关键词：计算机技术；数字化设计；CAD；设计；应用
Abstract:designtechnologyisavarietyofwaysandmeansthatweinthedesignprocesstosolvethespecificdesignissues.Traditionaldesignusingthestatic,experience,passive,manualmethods,thedesignefficiencyandaccuracyhasbeenunabletomeetthehigherrequirementsofsocialdevelopment.Computertechnologyinthedesignoflarge-scaleapplicationistheintegratedtechnologyonthebasedofthetraditionaldesigntechniqueinterdisciplinaryandmultipledisciplinesdevelopment.Alongwiththecomputertechnologydevelopment,scientific,dynamic,active,moderndesigntechnologydevelopmentandapplication,thedesignefficiencyandaccuracyaregreatlyimproved.
Keywords:computertechnology;digitaldesign;CAD;design;application
一、设计技术概述
设计技术是我们在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。传统设计我们采用的是静态、经验、被动、手工式的方法，其设计的效率和准确性已无法满足社会发展的更高要求。随着计算机技术的大发展，动态、科学、主动、现代化的设计技术不断发展和应用，使得设计的效率和精确性得到了最大程度的提高。计算机技术在设计中的大规模应用是在传统设计技术的基础上多专业和多学科交叉发展的综合性技术。现代设计技术由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术4个不同层次的技术所组成。基础技术主要指传统设计理论与方法。计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术。支撑技术则主要是可信式设计技术、试验设计技术和现代设计方法学。应用技术则是各产品领域的知识和技术。
二、数字化设计与数字化产品开发
数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域。数字化设计是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并在产品开发全程采用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。产品设计过程本质上是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程，其中包含了两种重要的活动：设计活动和仿真活动。因此产品设计也可以看作是一个设计活动和仿真活动彼此交织相互作用的过程。设计活动推动信息流程向前演进，而仿真则是验证设计结果的重要手段。2.1数字化设计的特点
1）实现并行设计一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，形成一个可完成强度、可制造性、成本和功能测试的完整的数字化模型。
2）设计过程中减少或避免实物模型的制造传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产―样机测试―修改设计”的过程，且需反复多次，这不仅耗费物力、财力，还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前，先进行计算机仿真分析与测试，排除[1]某些设计不合理性。2.2数字化设计技术及应用
（1）参数化、变量化、模块化设计
参数化、变量化技术也是配置设计和按定单设计的基础。产品设计大多数是从已有产品进化而来的，据统计，典型定单产品中的标准件、外购件或变型件占90%，全新零件只占10%左右利用参数化、变量化、模块化建模技术，可方便地修改设计，提高设计的效率，保证设计的质量和可靠性。CAD中的尺寸驱动法是利用参数化、变量化技术修改设计的有力工具利用广义相似理论，通过对功能单元、结构单元的重组可以获得不同结构形式的系列化产品（2）反求工程和快速原型技术复杂产品的模仿创新是一条减少风险投入，加快产品创新的有效途径。反求工程是利用某些测量方法（如三坐标测量、CT、核磁共振、自动断层扫描法等），在实测数据的基础上，重构产品三维数据模型的方法。快速原型技术是20世纪末期制造领域的重大突破，它直接利用CAD的离散数据，简单、快速、准确地将人的思想转化成功能原型或零件，淡化了设计与制造的界线。数字化的核心是离散化，快速原型技术通过产品数据的分层和离散，将材料按需要添加到零件上，通过对材料配比的变化及烧结路径的变化，可有效地控制零件的性能和变形。反求工程和快速原型技术的巧妙结合为加快产品开发过程和在实物原型的基础上，深入探讨和选择设计方案奠定了基础。
（3）虚拟产品开发方法
