一种无骨花灯数字化设计与制作方法

技术领域

本发明属于无骨花灯工艺技术领域，尤其涉及一种无骨花灯的立体模型及其表面图案的数字化设计与制备方法。

背景技术

针刺无骨花灯工艺作为一种重要的传统手工艺，2006年被列入国务院第一批中国非物质文化遗产保护名录。针刺无骨花灯的制作方法是通过折叠粘贴的方式，在无骨架的情况下，将纸张折成灯具并刺出孔状图案。针刺无骨花灯在各种传统庆典中有着广泛的应用，因由单一材料制作，成本低和环境友好的绿色环保可持续的概念而受到青睐。

然而，该项传统工艺需要复杂的手工制作过程和手工艺者数年积累的技能经验，尤其是手工绘制图案、手工针刺图案十分耗时，其较低的生产效率限制了其日常使用价值，对比现代制造的高效，传统手工艺人正在不断减少。

此外，传承于传统的针刺无骨花灯的美学造型，很难适应于现代生活美学，而知晓现代美学的设计师也因不熟悉传统工艺，很难针对针刺无骨花灯工艺进行设计创新，从而限制了针刺无骨花灯在现代生活的普及。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种无骨花灯数字化设计与制作方法。

这种无骨花灯数字化设计与制作方法，包括以下步骤：

S1、构建或直接获取无骨花灯立体造型的三维模型；

S2、将步骤S1获得的三维模型简化为三维多面体模型，或通过模型库获得待还原的三维多面体模型；将步骤S1获得的三维模型导入参数化工具，通过参数化工具调整生成的网格面；

S3、设定单一网格面的图案参数，将单一网格面的图案以点状形态映射到三维多面体模型的各个面上，通过参数化工具调整每个面上孔的密度、大小和范围来改变点状形态的大小；

S4、将步骤S1至步骤S3得到的带有孔状图案的立体模型展开为平面件；参数化工具提供了色彩匹配和编号标注功能来组装切割后的模型；

S4.1、色彩匹配：立体模型首先会被切分为数个部分，并且每个部分将会通过参数化工具分配一种颜色以作区别将整个立体模型分成多个子模型，每个子模型展开为一个平面件；

S4.2、编号标注：生成的平面件包含了面和折叠边，而面和边通过各自的编号标注来辅助折叠；面的标注在面的中心，边的标注在边的中点处，标注由两部分数字构成；对于面而言，面的标注第一部分数字代表对应的平面件索引，第二部分数字代表该面的索引，第二部分数字表示了该面是该平面件的第几个面；对于边而言，边的标注第一部分数字代表该边随后粘连的边所在的平面件索引，而边的标注第二部分数字代表该边随后粘连的边所在的面索引；

S5、根据步骤S4中的色彩匹配和编号标注将多个平面件折叠、粘贴、组合得到最终具有孔状图案的立体造型。

作为优选，步骤S1中构建无骨花灯立体造型的三维模型时，采用三维建模软件进行构建。

作为优选，三维建模软件包括rhino、solidworks、fuse3D、alias。

作为优选，步骤S1中直接获取无骨花灯立体造型的三维模型时，通过三维扫描仪从实体扫描获得，或通过模型开放平台下载获得。

作为优选，步骤S2中获得三维多面体模型时生成的网格面数量为100个。

作为优选，步骤S2中的参数化工具为Grasshopper。

作为优选，步骤S3中设定单一面的图案参数时，先导入单张图片并取样，以导入的图片中每个像素为圆心生成直径不同的圆；每个像素所在点的圆的直径大小由灰度值的数值决定：由参数化工具内的图像采样器获取每个点的灰度系数；同时获取所有灰度值的最小值和最大值；在参数化工具中输入最小圆直径与最大圆直径；然后利用参数化工具中最小圆直径与最大圆直径的区间映射，将前面每个点的灰度值按照最小圆直径与最大圆直径的区间映射得到新的灰度值，将新的灰度值数值作为该点圆的直径。

