三維成型在藝術設計實踐教學中應用研究探討

楊一桐，朱利

（1.東北大學 計算機科學與工程學院，國家級計算機實驗教學示范中心，遼寧 沈陽；2.東北大學 藝術學院，遼寧 沈陽）

設計是人類創造活動的基本范疇，是改變客觀世界，使其變化、增益、更新、發展的創造性勞動，是構想和解決問題的過程?；A的設計包括產品設計（工業設計）、視覺傳達設計、染織服裝設計、環境藝術設計（室內設計、景觀設計、展覽展示設計）這四大主導專業[1]。藝術設計的學科范圍是不固定的，涉及到社會、科技、人文等諸多方面的因素，一直處于動態變化之中，這導致設計范圍也在不斷擴展，其審美標準也隨著設計范圍的變化而改變。

三維成型的相關技術包括3D打印技術、三維激光雕刻技術、三維掃描與逆建模等。3D打印技術又稱為增材制造技術，由于其靈活性和低成本，目前廣泛應用于醫療、機械、航天等各個領域的小型模具設計和創新項目研發。三維激光雕刻技術以數控技術為基礎，激光作為加工媒介。加工材料在激光照射下發生瞬間的熔化和氣化的物理變性，從而達到加工目的[2]。三維掃描是一種結合結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的復合三維非接觸式測量技術[3]。它采用的是白光光柵掃描，以非接觸三維掃描方式工作，全自動拼接，具有高效率、高精度、高壽命、高解析度等優點。逆向建模將三維掃描的點云數據進行降噪處理通過建模軟件在3D環境中重建三維模型?；?D打印、激光雕刻、三維掃描與逆向建模相結合的三維成型實踐可以充分利用先進的設計制造技術實現個性化模型的創意設計?，F結合藝術設計實踐教學現狀及藝術類三維成型實踐教學中存在的問題進行分析梳理并提出解決方案。

一 基于云平臺的三維成型實踐教學體系

在藝術設計實踐教學改革中，為解決上述藝術類三維成型實驗室存在的相關問題，依據教學大綱、教學培養方案，對藝術設計專業實踐教學課程進行了設置。自2018年底我校實驗室中心化改革完成，實驗中心陸續引入不同級別的3D打印機、激光雕刻機，三維掃描儀進而應用于藝術設計相關專業實驗教學課程中。引入設備的同時對實驗室開放形式，實驗教學內容、教學方式和考核機制等進行調整，不僅有利于培養學生扎實的藝術設計理論基礎知識和技能，掌握先進技術，而且能激發學生開展相關領域研究的興趣與潛能。

（一） 基于云平臺的三維成型實驗室--開放體系

基于云平臺的三維成型實驗室開放體系是依托實驗中心已有的設備資源，借助信息互聯網技術構建的實驗室遠程控制操作體系，其可以實現線上實驗項目的預約、線上作品提交，三維模型上傳下載、作品分享展示等作用。如圖1所示，包括儀器設備、實驗內容、實驗項目、具體應用、模型庫、考核體系和開放方式等部分。

圖1 三維成型實驗室開放體系結構圖

三維成型實驗室目前可以完成三維建模，逆向建模，激光浮雕，三維掃描，3D打印等多類實驗。為使實驗室更具靈活性開放性，使有興趣參加實驗的學生不受專業、年級、時間限制，實驗室面向全校學生實行周一至周日全天開放。學生基于三維成型云平臺可以靈活選擇申請相應設備以及設備的使用時間，基于云平臺端的模型庫進行進一步的模型設計制作，同時可以將自己設計的符合實驗中心要求的3D模型、三維掃描逆向建模的模型上傳到三維模型模型庫中將自己設計的激光浮雕灰度圖上傳到灰度圖模型庫中。使云平臺端的模型庫與三維建模、逆向建模實驗、三維激光浮雕實驗項目形成雙向循環從而不斷豐富模型庫實現資源共享。

（二） 基于云平臺的三維成型實驗室--開放模式

為提高設備使用率，滿足學生實踐創新需求三維成型實驗室逐步實現7×24小時開放。三維成型實驗室的開放運營基于三維成型云平臺，學生通過線上預約，選擇實驗設備及實驗項目上傳三維模型，教師審核學生上傳的三維模型安排實驗時間及實驗設備，中心制作完成后期處理加工，學生領取成品。

二 將三維成型融入藝術設計實踐教學的探討

3D打印技術在藝術設計的應用，包括3D打印技術在景觀設計中景觀環境模型的搭建，以及在建筑設計方案的實施等方面。3D打印技術在視覺傳達專業的應用包括其在產品設計、包裝設計、非物質文化遺產的科學化保護等方向。3D打印技術有以下幾種，包括熔融沉積建模（FDM），選擇性激光燒結（SLS）、立體光刻（SLA）、數字光處理（DLP）等，這些技術可以很容易地制造任意復雜的3D模型。激光雕刻技術在藝術設計領域的應用包括公共藝術作品展示、傳統技藝的現代表達，電腦模型的立體呈現等。三維掃描及逆向建模在藝術設計中的應用,包括文物保護、產品設計、工業設計、非物質文化遺產保護以及建筑等方面。

基于三維成型技術在藝術設計專業的廣泛應用，在藝術設計原有的實踐內容基礎上引入三維成型相關技術。讓學生在掌握儀器設備的原理、構造、操作流程的同時結合藝術設計專業相關的三維成型軟件，比較不同制造模式的原理、材料、成型效果的差異，從而激發學生的創新能力。為此，設計了以下幾種實驗教學項目。