虚拟产品即存储在计算机内部的产品数据模型，亦称数字化原型或数字化样机（DigitalMock-up）。虚拟产品开发不是简单的数字化建模和仿真，它更强调虚拟技术的应用，通过虚拟现实的交互性，沉浸性和想象性达到虚拟产品开发环境的高速逼真化，并可对虚拟原型直接进行操作，产生身临其境的感觉。数字化样机是描述产品功能和行为特性的产品数字化模型，它支持产品的多学科优化设计及产品运动学、动力学和使用性能仿真，通过对模型的评估、测试和优化，可以预先了解相应物理样机的特性。随着虚拟现实技术的发展，在数字化样机的基础上提出了虚拟样机的概念，它更强调仿真技术和VR技术的应用，通过VR环境中人对虚拟原型的操作，可有效地发挥人的创造性，提高了概念设计和总体设计中的分析、决策能力。虚拟产品开发技术（VirtualProductDevelopment）是在信息技术、网络技术、仿真技术和虚拟现实技术基础上出现的最新数字化产品开发技术。虚拟产品开发是实际产品开发、制造、使用、维护在计算机上的本质表现，虚拟产品开发要求全面的产品数据描述和各种可视化的仿真工具及人机交互操作工具。数字化样机和虚拟样机技术不仅可以减少和替代部分实物实验，降低产品开发费用和缩短产品的研制周期，而且也是提高产品创新能力的有利工具。虚拟产品演示可以在一般计算机环境下进行，也可以在虚拟实境环境下进行，它不仅可显示产品的外观、内部结构以及工作原理，还可改变金属表面涂装的颜色和光泽，以及皮革的纹理等。虚拟产品既可用于设计交流，还可作为设计者与销售人员、销售人员与客户之间的交流。
三、CAD技术及应用
CAD技术的主要功能：零件造型、产品装配、产品渲染、动态显示、运动仿真；工程分析如有限元分析、优化设计、可靠性设计；绘制工程图样、编制物料清单等。
任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设计活动组成。这些活动既有串行的设计活动，也有并行的设计活动。目前，设计中的大多数活动都可以用CAD技术来实现，但也有一些活动尚难用CAD技术来实现，如设计的需求分析、设计的可行性研究等。将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程。CAD的真髓不是绘图，而是建模和仿真[2]。数字原型（DMU）就是在三维实体模型的基础上，将零件组装成数字化的虚拟产品。数字原型可用于检验零部件之间的装配关系[3]，以防止相互干涉，从而可进行运动仿真。数字原型可用于透视复杂产品的内部结构，从而可进行装配、维修等人机工程的研究。它还可用于产品的外观艺术渲染，制作广告。在三维实体模型的基础上，将零件组装成数字化的虚拟产品。
计算机辅助工程是借助计算机强大的计算和图像处理能力解决工程技术中的各种问题，包括有限元分析、优化技术等。有限元分析FEA（FiniteElementAnalysis）是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程[4]。有限元法的基本思想是将问题的求解区域划分离散为一组有限个单元，单元之间按一定方式仅靠节点相互连接在一起的组合体。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程组求解。节点是空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。单元则是一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。信息通过单元之间的公共节点传递的。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。
集成化、网络化和智能化是现代CAD技术所追求的功能目标。集成化要能支持信息集成、过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换、CAX工具、DFX工具等[5]；网络化要能支持动态联盟中协同设计所需的环境与设计技术；智能化是指在实现集成化与网络化时所采用的智能技术，如人工智能、专家系统技术等。现代CAD技术的最终目的是要尽可能采用自动化设计技术使所设计的产品达到质量高、成本低、周期短，以便在先进制造模式下赢得市场竞争。随着现代CAD技术的发展，设计过程中越来越多的活动都能用CAD工具加以实现，因此CAD技术的覆盖面将越来越宽，以至整个设计过程就是CAD过程。
参考文献
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论文摘要：在分析专用数字仿真计算机的特点的基础上提出半实物仿真对仿真计算机和实时网络的需求，并且介绍相关技术的新进展。实践证明仿真工作站和实时网络方案是完全可以满足仿真发展需求的。
作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了50多年的发展，以广泛应用于国民经济和社会生活中。而作为计算机技术重要组成部分的计算机三维视景仿真技术，因其有效性、经济性、安全性、直观性等特点而受到广泛的应用。它是在计算机图形学基础上发展起来的一种仿真应用技术。
据最新统计资料表明，计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一，虚拟现实（VR，VirtualReality）是计算机世界最热门的一个词汇。视景仿真技术是计算机仿真技术的重要分支，是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用。
1专用数字仿真计算机的特点
1.1仿真计算机的用途和发展