作为优选，步骤S3中设定单一面的图案参数时，先在面上随机生成设定数量的点，并分别以各点为圆心生成圆；各圆的直径由各点距离该面中心的距离决定：首先获取每个点到该面中心点距离，并得到最大距离极值和最小距离极值；接着使用区间映射将各距离映射到[circleDiameterMin,circleDiameterMax]区间上的对应的值，将该值作为该点对应的圆的直径，其中circleDiameterMin表示提前在参数化工具中输入的最小圆直径，circleDiameterMax表示提前在参数化工具中输入的最大圆直径。

作为优选，步骤S5中多个平面件通过胶水进行粘贴、组合，或通过被切割面外延边缘设置的拼插结构进行拼插组合。

本发明的有益效果是：

针对现有工艺技术不足，本发明提出了一种计算机辅助设计方法，旨将传统针刺无骨工艺提取为计算机算法并应用于建模软件，通过分析软件中用户自己建立的模型和图案，生成所要立体成型的材料并进行拼接。本发明中的平面组合成型方法主要适用于可被切割、具有一定硬度的薄片，如卡纸、水粉纸、油画纸、羊皮纸、牛皮纸、薄木片等。本发明适用于灯具设计，孔状图案可以丰富灯光效果。本发明同样适用于具有立体造型需求的产品，例如个性化包装、造型摆件等。

与现有技术相比，从设计与制造效率来说，本发明利用计算机编程的辅助和激光切割机降低初学者入门的学习成本和制作难度，将立面结构变化复杂的3D模型展开并转换成2D平面，以便激光切割和制作，减少了生产制作中重复性强的繁琐流程，本发明融合了智能制造与传统手工艺，大大提升了制造效率。

与传统工艺灯笼的美学设计相比，本发明的数字化制作方法提供了更加丰富有趣的模型和定制图案的机会，符合用户的审美，创建不同的个人信息载体。基于该制作方法设计出的用户界面操作便捷，可用于自主定制花灯的颜色、尺寸、位置和形状等，提高形状、图案等视觉表达的设计空间；此外，用户参与创意设计、手工装配的过程、体验制作的交互乐趣的方式不仅极大地强化了个性化表达和信息的可视化，也为传统手工艺制作开拓了新的可能性。

附图说明

图1为本发明的无骨花灯数字化设计与制作流程图；

图2为构建得到立体造型的三维模型图；

图3为将三维模型简化后得到的多面体模型图；

图4为对多面体模型加图案后得到的模型图；

图5为将加图案后的立体模型展开为二维平面时的效果图；

图6-1为实例1的平面效果图，图6-2为实例1的立体效果图；

图7-1为实例2的平面效果图，图7-2为实例2的立体效果图；

图8-1为实例3的平面效果图，图8-2为实例3的立体效果图；

图9从左至右依次为构建的立体模型图、立体拆分模型图、部分拆分模型平面标号示意图、标号放大示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例一

本申请实施例一提供了一种如图1所示无骨花灯数字化设计与制作方法：

S1、采用三维建模软件构建如图2所示无骨花灯立体造型的三维模型、通过三维扫描仪直接从实体扫描获取无骨花灯立体造型的三维模型或通过模型开放平台下载获得无骨花灯立体造型的三维模型；三维建模软件为rhino、solidworks、fuse3D、alias等；

S2、将步骤S1获得的三维模型简化为如图3所示三维多面体模型，或通过模型库获得待还原的三维多面体模型；将步骤S1获得的三维模型导入参数化工具(Grasshopper)，通过参数化工具调整生成的网格面；网格面越多，精度越高，然而切割与组装耗时也越多；较复杂的三维多面体模型时生成的网格面数量为100个；

S3、设定单一网格面的图案参数，将单一网格面的图案以点状形态映射到三维多面体模型的各个面上，通过参数化工具调整每个面上孔的密度、大小和范围来改变点状形态的大小；此外，参数化工具支持可视化立体模型预览，辅助用户生成满意的个性化花灯；得到如图4所示加图案后的模型；