（一） 特色基礎實驗——基于3D打印的模型創意實驗

3D打印模型創意實驗是基于3D打印技術的應用研究，利用手工與3D打印機相結合制作環境設計模型：包括沙盤模型的制作，室內家具的制作，室內裝飾品的打印等內容。傳統的模型制作課程通過減材制造的方式完成，學生在制作模型的過程中缺乏對設計模型的全局認識。而基于3D打印的模型制作課程通過三維成型軟件設計建模能夠使學生在設計的過程中對設計方案進行全局的考慮和認識，并通過3D打印機直接打印成型，使設計方案以最直接的方式得以呈現。

學生通過了解和掌握3D打印機技術利用3D打印機進行模型設計制作，通過基礎理論學習、實際動手操作、案例分析、上機實驗等內容對學生進行室內外模型設計和制作的技能教育?；?D打印的模型創意實驗課程重點是學生進行3D打印所需模型設計的掌握、3D打印機的基本操作、3D打印模型制作的實驗。

（二） 綜合能力實驗——3D打印與三維激光浮雕對比

傳統工藝設計以減材制造為基本模式，以傳統的接觸式加工為主要方式，以木材紙張為基本原料。而基于3D打印的模型制作材料有：光敏樹脂復合材料、高分子粉末材料、石蠟粉末材料、熔絲線材料、FDM支撐材料等，最常用的光敏樹脂、PLA、ABS、尼龍、不銹鋼等材料。有別于傳統藝術設計材料，3D打印材料具有明顯的現代特征。而激光雕刻技術以傳統的紙張、木材、膠合板等為主要材料，以傳統的減材制造模式為基礎通過自動化激光處理使模型精度更高完成質量更好。激光雕刻包括線條雕刻和表面浮雕兩種，線條雕刻結合矢量圖像根據直線或路徑進行雕刻，表面浮雕是通過動態聚焦來實現的如圖六所示。三維模型文件以電信號的形式傳遞到激光雕刻軟件中，通過模/數轉換將電信號轉換成伺服電機上的模擬信號，根據三維模型中不同深度的電信號轉換成不同的模擬電壓信號，通過控制電機上三軸鏡片的前后移動使激光焦點移動從而實現動態聚焦[7]。

單純從理論上為學生講解上述兩種成型技術的原理、成型方式，特點等較為抽象，學生不能切實領悟先進技術及其應用范圍。因此在原有接觸式手工制作模型的基礎上通過運用三維軟件設計三維模型并引入3D打印機與激光雕刻機制作三維實物模型，對兩種制作方式從三維成型原理，成型方式和成型材料等方面進行對比，并讓學生親自操作儀器。通過親自動手調整參數及設計方案，不僅可以使學生掌握先進成型技術的操作使用技能，還能夠使學生更直觀、更深刻地了解兩種技術的原理、材料、特點及優缺點，以及適用的藝術設計方向，進一步加強學生的認知能力和藝術設計實踐能力。

圖2 3D激光雕刻機結構示意圖

（三） 研究創新實驗——三維掃描與逆向建模虛擬仿真實驗

逆向建模是通過三維掃描可以得到實體模型的點云數據通過相應的建模軟件得到三維空間模型的一種方法[8]。虛擬現實（Virtual Reality，VR）是可以創建模擬虛擬環境的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種交互式三維場景從而給人以環境沉浸感[9]。

通過設計三維掃描及逆向建模實驗可以實現對傳統非物質文化遺產、歷史文物等的逆向重建，運用虛擬仿真VR技術進行場景還原，從而實現對歷史遺產的科學化保護與研究。三維掃描與逆向建模虛擬仿真實驗的基本步驟如圖3所示。學生通過三維激光掃描獲取實物模型的點云數據，通過拼接、降噪、配準獲得點云模型，逆行建模BIM模型獲得構件的現實模型與場景，運用VR虛擬仿真實現場景的虛擬化呈現與還原。

圖3 三維掃描與逆向建模虛擬仿真實驗

三維掃描與逆向建模虛擬仿真實驗可以實現三維模型及場景的逆向虛擬化呈現，在充分調動學生的創造性的同時不脫離客觀物品。利用沉浸式體驗提供更直觀的質性感受，同時起到了對文物及非物質文化遺產等的保護與傳播。

三 考核機制

考核是實驗課程體系的重要組成部分，考核的目的主要是檢驗教學效果，調控教學活動逐漸完善教學體系，促進素質教育與人才培養。三維成型實驗教學以小組授課的形式完成，采用多元實驗考核體系，包括實驗素養、實驗準備、實驗過程、實驗結果、實驗創新五大部分，針對不同性質的實驗相應的參考評分分值有不同權重的調整。特色基礎性實驗側重掌握實驗基礎性內容，綜合能力性實驗在實驗過程實驗創新性方面有一定要求，而研究創新性實驗對于實踐創新性有較高要求。實驗展示以實驗報告、ppt答辯的方式綜合呈現，同時采用學生組內互評與教師考核相結合的方式，鼓勵實驗過程中的創新性表現。

四 結語

以3D打印為代表的三維成型技術與傳統的模型制造技術相比具有成本低、效率高、操作靈活、創新性強等特點，適用于現代化藝術設計多層次、復合型人才的實踐教學培養過程。本文構建了基于云平臺的三維成型實驗教學體系，對實驗室開放體系、開放形式、實驗教學內容、考核機制等進行了闡述分析。通過基于學生為中心任務為驅動的層次化實驗項目，有效促進了學生掌握綜合交叉學科解決問題的能力，夯實了學生的專業基礎，培養了學生的創新能力。面向現代藝術設計專業培養復合型人才的需求，將進一步探索更完備的三維成型實踐教學體系，更加注重復合型、創新型人才的培養，從而引導學生不斷探索新知識掌握新技能，為推動藝術類實驗教學的改革和發展培養藝術類綜合型創新人才貢獻力量。