围绕着对仿真计算机的计算速度、内存容量、接口等基本特性要求，在半实物仿真系统中先后采用了模拟计算机、数模混合计算机、专用数字仿真计算机等类型的仿真计算机。尤其是以AD100及国产YF-2为代表的专用数字仿真计算机在国内、外的一些制导武器半实物仿真系统中得到了广泛的应用。
1.2专用数字仿真计算机的优点
以AD100及国产YF-2为代表的专用数字仿真计算机主要优点有：
①采用异构同步并行多处理机、广播式数据总线方案解决了计算速度和存储容量问题；②设计专用仿真语言，该语言简洁、编程方便，而且还集成了常用的数值积分算法模块，方便使用，同时还能够实现精确仿真计算帧时的定时；③提供高速A/D、D/A接口，开关量输入输出接口及数字量（DPM）等接口形式，实现仿真计算机同仿真系统的连接。
1.3专用仿真计算机存在的不足
①数字接口能力不足：该型仿真计算机虽然提供了较全面的接口形式，但主要还是以模拟量接口为主，数字接口仅能适用几种非主流总线形式（Q-bus等），而且在传输距离、传输速度等方面性能不佳，数字接口能力不足；②维护性不方便：这类专用数字仿真计算机采用专用设计结构，与通用计算机有着较大的差别，硬件维护和软件管理需要配置专人，而且出现故障不象通用计算机那样容易替换，易影响试验进度。从人力资源配置和快速维护性上看有不足之处。
1.4仿真计算机的新要求
随着仿真系统间的信息交换已开始转入以数字信号为主，专用数字仿真计算机在数字接口方面能力的不足就显示出来了。仿真设备控制、管理使用的计算机都是通用型的微机（含工控机），应用广泛且有着丰富的应用软件和接口形式，各种高速数字接口各具特色。因此系统应用的关键是迫切需要找到一个仿真计算机的新方案，既能保持专用数字仿真计算机的优点又能满足高速实时数字接口的需求。这个需求就是对航空制导武器半实物仿真系统中仿真计算机的新要求。
2仿真计算机和实时网络技术的新发展
2.1实时网络技术
高速数字接口的形式虽然很多，但在仿真系统中的应用还要考虑到系统中信息的共用性，即多个设备共用某些信息。如对目标信息来说，目标特征信号生成装置、目标运动仿真器、数据链传输仿真设备都要用。这是因为系统本身复杂，信息交换多和相应仿真系统设备规模大，耦合多。
考虑到仿真系统信息共用性特点，那些点对点的接口形式不易采用，而网络式、广播式的接口形式更容易满足要求。同时半实物仿真系统信息交换还要求各信息节点的信息要同步更新，换句话说，就是信息传输延迟要小。
经过综合比较分析，光纤反射内存影射式实时网络（RT-net）比较符合半实物仿真系统的技术要求。它们的共同特点是利用映射式的信息传送方法，某一节点的内容自动映射到所有节点，这种映射是由硬件完成的，系统延迟小。高速、延迟小和信息更新同步的特点适合仿真的需要。这种网络一般有两种拓扑结构，一种是环行网，另一种是通过实时HUB连接的星型网。
理论上，HUB结构的网络数据到达各个节点的时间没有延迟，能做到信息同步更新。而且一个节点故障只影响本节点，不影响整个网络。这一特性对进行系统局部联试时非常有用，不必所有设备均开机。
RTnet的运行机制很简单，分布式计算机系统内，每台结点机上插一块RTnet卡，卡上有双端口读写内存，通过驱动软件可以读写这些内存，当数据被写入一台机器的内存中后，RTnet卡自动地通过光纤传输到其他连在网络上的RTnet卡的内存里，通常只需几百纳秒的时间延迟，所有RTnet卡上的内存将写入同样的内容。各成员在访问数据时，只要访问本地的RTnet卡内存即可。
RTnet适应的计算机总线形式一般都有PCI、MultiBus、VME等，在常用的操作系统，如DOS、WindowsXP、Windows2000环境下都可正常工作。
2.2综合应用
仿真工作站替代专用数字仿真计算机本身难度不大，二者的软件内核基本一致，经过软件移植，几乎所有先前做过的工作都可以继承下来。仿真系统集成的关键是实时网络在系统中的配置和二次应用开发。有这样几方面的工作要做：
①仿真工作站同实时网络的接口检查：虽然仿真工作站是基于通用工作站基础上设计的，但这种通用工作站与通用微机之间还会有些微小的差别。②各仿真设备控制计算机的适应性修改：仿真设备功能各异，研制情况不同，其控制计算机的操作系统不统一，有DOS、WindowsXP、Windows2000等版本，因此相应的设备驱动板卡等不相同。为了保证网络系统稳定运行，简化应用开发工作，有必要对能够升级的设备控制计算机进行统一配置，还要对相应设备驱动卡、驱动程序进行更改。③共享内存分配表的建立：由于是共享内存机制，所以应对数据存储地址的统一分配，明确各个信息的读写地址。对系统中注册信息、节点状态标志、同步时钟等信息使用的地址也要进行规定。
总之，随着分布式计算机仿真系统、虚拟样机分布仿真系统的广泛开发和应用，实时网络技术做为一种快速的信息交换手段会得到更广泛的应用。
参考文献：
关于档案的保护，特别是涉及具有重要社会价值与历史价值的珍稀档案保护的问题，除了档案原件修复之外，往往会提到仿真复制这种技术保护措施。社会信息化、数字化的深入发展与广泛应用，使档案仿真复制对新技术的要求不断增强，为了使档案复制件呈现更佳更理想的效果，传统复制方法不断改进，结合了数字技术等高新科技手段，复制工艺水平有了很大提升。一般而言，较为常见的档案形态有两种，“纸质”与“实物”，而档案仿真复制必须依据原件的实际形态（纸质或非纸质）、保存现状，采取科学合理的技术手段进行复制，本文将结合目前数字技术、三维激光扫描技术、虚拟现实技术等科技特点，探讨相关高新技术措施在不同类型档案复制中的应用问题。
1档案复制的意义与数字化的作用