单一面的图案设计基于参数化方式生成，设定单一面的图案参数时，先导入单张图片并取样，以导入的图片中每个像素为圆心生成直径不同的圆；每个像素所在点的圆的直径大小由灰度值的数值决定：由参数化工具(Grasshopper)内的图像采样器(电池【ImageSampler】)获取每个点的灰度系数(在0～1之间)；同时获取所有灰度值的最小值(greyScaleMin)和最大值(greyScaleMax)；在参数化工具中输入最小圆直径(circleDiameterMin)与最大圆直径(circleDiameterMax)；然后利用参数化工具中最小圆直径与最大圆直径的区间映射(电池【Remap Numbers】)，将前面每个点的灰度值按照最小圆直径与最大圆直径的区间映射得到新的灰度值，将新的灰度值数值作为该点圆的直径，生成的圆是最终花灯的灯孔。

设定单一面的图案参数时，另一种解决方案为：

先在面上随机生成设定数量的点，并分别以各点为圆心生成圆；各圆的直径由各点距离该面中心的距离决定：首先获取每个点到该面中心点距离，并得到最大距离极值(distMax)和最小距离极值(distMin)；接着使用区间映射(电池【Remap Numbers】)将各距离映射到[circleDiameterMin,circleDiameterMax]区间上的对应的值，将该值作为该点对应的圆的直径，其中circleDiameterMin表示提前在参数化工具中输入的最小圆直径，circleDiameterMax表示提前在参数化工具中输入的最大圆直径，生成的圆即是最终花灯的灯孔。

S4、将步骤S1至步骤S3得到的带有孔状图案的立体模型展开为如图5所示平面件，平面件的数量取决于模型的复杂程度；参数化工具提供了色彩匹配和编号标注功能来组装切割后的模型；

S4.1、色彩匹配：立体模型首先会被切分为数个部分，并且每个部分将会通过参数化工具分配一种颜色以作区别，辅助用户辨别各部分的细致造型；而这各个被分配颜色的部分将会被展开为平面件，各平面件的模样即是最终用户在切割机中得到的切割品模样；将整个立体模型分成多个子模型，每个子模型展开为一个平面件；可根据色彩匹配迅速得知切割得到的纸片对应的子模型部分，以及待折叠拼装的形状；

S4.2、编号标注：生成的平面件包含了一系列的面和折叠边，而面和边通过各自的编号标注来辅助折叠；面的标注在面的中心，边的标注在边的中点处，标注由两部分数字构成；面和边的标注所代表含义有所不同，对于面而言，面的标注第一部分数字代表对应的平面件索引，第二部分数字代表该面的索引，第二部分数字表示了该面是该平面件的第几个面；对于边而言，边的标注第一部分数字代表该边随后粘连的边所在的平面件索引，而边的标注第二部分数字代表该边随后粘连的边所在的面索引；依靠这一类方法，用户即可有效地组装花灯；

S5、根据步骤S4中的色彩匹配和编号标注将多个平面件折叠、粘贴、组合得到最终具有孔状图案的立体造型(通过胶水进行粘贴、组合，或通过被切割面外延边缘设置的拼插结构进行拼插组合)。

实施例二

在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了实施例一中无骨花灯数字化设计与制作方法在现实中的应用：

根据下表1中的参数，按照实施例1中的方法，依次构建如图9所示的立体模型图、立体拆分模型图、部分拆分模型平面标号示意图、标号放大示意图。设计并制作无骨花灯；其中：实例1的平面效果图如图6-1所示，实例1的立体效果图如图6-2所示，实例1的灯具使用效果图如图3所示；实例2的平面效果图如图7-1所示，实例2的立体效果图如图7-2所示；实例3的平面效果图如图8-1所示，实例3的立体效果图如图8-2所示；

表1无骨花灯设计与制作参数表