钦松 石亮亮 薛艳敏
关键词：耀瓷牡丹纹饰 参数化设计 数字图案生成 纹饰重构 3D金属打印
引言
耀州窑从最初的唐代创烧逐渐演变为华夏乃至陕西特有的凝炼形态，成为历史陕西稳定性和连贯性的文化视觉符号，耀瓷器物形态引导着封建王朝的秩序和规则，用纹饰图案解读地域文化的良造和淳善[1]。耀州窑素以精湛独特的装饰艺术而著称，在上千年的历史发展中，由于其广泛的题材，自由灵活的构图方式和丰富多样的装饰技法，形成了耀州窑变化多样的构图形式。其出众的空间纹饰的艺术风格也迥异于其他重釉色轻纹饰的中国历史名瓷，为耀瓷装饰艺术增添新了魅力与内涵，成就了古代陶瓷装饰艺术的典范[2]。
目前对耀州瓷艺术的研究，一般趋向于传统复古研究，但由于过于注重仿古，忽视吸收和创新，因而其产品体系会趋向保守自封，在新的数字陶瓷时代更是踌躇不前，这不仅是耀州瓷面临的问题，也是中国其他各大名瓷所面临的窘迫现状。“知者创物，巧者述之，守之，世谓之工”当下陕西传统文化正在随时代变化而产生新的生机，耀瓷文化基因同样在新时代的审美中孕育和发展[3]。数字陶瓷时代的开启，无疑会提供一个很好的契机。耀州瓷的数字化的发展，从数字陶瓷应用、控制和评价耀州瓷的角度上，不但需要重新挖掘了传统工艺的潜在传统美学，而且释放了在传统思维下的隐性因素，提高了对传统工艺的认识，这显然是一个相得益彰的结果。
一 、传统文化的参数化应用现状
参数化设计是一种通过计算机可视化编程构建设计逻辑，输入可量化的设计参数进行求解，进而产生相应设计结果的新型设计方法，其最大的特点在于设计参数的变化可以实时反馈到最终的求解结果中，因此可以在短时间内生成大量设计方案进行对比分析，从而产生更新的设计形式和更加优化的设计方案。相比于传统的设计方法，参数化设计更加严谨、科学、高效且设计过程更为复杂，是依托于现代计算机辅助技术的发展和满足实际设计需求而产生的，符合当下的设计趋势，整个设计过程得以以数学逻辑的形式在计算机上体现出来，通过程序算法控制参数与求解结果的联动关系，是一种动态稳定的可持续设计过程，改变了传统设计过程不可逆的特点，简化设计流程，推进了设计的衍生[4-5]。
参数化设计最初多应用于建筑设计行业，后由于其设计过程具有更高的可控性而逐渐应用于其他设计领域。目前，参数化设计也逐渐成为了传统文化元素设计转化的重要数字工具。例如，殷晓晨将参数化设计方法应用于平面纹样的设计中，构建了几何纹样的参数化设计方法与流程，并通过设计案例证明了其可行性，为纹样设计提供了一种新思路[6]；
李至惟针对中国传统的云雷纹饰，利用参数化设计手段构建了数学模型，为设计师提供了一种参数化云雷纹设计与生成方法[7]；
张嘉靖通过提取曼荼罗唐卡图案中的三种纹饰元素的几何特征，并结合手绘曼荼罗的层次结构构建了参数化设计模型，生成了曼荼罗图案多样化的设计方案，为现代艺术设计中使用的曼荼罗样图案提供了参考[8]；
V. Stamati运用参数化设计原理，针对传统金银丝珠宝的设计建立了参数化的珠宝图案数据库，并开发了名为ReJCAD的软件设计工具，为传统珠宝的设计制作提出了一种计算机辅助设计的新方法[9]。作为数字化时代的一种新型设计方法，参数化设计已经得到了更多的关注和发展，并逐渐应用到多个领域中，为未来的设计带来了无限的可能性。
二、耀瓷牡丹纹样的构图方式及特征分析
牡丹素有着富贵吉祥的寓意，自古以来被人们视为是繁荣昌盛，富贵吉祥的象征，深受社会各阶层的喜爱，牡丹纹饰在历史上应用广泛，并且装饰性明显，广泛应用于耀瓷，是耀瓷标志性的纹饰之一。耀瓷的牡丹纹饰始于南北朝，盛于唐宋，延续至元。耀州窑牡丹纹饰主要有独枝牡丹、折枝牡丹、缠枝牡丹等，多以对称、充盈的方式装饰器物，不仅继承自然纹饰呈现了花繁叶茂，生机盎然的视觉美学，在一定程度上也突破了自然形态对构图的约束，形成了变化多样的构图样式，如图1所示。独有的构图获得层次清晰，丰富且多变的装饰效果，淋漓尽致地刻画出了缤纷盎然的牡丹世界。也让耀瓷的牡丹纹饰具有超越时空的特性，不仅璀璨于五代、宋、金时期，即使到了数字时代依然可以世代绵延，成为数字创新的源泉，为当下数字纹饰的拓展了新的空间。