档案的保护与利用，两者关系密切又对立。利用档案的时候，必定会对原件造成损害，这是客观事实。档案保管的最终目的是利用，并在利用中发挥其内在的社会价值，但是档案的不可再生性及唯一性限制其目的，因此，采用仿真复制手段能一定程度弥补这一缺点，它免去原件在酸度、湿度增加的环境中受到腐蚀的风险，提高了利用率，平衡了档案保护与利用两者的关系，延长了档案原件的寿命。再者，档案的仿真技术能为各类陈列展览提供复制件，这是档案开放的一个重要形式。档案馆或纪念馆会根据情况举办各种形式的展览，档案作为历史素材与历史依据，是展览不可缺少的重要组成部分，应用仿真复制技术，对划入展览计划的档案原件进行仿制，用复制件替代展出，能避免对原件的损害，增强档案实体保护，同时达到逼真的艺术效果。科学技术在档案仿真复制中的应用日益广泛，逐渐成为档案现代化建设的一个重要组成，这种应用方式可理解为以数字技术、虚拟技术等措施对档案原件进行数字化处理，以数字形式再现原件，并采取科学的输出技术仿真复制的过程。有两个方面的优势：
1.1增加档案原件的安全性
档案的价值体现于应用，以数字形式再现原件，使档案被间接利用，减少了原件受损、被盗的情况，特别是珍稀的历史档案原件，在展览时若丢失或被盗，会给国家部门造成重大损失，数字形式再现原型，或者以数字形式为模板的仿真复制件作为展览道具，能有效保护档案实体安全。
1.2方便保存与迁移
档案经过数字化、虚拟化加工后便具备电子文件的数字信息特征，具有游动性、共享性、易操作性、复制性与迁移性等多种特性，且不受时空限制，有效存储保护完整的档案信息。对于沿海地区、地震或其他自然灾害高发地区的档案部门来说尤其重要。
2纸质档案仿真复制策略
传统的纸质档案仿真方法可分为临摹、木刻水印、坷罗版印刷等，对档案形态有针对性要求，如临摹针对壁画、油画等绘画种类，木刻水印针对中国画与书法。由于复制成本高、生产周期长、效率低等因素影响，传统的复制方法现已较为少用，或见于商业途径，如荣宝斋利用其列入“部级非物质文化遗产”的木刻水印技术制作名人书画复制件，作为艺术品销售。相比较，运用现代数字技术、印刷技术制作的仿真件，因成本低廉、生产时间短、灵活性高、图像效果好等优势，备受推广。数字仿真复制的主要环节包括：图像采集、图像处理、图像输出、后期加工及色彩管理五个方面。[1]色彩管理是复制过程的关键与核心。
2.1数字图像采集
数字图像采集是指使用扫描或拍摄等手段，对档案画面进行高精度全真色彩数字化采集，将原件模拟信息转换为数字信息的过程。它是整个复制工作的基础步骤，采集图像的质量直接影响下一个工作环节，特别是对于色彩要求高的纸质档案（如绘画）要选用专业扫描仪、高精度数字采集系统对其进行扫描处理，以保证采集图像的效果与质量。
2.2数字图像处理
该环节是通过Photoshop、Indesign等专业图像处理软件，运用高端计算机设备对采集的数字画面进行分析、调整、修正、锐化等处理，使数字图像的色彩精度、细节表现贴近原件。按照数字化方法，可采取不同处理方式，如去污、清除、校正、修补、拼接等技术手段。为了保证图像处理的精度与工作效率，图像处理工作站的配置要根据实际情况进行优质选配。
2.3数字图像输出
是指使用专业的打印设备（打印机、喷绘仪等输出设备）、打印管理软件，把已处理的数字图像输出到不同形式载体上，再现档案原貌的过程。数字图像的输出要把握处理好，输出墨量控制、输出介质选择要切合原件实际需要，要按照图像幅面大小，选用不同型号打印设备。
2.4后期处理
复制工作的最后环节，是对打印输出的仿真件做进一步加工细化处理，包括裁剪、磨边、做旧、装裱等办法，尽可能使仿真复制件与档案原件外貌保持高度一致，达到逼真效果。
2.5色彩管理
色彩管理是以色彩空间变化为核心的色彩控制技术，它通过色空间转换来实现色彩逼真再现。色彩管理是数字技术在仿真复制应用中的关键核心环节，它贯穿了整个复制流程的色空间转换，仿真工作要求色彩信息在图像采集、处理、输出过程中颜色保持一致，但是色彩在传递过程中涉及对色彩的表达方式不完全相同的软硬件环境，因此要保持色彩信息传递过程中的一致性和稳定性，必须实施标准化管理。目前较为常用色彩管理软件有ProfileMaker，它可创建和编辑优质、可靠的ICC配置文件，将色彩成像工作流程的各环节连接起来，有效实施色彩管理的参数控制，确保色彩精确一致，图1。
图1色彩管理控制
3实物档案数字化复制策略
实物档案的概念一直以来存在不同的理解，有肯定说，也有否定说或折中说。搁置争论点，在档案实际管理过程中，我们不可避免要面对档案实物的存储与保护问题。特别是一些历史文化价值高的珍贵实物档案，其状态与性质甚至接近文物，对于这类档案，使用数字化等高技术手段进行合理的复制保护，具有重要的现实意义。与纸质档案一样，实物档案同样面临保护与开发利用问题，由于其形成带有一定的偶发性，以致收集的不确定与不可预知，档案形态复杂多样，有石膏、陶瓷、玻璃、金属等多种复合材质，结构、体积、大小不一，给档案的保管利用带来一定困难与风险。[2]因此有学者提出利用信息化政策、技术，实施档案数字化，能有效解决珍贵历史实物档案的保护问题。笔者认为，目前涉及的技术方式主要有三种：三维激光扫描技术、虚拟现实技术与快速成型技术。
3.1三维激光扫描技术
