准。若以传承和发扬安塞腰鼓文化为主题，就需要对现有腰鼓雕塑作品进行动作特征提取、解析，从而达到形态创新的目的。本文详细调研了安塞腰鼓的动作文化元素，结合雕塑本体的形态特征并紧紧围绕打腰鼓这一动作元素进行创作设计。通过分析安塞腰鼓的58个标准动作，建立了动作特征库，并对经过简化得到的特征进行动作特征重组，这也是作为后续模具形态创新的起点。

3.4 "雕塑人物动作骨骼化

根据人体姿态估计技术，先针对腰鼓动作进骨骼化，采用的数字工程建模软件为UG，其虚拟仿真模块可以灵活地对人体骨骼模型进行虚拟仿真，进而实现动作的风格优化，相比传统的全物理环境试验，这种方案具有经济性和快速性的特点，降低了对物理试验平台的依赖，有利于控制成本，提高产品竞争力。根据研究的需要，本文使用到了UG自带的人体建模模块。基于该工程建模模块，使用者可以在行业—人体选项面板中通过设置合适的人体建模参数，生成对应的人体骨骼模型。如图5所示，可以将人体抽象为小平面体，绿色的小平面体代表骨骼（与连杆类似），红色的小平面体代表关节，这样就得到了较好的人体模型骨架。

3.5 "新形态雕塑人物模型数字重构

三维数字造型法最典型的应用软件是Zbrush这款较为流行的数字雕刻工具，将需要重构的模型在软件中打开，并进行相应的数字化重构的操作主要包括了两个步骤。

3.5.1 "新形态骨骼模型的动作调整

在三维空间坐标中对比两个模型的差异，可以清晰地看到骨骼模型和民间人物雕塑原型在位置和角度的不同，接下来需要用到的是局部特征旋转的办法，将雕塑模型进行局部旋转，达到雕塑模型与骨骼模型动作相一致的效果。以上扬手臂动作特征为例，具体操作步骤为：首先将民间人物雕塑模型三维旋转坐标旋转基准移动至骨骼模型手臂与实体模型手臂交汇处，然后激活实体雕塑图层，并转动三维坐标，让实体雕塑的手臂与骨骼模型的手臂相重合，如图6所示，从而实现肢体特征的旋转变换。按照这样的方法，依次可以完成对头部、腰部、背部、腿部各处身体部位的形态的重构。

3.5.2 "模型细节纹理重构

完成模型的形态重构后，由于局部特征的旋转，会导致民间人物雕塑肢体部位连接处的表面发生畸变，在完成对民间人物雕塑原型手臂的形态调整后，手臂与身体部分明显产生了不光滑过渡表面，因此需要做进一步细节方面的处理。这里Zbrush中提供了平滑笔刷和各种雕刻笔刷，可以将畸变的模型表面进行光滑处理或者重新赋予细节特征，进行细致的纹理刻画和还原，如图7所示，最大程度上保持雕塑原本的风格特征。

3.6 "小比例模型的打印验证

1） 参数选择。根据试验对象《打鼓少女》的外形特征来选择打印参数，为了保证打印效果，应从怎样使雕塑的人物特征、服饰特征能有一个较好的表达这个角度出发，从优选择打印参数。具体参数选择为：由于需要充分体现细节特征，因此打印层厚选择设备最小层厚0.1mm来保证打印精度；由于《打鼓少女》雕塑的性质是工艺品，抗强度冲击性要求不高，在保证外观完整的情况下，可以选择13%的填充密度；喷头的移动速度与作品的表面质量成反比，打印时选择较慢的打印速度来保证表面的连续性；由于衍生后的雕塑造型悬空部分较多，因此打印支撑角度初步设置为至少60°，根据后续打印质量再进行调整，打印参数如表4所示。

2） 实物模型打印。首先需要将打印文件进行格式转换，将Zbrush中完成的打鼓少女雕塑数字化模型格式更改为STL格式，并将其导入通过增材制造设备进行打印前的参数设置，最后使用软件UPstudio根据合适的参数进行增材制造，最终得到如图8所示的实体模型，模型的表面纹理特征完善，曲面光顺。

3.7 "新形态模具的制作

在完成小比例模型实物验证的基础上，为满足新形态雕塑的批量生产，需要进一步制作其负模，这里仍然采用增材制造的方法进行其负模模具的制作，不同的是打印时采取的打印材质为软性TPU材质，来达到类似硅胶模具的效果。利用雕塑相关的专业知识，结合对最终民间人物雕塑的后期模型特点进行模具划分和分块打印，最终就可以得到民间人物雕塑《打鼓少女》的新形态实物负模模具。

4 "结 "论

本文通过对数字化民间人物雕塑的新形态模具设计方法的研究，从保护民间人物雕塑、传承和弘扬民间文化的角度出发，围绕民间人物雕塑数据采集、动作特征提取、数字创新等方面，对民间人物雕塑案例《打鼓少女》进行了详细研究。在对民间人物雕塑完成数据采集和曲面重构之后，结合人体姿态估计技术研究方法对民间文化进行了动作特征提取，并在此基础上提出了运动仿真法和形态重构法来进行新形态雕塑模型的设计。最后，利用增材制造技术完成了新形态雕塑实体及其模具的实物制作。通过试验发现，利用数字化设计技术的手段来进行新形态人物雕塑模型设计和制作，整个新形态模具研发过程全部利用计算机进行，这能够将传统民间人物雕塑7d的模具制作周期缩短到2～3d完成，极大地提升了民间人物雕塑作品制作的效率、优化了工艺流程，达到了预期的试验效果。

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基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目：民间人物雕塑形态衍生的创新设计研究（编号：22JK0368）。

作者简介：白榕，副教授，主要从事数字化设计与制造方面的研究。

（神木职业技术学院，陕西 "神木 "719300）