（一）独枝式样
独枝式往往以一枝牡丹为主体出现，牡丹呈“S”形茎干生长方式的排列在画面中心，花叶环绕四周用来装饰。这种以单独主体结构向四周生长的类型可以归类为独枝式。独枝式极具耀瓷刻花构图的代表性，“S”形牡丹筋脉线条轨迹鲜明、遒劲有力、犀利通畅，以一枝独秀的方式展示牡丹的流畅洒脱。
（二）折枝式样
折枝牡丹依據牡丹花叶自然生长的态势，以客观写实的描述手段构图，多以两枝牡丹交错为一组，花茎曲线流动自然相互缠绕，花首相互对称，叶片布局排列婀娜多姿、疏密有致，交织呈现一种类似于“Y”字型构图。
（三）缠枝式样
缠枝牡丹突破单一牡丹的形式，构成丰富多彩的复合式样式，其特点是牡丹的茎干蜿蜒曲折，并汲取卷草纹等图形的波状组织框架，以藤蔓交织花叶穿插的连续形式出现。这种满视觉的复合图案常常用于耀瓷的立式和大型器物造型，大多会依据枝蔓的“S”形花纹走向，连续生成二方连续甚至是多方连续的适合纹样，这种彼此相互重叠产生连续的视觉空间效应，交织成为华丽多样的复合图案并随着器形的体形而延伸，使得装饰的器物呈现画面饱满，富有生机活力的视觉效果。
耀瓷牡丹纹饰源于现实牡丹，牡丹属于毛莨科芍药属植物。虽然耀瓷牡丹纹饰艺术效果看似线条富有张力，繁复华丽，其实内有规律符合牡丹生长的自然习性，有迹可查。图2步骤图为双刀刻缠枝牡丹纹饰笔筒，是由陕西省工艺美术大师孟红娟老师刻制。刻花牡丹先用铅笔描画定位，然后用竖刀刻花出花头、主筋脉和花叶，再用斜刀剃刻，剃刻后再用铁制的刀具做篦纹，打篦纹做装饰，最终上青釉烧制完成。孟红娟老师现场刻花的作品极具耀州窑代表性，竖刀开路，斜刀削剔，线条和线条之间的穿插、排列及组合，不仅刻花技法呈现刀锋圆活的动感，也使得整幅画面主次分明、生动流畅。
总结牡丹纹饰的刻花思路，首先刻画出雍容华贵的牡丹花头，重点以牡丹茎干为主曲线进行整画面布局，然后依据主路径延伸出数个单头牡丹或多朵牡丹纹样并辅以枝叶，如果画面还有空白空间，可以用辅助花头或者叶子“填满”。这种观察视角有利于从繁复的耀瓷牡丹纹样中厘清刻花的线性轨迹，也为下一步的数字化模拟生成提供了关键支撑。
三、参数化设计方法研究
数字科技的飞速发展产生了新的设计方法，不仅为传统文化提供了新的设计思维、沟通体验，也带来了新的表现手段。参数化设计相对于陶瓷传统手工艺是一种全新的设计思维与制作方法，能够突破传统思维的限制，可以将其中隐含的本土化美学秩序有效进行转译，从而生成新的器物形态、纹饰式样、构图类型、工艺逻辑等因素的数字陶瓷语义。
（一）传统耀瓷刻花工艺与参数化方法的关联
通过分析牡丹纹饰的构图原理和梳理刻花成型的步骤可以看到，耀瓷精致、繁复的纹饰蕴具有极强的规律性，在牡丹纹饰刻花过程中所运用的设计方式有迹可循。而参数化方式本身具有极强的程式特点，利用参数的方式完全可以达到对传统刻花手法生成的模拟，进而拓展成一种新式的耀州牡丹纹饰的数字纹饰。因此耀瓷牡丹纹饰刻花工艺与参数化设计方法有着紧密的相互关联，利用参数化设计手段的耀瓷，不仅具有规重矩叠、不失其本的传统耀瓷纹饰特征，也将会发展出别出机杼、焕然一新的新数字纹饰。
（二）袋鼠（Kangraoo）动态算法原理