三维激光扫描技术又称实景复制技术，是一种先进的现代测量绘图技术，它对虚拟视景和模型生成实现了技术拓展，提供了简化模型构造的可能。对于实物档案而言，其工作原理是：仪器把激光脉冲发射到实物上，对其整体或局部进行多角度全自动高清度逐点测绘，通过记录被测物件表面大量而密集的三维坐标信息（x，y，z）、RGB颜色信息和反色率信息，获取它的线、面、体、空间等三维点云数据，以具有一定分辨率的空间点云图来表达物体表面的采样结果，然后经过点云处理及三维逆向建模，最终重建物件的真实视景世界。三维激光扫描技术的显著优势是能深入到任何复杂的现场环境中进行作业，比较适合雕塑实体档案的扫描数字化处理。雕塑的形状比光洁的工业造型物件要复杂，存在大量的扫描盲点，如皱折的衣服纹理、弯曲的手臂内侧等，用函数曲面来准确表达数据很困难，为了还原实物真实性需要保留表面坑洼的肌理效果，因此3D扫描技术在细节处理上能贴切反映物件原状。现在的三维激光扫描仪都是针对工业逆向技术开发的，常见的逆向工程软件有Rapidform和GeomagicStudio，这类软件因使用新一代运算模式，缩短了处理数据时间，对扫描品质有显著改善。三维激光扫描技术当前应用面广泛，在多个领域得到推广，典型的例子有：美国斯坦福大学、华盛顿大学与Cyberware公司合作完成的数字化米开郎基罗计划，该计划使用激光扫描仪记录了十座米开朗基罗塑造的大型塑像，包括著名的大卫像。经过三维激光扫描设备技术处理后，实物档案形态由现实模拟信息转化为虚拟数字信息，具备了一般数字信息的特征，如复制、保存、迁移、备份等，时空限制性减弱，传播与利用通道拓展，便捷性增强，其价值得到更好实现与传承。
3.2虚拟现实技术
虚拟现实技术又称灵境技术（英文简称VR），是利用电脑模拟构造一个三维虚拟空间，生成具有视觉、听觉、触觉等多种感知的模拟环境，让使用者如身临其境般体验交互式视景仿真和信息交流。它有三个关键特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）和想象力（Imagination），也就是“3I”特性。[3]VR技术不是一种单一技术，是综合计算机图形技术、计算机仿真技术、人机交互技术、传感器技术、立体显示技术等多种科学技术构成的。它的实施过程包括四个方面：数据获取、虚拟环境建模、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术。传统VR中的视景生成办法比较简单，获取数据是通过二维摄像（拍照）取景，再由电脑三维视景整合而成，仿真结果的逆向还原工作受到限制，缺少对物件原始数据的全面实测，数据与真实之间存在一定偏差。[4]上文提到的三维激光扫描技术能有效填补这一缺陷，使获取到的点云数据切合物件真实性，以利于逆向反求工程的实施，因此，结合3D扫描技术，虚拟现实技术的瓶颈得到突破与拓展，促使跨领域的推广应用步入实质阶段。VR技术作为一种前沿技术，在文物保护方面已取得初步成效，如近年的“数字长城”、“虚拟紫禁城”等项目。基于虚拟的现实环境展示文物的方式能让受众得到真切的场景感受，是爱国教育、历史教育、认知教育行之有效的办法，对重要的国家文物起到良好的保护作用，是文物开发延伸的一种先进技术手段。在技术不断更新与成本逐渐下降的前提下，VR技术应用于档案管理领域，用于保护实体档案，特别是历史价值大的实物档案，是一种潜在可能，符合社会与科技发展的总体趋势。
3.3快速成型技术
快速成型技术（RapidPrototypingManufacturing，简称RP），是20世纪80年代中后期兴起的，利用材料逐层迭加堆积成型的原理来制造产品的工业制造技术，可以扼要归结为“分层制造，逐层叠加”。现时常说的3D打印技术，是快速成型技术的一种典型代表。RP集合了数控技术、激光技术、机械工程、软件技术和新材料等多学科于一体，是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体技术的总称。[5]它的基本过程是：由三维软件平台设计出计算机实体模型（CAD模型），根据工艺要求将其按一定规则进行离散（又称分层），把三维电子模型变成二维平面信息，在微机控制下，数控系统以平面加工的方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接成型，得到一个三维物理实体。关键环节有：三维CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造、后处理等。[6]再者，CAD模型的获取方式可结合上文所述，利用三维激光扫描技术，通过对物件进行多维度的立体色彩扫描，以获得实体的点云数据，借助逆向反求工程，按照实际测绘重构曲面信息，建造CAD模型。快速成型技术主要应用于制造工业，现时在文物复制修复方面也较常见，并逐步在医药、农业、文化等领域迅速推广，特别RP典型代表3D打印技术，它因精度高、打印成本相对低廉等特点，受到各行业的青睐与关注。基于历史原因，我国档案管理部门积累形成了大量珍贵的实物档案，有些几近文物的价值，类似这种情况，利用3D打印技术对其仿真复制亦是保护思路的拓展。目前而言，3D打印设备、成型材料等价格仍较高，特别是成型材料价格高昂，当前研究的重点转为材料方面的开发与应用，以探求降低其成本的方法。基于此，利用RP制造实体档案复制件的应用方式在短期内推行不符合现实需求，但作为“第三次工业革命技术”，RP其效率性与优点是十分显著的，它为未来科技发展提供了一种可行的研究方向，值得档案部门的重视和关注。
4结语
数字技术、3D激光扫描技术、虚拟现实技术、快速成型技术等高新科技的发展进步，为历史档案的仿真复制工作提供了更为便捷的选择，尤其是数字技术，它使档案在形式载体上发生根本性的变化而转换为数字信息，这种新形态的出现标志着档案事业发展的一种根本性转变，档案的管理不再局限于实际物件，同时也包括数字虚拟信息，这是对当前档案管理工作提出新的思路与探索。如前文所述，多种高新科技的应用，亦可理解为对数字信息的深层次开发，无论哪种技术哪种档案载体（纸质或实物），在复制工作开展前期，都要转换为数字形态。
总的来说，以数字技术等高科技手段制作的仿真复制品，在效率方面表现出显著优势，仿真效果与传统方法制作的复制件比较，更为理想、逼真。目前，色彩管理技术、三维激光扫描技术应用于档案的复制保护已经具备足够的社会条件，可加以推行，但是由于技术成本偏高、技术环境不成熟等诸条件受限，把虚拟现实技术、快速成型技术应用于档案实际工作，短期内存在一定困难，对于一些历史因素复杂，社会经济价值特别高的实体档案，我们可在策略上做大胆的尝试与技术创新，也是对档案事业未来发展的探索与期待。
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【摘要】高科技的发展为珍贵历史档案的复制保护提供了新的选择，传统复制方法面对技术的革新存在明显不足与短板，以技术推动革新是档案事业的发展大势，目前，数字技术、三维激光扫描技术、虚拟现实技术、快速成型技术等高科技不断发展成熟，被广泛应用于多个领域，为国家带来巨大的社会经济效益，尽管现时无法全部应用于档案的实际工作，但技术优势不应忽视，值得深入研究与探索。
【关键词】档案复制；数字技术；三维激光扫描技术；虚拟现实技术；快速成型技术
OnReplicationandProtectionofValuableHistoricalArchives
――ApplicationofDigitalTechnologyandOtherHighTechnologies
CHENYong-bin
（GuangzhouAcademyofFineArts，GuangzhouGuangdong510261，China）
【Abstract】Thedevelopmentofhightechnologiesprovidessolutionsforreplicationandprotectionofvaluablehistoricarchives.Traditionalmethodisofshortcomingsinreplicationcomparedwiththetechnologyinnovations.Therefore，pushingforwardinnovationinarchiveundertakingbytechnologyisthetrend.Atpresent，digitaltechnology，three-dimensionallaserscanningtechnology，virtualrealitytechnology，rapidprototypingtechnologyandotherhightechnologieshavebeendevelopedmoreandmorematurelyandbeenwidelyappliedtomanyfields，bringinglargesocialandeconomicbenefitstocountries.Although，atcurrentthesetechnologiescannotbeallappliedintoarchivebusiness，theiradvantagesshouldbecarriedoutwithin-depthresearchesinsteadofbeingignored.
【Keywords】ArchiveReplication；DigitalTechnology；Three-dimensionalLaserScanningTechnology；VirtualRealityTechnology；RapidPrototypingTechnology
0引言
关于档案的保护，特别是涉及具有重要社会价值与历史价值的珍稀档案保护的问题，除了档案原件修复之外，往往会提到仿真复制这种技术保护措施。社会信息化、数字化的深入发展与广泛应用，使档案仿真复制对新技术的要求不断增强，为了使档案复制件呈现更佳更理想的效果，传统复制方法不断改进，结合了数字技术等高新科技手段，复制工艺水平有了很大提升。一般而言，较为常见的档案形态有两种，“纸质”与“实物”，而档案仿真复制必须依据原件的实际形态（纸质或非纸质）、保存现状，采取科学合理的技术手段进行复制，本文将结合目前数字技术、三维激光扫描技术、虚拟现实技术等科技特点，探讨相关高新技术措施在不同类型档案复制中的应用问题。
1档案复制的意义与数字化的作用
档案的保护与利用，两者关系密切又对立。利用档案的时候，必定会对原件造成损害，这是客观事实。档案保管的最终目的是利用，并在利用中发挥其内在的社会价值，但是档案的不可再生性及唯一性限制其目的，因此，采用仿真复制手段能一定程度弥补这一缺点，它免去原件在酸度、湿度增加的环境中受到腐蚀的风险，提高了利用率，平衡了档案保护与利用两者的关系，延长了档案原件的寿命。再者，档案的仿真技术能为各类陈列展览提供复制件，这是档案开放的一个重要形式。档案馆或纪念馆会根据情况举办各种形式的展览，档案作为历史素材与历史依据，是展览不可缺少的重要组成部分，应用仿真复制技术，对划入展览计划的档案原件进行仿制，用复制件替代展出，能避免对原件的损害，增强档案实体保护，同时达到逼真的艺术效果。科学技术在档案仿真复制中的应用日益广泛，逐渐成为档案现代化建设的一个重要组成，这种应用方式可理解为以数字技术、虚拟技术等措施对档案原件进行数字化处理，以数字形式再现原件，并采取科学的输出技术仿真复制的过程。有两个方面的优势：
1.1增加档案原件的安全性
档案的价值体现于应用，以数字形式再现原件，使档案被间接利用，减少了原件受损、被盗的情况，特别是珍稀的历史档案原件，在展览时若丢失或被盗，会给国家部门造成重大损失，数字形式再现原型，或者以数字形式为模板的仿真复制件作为展览道具，能有效保护档案实体安全。
1.2方便保存与迁移