Kangraoo作为一种能够进行模拟物理运动的算法，可以模拟自然界中为数众多的物理作用，从而帮助设计师快速探索不同的结构形式。其工作方式是为每个顶点分配质量和速度，并为每个受力对象所作用的一组点计算和施加力（例如弹簧的2个端点，或平面化力的4个顶点）。将所有作用在每个粒子上的力加起来，施加相应的加速度，然后重复一个阻尼项，使系统达到平衡。确定约束的空间，使用加权弹簧和碰撞空间系统来平衡生成需要的网络，不断运动的原因是力和受力距离的设定值大于网格到基准线形的距离，所以点会在范围内多方影响进行运动，进而形成图形。整个图案会产生弯曲的形状，并具有优雅自然的外观，其核心原理，如图3所示。Kangraoo这样的动态算法具有和耀瓷牡丹纹饰刻花工艺相近的生成逻辑，因此采用Kangraoo并匹配相应的参数，对主要生成路径进行有目的发散，并对发散的边界进行约束，进行耀瓷牡丹纹饰的模拟，并积极拓展出新的数字纹饰。
（三）参数化设计流程
参数化设计方法的一般流程在不同领域有一定的差别，但其内核完全一致，主要包含三个主要部分：（1）将设计影响因素参数化。这一部分需要设计师来依据设计目标确定与设计相关的因素，通过人为收集分析相关信息和约束条件进而合理的转化为设计参数并导入计算机中。（2）建立参数之间的数学逻辑关系，这里数学逻辑关系是不同参数转化为最终设计结果的关键，也是参数化设计过程的核心运算法则，参数关系的建立需要借助于计算机辅助软件中的各种算法工具，通过为不同的参数建立合适的算法程序并整合在一起，最终形成了原始的算法模型。（3）输入参数并运行参数之间的数学逻辑关系建立参数化模型，设计参数经过设计算法模型的转化，最终形成了可调控的设计方案模型[10-11]。其中如何建立参数之间的数学逻辑关系是最为核心的部分。具体到陶瓷参数化设计的方法，则需要首先将陶瓷设计的各种要素都转化为以数字表示的参变量，借助Kangraoo算法建立参数逻辑关系，其次通过调节各个参变量的数值改变陶瓷形体及纹饰，获得不同的设计方案，最后通过对比优选确定最终的设计方案。参数化耀瓷设计过程中需要获得精确、可控的各种要素的参变量数据，Grasshopper等软件可以将一些约束条件，比如器物形态、纹饰式样、构图类型、工艺逻辑等因素转换为参数变量。通过Kangraoo算法可以获得流畅多变、复杂交错的形态，形成带有差异性和自相似性的数字纹饰来契合耀州窑传统文化，如图4所示。
四、陶瓷茶滤器设计方案
耀瓷在历史上大多以茶器等实用器皿的形式出现，因此选用茶文化衍伸的茶滤器产品作为方案验证的载体。茶滤器体积不大，但是玲珑精致的茶滤器可以轻易满足基本泡茶的需求。根据图4参数化设计流程，首先通过对耀瓷器物纹饰研究提取出6种不同的牡丹纹饰原型作为生成路径，利用Kangraoo算法生成多种参数化平面纹样，然后建立茶滤器的造型原型，并将生成的二维图形贴合至模型上，实现平面纹样的立体化，随后再对立体模型增加泰森多边形肌理豐富其产品效果，形成完善的设计方案，最终采用3D金属打印的手段制作验证。
（一）二维图像生成
利用Kangraoo算法在约束条件下的物理运动模拟中，将其运行进程中某一个固化阶段截取下来，选择进化过程中的某一帧画面作为生成完毕的二维图像定格下来，最后选择合适的二维图像作为三维转化的基础。参数化设计的一个明显特征就是具有可控不可知的生成结果。但是这种提取其中的参数因子进行转译不是传统风格与符号的简单模仿、拼贴与借用、而是将传统意境产生的形式美和参数控制结合在一起。这种结合后可以产生更加多样的空间几何形态，从而呈现出更加丰富的视觉表达效果，进而生成了与耀州窑传统文化相关的新语汇。
首先，根据耀瓷大多以圆形器物为主的传统，确定以外部线为单体网格面做约束的空间。然后依据分析及提取牡丹纹饰的关键生成路径，确定6种形态类似但内部不相同的曲线作为参数化的生成路径。以内部的曲线为基准线形，在保留形态的同时，重建曲线并增加曲线的控制点数量。然后使用力学平衡形式来模拟传统耀瓷刻花的生成方式，将每一个重建的曲线控制点添加力和控制距离，使点在互相的作用距离内不断地进行运动，而运动的范围一直在网格限制区域内，所以在动态成型过程中会源源不断产出由于力的控制导致控制点不断运动而牵动的不断形变的复杂曲线，最终从中截取需要的图形作为后续设计的纹饰图案，如图5、6分别为使用的Kangraoo算法电池图以及6种不同内部曲线通过Kangraoo算法生成的动态二维图案。