档案经过数字化、虚拟化加工后便具备电子文件的数字信息特征，具有游动性、共享性、易操作性、复制性与迁移性等多种特性，且不受时空限制，有效存储保护完整的档案信息。对于沿海地区、地震或其他自然灾害高发地区的档案部门来说尤其重要。
2纸质档案仿真复制策略
传统的纸质档案仿真方法可分为临摹、木刻水印、坷罗版印刷等，对档案形态有针对性要求，如临摹针对壁画、油画等绘画种类，木刻水印针对中国画与书法。由于复制成本高、生产周期长、效率低等因素影响，传统的复制方法现已较为少用，或见于商业途径，如荣宝斋利用其列入“部级非物质文化遗产”的木刻水印技术制作名人书画复制件，作为艺术品销售。相比较，运用现代数字技术、印刷技术制作的仿真件，因成本低廉、生产时间短、灵活性高、图像效果好等优势，备受推广。数字仿真复制的主要环节包括：图像采集、图像处理、图像输出、后期加工及色彩管理五个方面。[1]色彩管理是复制过程的关键与核心。
2.1数字图像采集
数字图像采集是指使用扫描或拍摄等手段，对档案画面进行高精度全真色彩数字化采集，将原件模拟信息转换为数字信息的过程。它是整个复制工作的基础步骤，采集图像的质量直接影响下一个工作环节，特别是对于色彩要求高的纸质档案（如绘画）要选用专业扫描仪、高精度数字采集系统对其进行扫描处理，以保证采集图像的效果与质量。
2.2数字图像处理
该环节是通过Photoshop、Indesign等专业图像处理软件，运用高端计算机设备对采集的数字画面进行分析、调整、修正、锐化等处理，使数字图像的色彩精度、细节表现贴近原件。按照数字化方法，可采取不同处理方式，如去污、清除、校正、修补、拼接等技术手段。为了保证图像处理的精度与工作效率，图像处理工作站的配置要根据实际情况进行优质选配。
2.3数字图像输出
是指使用专业的打印设备（打印机、喷绘仪等输出设备）、打印管理软件，把已处理的数字图像输出到不同形式载体上，再现档案原貌的过程。数字图像的输出要把握处理好，输出墨量控制、输出介质选择要切合原件实际需要，要按照图像幅面大小，选用不同型号打印设备。
2.4后期处理
复制工作的最后环节，是对打印输出的仿真件做进一步加工细化处理，包括裁剪、磨边、做旧、装裱等办法，尽可能使仿真复制件与档案原件外貌保持高度一致，达到逼真效果。
2.5色彩管理
色彩管理是以色彩空间变化为核心的色彩控制技术，它通过色空间转换来实现色彩逼真再现。色彩管理是数字技术在仿真复制应用中的关键核心环节，它贯穿了整个复制流程的色空间转换，仿真工作要求色彩信息在图像采集、处理、输出过程中颜色保持一致，但是色彩在传递过程中涉及对色彩的表达方式不完全相同的软硬件环境，因此要保持色彩信息传递过程中的一致性和稳定性，必须实施标准化管理。目前较为常用色彩管理软件有ProfileMaker，它可创建和编辑优质、可靠的ICC配置文件，将色彩成像工作流程的各环节连接起来，有效实施色彩管理的参数控制，确保色彩精确一致，图1。
图1色彩管理控制
3实物档案数字化复制策略
实物档案的概念一直以来存在不同的理解，有肯定说，也有否定说或折中说。搁置争论点，在档案实际管理过程中，我们不可避免要面对档案实物的存储与保护问题。特别是一些历史文化价值高的珍贵实物档案，其状态与性质甚至接近文物，对于这类档案，使用数字化等高技术手段进行合理的复制保护，具有重要的现实意义。与纸质档案一样，实物档案同样面临保护与开发利用问题，由于其形成带有一定的偶发性，以致收集的不确定与不可预知，档案形态复杂多样，有石膏、陶瓷、玻璃、金属等多种复合材质，结构、体积、大小不一，给档案的保管利用带来一定困难与风险。[2]因此有学者提出利用信息化政策、技术，实施档案数字化，能有效解决珍贵历史实物档案的保护问题。笔者认为，目前涉及的技术方式主要有三种：三维激光扫描技术、虚拟现实技术与快速成型技术。
3.1三维激光扫描技术
三维激光扫描技术又称实景复制技术，是一种先进的现代测量绘图技术，它对虚拟视景和模型生成实现了技术拓展，提供了简化模型构造的可能。对于实物档案而言，其工作原理是：仪器把激光脉冲发射到实物上，对其整体或局部进行多角度全自动高清度逐点测绘，通过记录被测物件表面大量而密集的三维坐标信息（x，y，z）、RGB颜色信息和反色率信息，获取它的线、面、体、空间等三维点云数据，以具有一定分辨率的空间点云图来表达物体表面的采样结果，然后经过点云处理及三维逆向建模，最终重建物件的真实视景世界。三维激光扫描技术的显著优势是能深入到任何复杂的现场环境中进行作业，比较适合雕塑实体档案的扫描数字化处理。雕塑的形状比光洁的工业造型物件要复杂，存在大量的扫描盲点，如皱折的衣服纹理、弯曲的手臂内侧等，用函数曲面来准确表达数据很困难，为了还原实物真实性需要保留表面坑洼的肌理效果，因此3D扫描技术在细节处理上能贴切反映物件原状。现在的三维激光扫描仪都是针对工业逆向技术开发的，常见的逆向工程软件有Rapidform和GeomagicStudio，这类软件因使用新一代运算模式，缩短了处理数据时间，对扫描品质有显著改善。三维激光扫描技术当前应用面广泛，在多个领域得到推广，典型的例子有：美国斯坦福大学、华盛顿大学与Cyberware公司合作完成的数字化米开郎基罗计划，该计划使用激光扫描仪记录了十座米开朗基罗塑造的大型塑像，包括著名的大卫像。经过三维激光扫描设备技术处理后，实物档案形态由现实模拟信息转化为虚拟数字信息，具备了一般数字信息的特征，如复制、保存、迁移、备份等，时空限制性减弱，传播与利用通道拓展，便捷性增强，其价值得到更好实现与传承。
3.2虚拟现实技术
虚拟现实技术又称灵境技术（英文简称VR），是利用电脑模拟构造一个三维虚拟空间，生成具有视觉、听觉、触觉等多种感知的模拟环境，让使用者如身临其境般体验交互式视景仿真和信息交流。它有三个关键特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Immersion）和想象力（Imagination），也就是“3I”特性。[3]VR技术不是一种单一技术，是综合计算机图形技术、计算机仿真技术、人机交互技术、传感器技术、立体显示技术等多种科学技术构成的。它的实施过程包括四个方面：数据获取、虚拟环境建模、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术。传统VR中的视景生成办法比较简单，获取数据是通过二维摄像（拍照）取景，再由电脑三维视景整合而成，仿真结果的逆向还原工作受到限制，缺少对物件原始数据的全面实测，数据与真实之间存在一定偏差。[4]上文提到的三维激光扫描技术能有效填补这一缺陷，使获取到的点云数据切合物件真实性，以利于逆向反求工程的实施，因此，结合3D扫描技术，虚拟现实技术的瓶颈得到突破与拓展，促使跨领域的推广应用步入实质阶段。VR技术作为一种前沿技术，在文物保护方面已取得初步成效，如近年的“数字长城”、“虚拟紫禁城”等项目。基于虚拟的现实环境展示文物的方式能让受众得到真切的场景感受，是爱国教育、历史教育、认知教育行之有效的办法，对重要的国家文物起到良好的保护作用，是文物开发延伸的一种先进技术手段。在技术不断更新与成本逐渐下降的前提下，VR技术应用于档案管理领域，用于保护实体档案，特别是历史价值大的实物档案，是一种潜在可能，符合社会与科技发展的总体趋势。
3.3快速成型技术
快速成型技术（RapidPrototypingManufacturing，简称RP），是20世纪80年代中后期兴起的，利用材料逐层迭加堆积成型的原理来制造产品的工业制造技术，可以扼要归结为“分层制造，逐层叠加”。现时常说的3D打印技术，是快速成型技术的一种典型代表。RP集合了数控技术、激光技术、机械工程、软件技术和新材料等多学科于一体，是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体技术的总称。[5]它的基本过程是：由三维软件平台设计出计算机实体模型（CAD模型），根据工艺要求将其按一定规则进行离散（又称分层），把三维电子模型变成二维平面信息，在微机控制下，数控系统以平面加工的方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接成型，得到一个三维物理实体。关键环节有：三维CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造、后处理等。[6]再者，CAD模型的获取方式可结合上文所述，利用三维激光扫描技术，通过对物件进行多维度的立体色彩扫描，以获得实体的点云数据，借助逆向反求工程，按照实际测绘重构曲面信息，建造CAD模型。快速成型技术主要应用于制造工业，现时在文物复制修复方面也较常见，并逐步在医药、农业、文化等领域迅速推广，特别RP典型代表3D打印技术，它因精度高、打印成本相对低廉等特点，受到各行业的青睐与关注。基于历史原因，我国档案管理部门积累形成了大量珍贵的实物档案，有些几近文物的价值，类似这种情况，利用3D打印技术对其仿真复制亦是保护思路的拓展。目前而言，3D打印设备、成型材料等价格仍较高，特别是成型材料价格高昂，当前研究的重点转为材料方面的开发与应用，以探求降低其成本的方法。基于此，利用RP制造实体档案复制件的应用方式在短期内推行不符合现实需求，但作为“第三次工业革命技术”，RP其效率性与优点是十分显著的，它为未来科技发展提供了一种可行的研究方向，值得档案部门的重视和关注。
4结语
数字技术、3D激光扫描技术、虚拟现实技术、快速成型技术等高新科技的发展进步，为历史档案的仿真复制工作提供了更为便捷的选择，尤其是数字技术，它使档案在形式载体上发生根本性的变化而转换为数字信息，这种新形态的出现标志着档案事业发展的一种根本性转变，档案的管理不再局限于实际物件，同时也包括数字虚拟信息，这是对当前档案管理工作提出新的思路与探索。如前文所述，多种高新科技的应用，亦可理解为对数字信息的深层次开发，无论哪种技术哪种档案载体（纸质或实物），在复制工作开展前期，都要转换为数字形态。
总的来说，以数字技术等高科技手段制作的仿真复制品，在效率方面表现出显著优势，仿真效果与传统方法制作的复制件比较，更为理想、逼真。目前，色彩管理技术、三维激光扫描技术应用于档案的复制保护已经具备足够的社会条件，可加以推行，但是由于技术成本偏高、技术环境不成熟等诸条件受限，把虚拟现实技术、快速成型技术应用于档案实际工作，短期内存在一定困难，对于一些历史因素复杂，社会经济价值特别高的实体档案，我们可在策略上做大胆的尝试与技术创新，也是对档案事业未来发展的探索与期待。
【参考文献】
[1]栾宁丽，孙冀宁，刘敏华.数字影像技术在档案（字画）高仿真复制工作中的应用[J].数字与影像微缩，2011.3：1-2.
[2]邓羽.虚拟现实技术在实物档案管理中的应用初探[J].兰台世界，2013，1（中）：24-25.
[3]王晨晨.虚拟现实技术及其在图书馆的应用[J].图书馆学研究，2011.10：33-37.
[4]蒋定定，王长力，王玉菊.三维激光扫描与虚拟现实技术[J].电子世界，2012，10：30-31.（下转第349页）
（上接第217页）[5]辜勇，刁燕，李伟.快速原型技术在考古工艺品修复与仿制中的应用[J].机械，2005.4：19-46.
[6]牛爱军，党新安，杨立军.快速成型技术的发展现状及其研究动向[J].热加工工艺，2008.5：116-118.