（二）二维图形转换立体肌理
在图案提取的步骤中通过算法得到了平面纹样，将其贴合到茶滤器的造型曲面上生成立体的效果，即完成图案从平面到立体化的过程。在Rhino软件中简单地通过投影曲线至曲面上的方式显然难以达到满意的效果，因此需借助Grasshopper中的Map To Surface（曲面贴合）功能实现平面图案的曲面贴合，但也在屡次尝试中发现曲面的形态和建立方法也会对图案贴合的效果造成影响。比如简单的球形、椭球形的曲面并不适合图案的贴合，容易导致图案变形，除此之外，通过旋转而生成的曲面也会改变花纹的走向。经过笔者多次尝试，发现水滴这样在造型上偏细长圆润和有过渡变化的曲面造型更适合图案贴合，从平面生成的立体效果有着自然生长形态的视觉效果。实现了平面图案的立体化之后，通过Dendro插件的功能从曲线生成为有厚度的实体，得到了具有美感的镂空花纹外壳，如图7所示。
（三）增加泰森多边形肌理
通过叠加算法，丰富产品造型，并加强产品使用功能。在上文图案提取的步骤中通过改变算法的约束条件来生成复杂的平面纹样，并将其立体化贴合到曲面上之后，得到的是具有扩散盛开的形态纹理的镂空外壳，但作为茶滤器的设计来说，从功能角度考虑，其镂空部位数量较多且空隙较大，并不能起到盛装和过滤茶叶的作用；
从造型设计方面考虑，目前的镂空造型性的较为单薄，视觉效果不足。因此，对目前的初步设计方案模型加入泰森多邊形算法，可以对茶滤器表面镂空部位进行适度的填补，同时也会为其表面添加丰富的参数化肌理效果，不仅丰富了产品的外观造型给人以愉悦的视觉体验，还使其从力学结构上更为稳定，形成最终的设计方案，如图8所示。
（四）3D金属打印制作
3D打印技术是一种增材制造技术，是通过对已建立的三维数字模型切片并规划路径之后，再通过材料堆砌的方式层层堆积最终形成实体模型。参数化设计的特点致使最终的设计结果变得更为复杂，而对于这类较为复杂的产品形态来说，其生产制造更适合采用3D打印技术。金属3D打印是采用金属粉末作为原材料的3D打印技术，成型工艺较为丰富，针对泡茶器的模型制造，可以采用选择性激光熔融（SLM）的金属3D打印工艺，相比其他类型的金属打印方式，选择性激光熔融（SLM）制造出来的金属零件具有更高的尺寸精度和致密性、力学性能，表面也更为光滑，适合用于制作此类结构简单但形态复杂的产品[12]。
考虑到产品实际使用时开合的状态以及加工制造上的难度，茶滤器在结构上设计了适合一体打印的内部旋转卡合方式。为方便旋转开合将上下两部分配合的边缘处由自然的弧度改成水平，以便于加工制造和装配使用。材料上选择316金属粉末使用SLM100设备进行3D打印。最终获得如图9的实体金属产品。通过实验表明，文章提出的方法能够有效地通过参数化生成的手段得到数字耀州窑纹饰，并且在新纹饰的一致性、平滑性和美学等客观指标上获得预期目标。
结语
文章提出了一种基于传统耀州瓷牡丹纹饰的参数化图案梳理、转化、生成的设计方法。利用参数化设计手段，结合Grasshopper编程软件的Kangraoo的动态算法，模拟传统耀瓷刻花的方式生成新的数字图案，进而投射到三维形体上，形成可视化肌理。最终利用3D金属打印的方式，完成参数化设计及制造的数字过程，验证了利用参数化重新设计生成传统耀瓷植物纹饰的可行性。研究结果表明耀瓷牡丹纹饰在数字技术条件下可以衍生出更丰富新颖的表现形式，审美和实用功能得到升华，也体现出鲜明独特的耀瓷文化个性。数字耀瓷在不断的技术发展和形态进化的过程中，在继承传统陶瓷美学理论的基础上也将会演变为一种新的数字美学形式，为中国其他历史名瓷突破瓶颈提供了宝贵的经验。
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