在法國的肖維巖洞(Grotte Chauvet),我們能看到一些由紅赭石和黑色顏料雕刻、繪製而成的石洞壁畫,壁畫略顯粗糙,但繪畫的馬、牛等動物形象依舊生動無比,這是人類最早的繪畫作品,也是人類用「圖形」來記事的早期記錄。
「圖形」是信息保存、傳播、互通的重要視覺語言,因其直觀、生動而深受人們喜愛。從古至今,大部分的畫作是基於藝術欣賞、文化品味。但也有另一類「畫家」作圖是基於對製造工藝的傳承。
我國明代著名科學家宋應星所著的《天工開物》,是世界上第一部關於農業和手工業生產的綜合性著作,是中國古代一部綜合性的科學技術著作。書中記載了許多的製造工藝及對應的工藝製圖,這些以「圖形」為基礎的畫作能清晰的呈現當時的製作工藝和流程,為我國最初的機械製造提供了可靠的依據,但書中依舊是繪製 「三維圖形」的模樣(局部),我們並不能據此觀察或推測出物體的原貌,因不夠嚴謹而具有一定的局限性。
該如何避免此類「三維圖形」所帶來的局限呢?其實在早些時候的西方,就有畫家給出了解決方案。
1525年,與達文西等交好的德國人迪勒(Durer),在紐約堡出版了「Underweysung der Messung mit dem Zirckel und Richtscheyt」一書,運用互相垂直的三畫面(正交面)畫出了人腳、人頭的正投影圖和剖面圖。如下圖所示:
這是一個創造性的發現,相當於將人(或物體)放在一個長方體的空間裡,然後從三個方向(從前往後、從左往右、從上往下)來觀察並做正投影,這樣會得到三個視角的平面圖形,它能清晰的呈現出人(或物體)的結構。
17世紀末義大利人波茨措將其運用到建築設計中,所著《透視圖與建築》一書,介紹了先畫物體的二正投影圖,然後根據正投影圖畫透視圖的方法。但遺憾的是這樣的方法在16-18世紀的三百年間並沒有得到足夠的重視,也沒有歸納得到這樣的畫法的理論基礎,同時,人們更沒有認識到它在機械製造中的巨大作用。
機械製造在促進社會高速發展中發揮了不可替代的作用。給我們印象深刻的當屬18世紀中葉瓦特對蒸汽機的改進,這一系列技術革命引起了從手工勞動向機器生產的轉變。不過在開始的一段時間裡,機械製造及機械設計的保存、傳播是一件難度較大的工作。在沒有實物的前提下,如何根據設計師的要求生產出一件產品?或者如保存機械圖樣?亦或戰爭時期如何避免因破壞而導致的大量計算和複雜製圖? 都是大家需要面對的問題。
面對這樣一個世紀難題,法國著名數學家,拿破崙的忘年之交蒙日迎難而上,在前人的基礎上發現了「畫法幾何」,為機械製造做出巨大貢獻。
1799年,蒙日發表了他關於畫法幾何的巨著《畫法幾何》,該書在「投影」的基礎上,用二維的平面圖形(「三視圖」)來表示通常三維空間中的立體和其他圖形。具體來說,作一個幾何體的「三視圖」,需要觀測者分別從幾何體的正面、左面、上面三個不同角度觀察,從正投影的角度來作圖。畫出的這三個圖形分別為:正視圖、側視圖、俯視圖。這與我們高中教材中的做法並無區別。
蒙日在《畫法幾何》一書中為「畫法幾何」奠定了足夠的理論基礎,避免了往常繁瑣的計劃和複雜的作圖。這樣的工作對機械製圖如此重要,以至於「畫法幾何」理論被法國作為軍事機密而隱藏了10多年,直到1794年才由蒙日在巴黎師範學院公開。此後的時間,機械圖樣中的圖形開始嚴格按照畫法幾何的投影理論繪製。並在機械製造中廣泛運用。
迪勒、波茨等人對「畫法幾何」貢獻很大,但是真正將其系統化、並廣為傳播的是法國著名幾何學家、拿破崙的忘年之交蒙日(Monge,1746~1818),蒙日用「投影」的觀點對前人的研究進行了整合,使用幾何分析找規律、成體系,使經驗上升為理論;同時使作圖方法也形成了體系,為機械製造提供了一個很好地「圖例」、以便輕鬆的還原出三維圖。因此,「沒有蒙日的畫法幾何學,19世紀機器的大規模的出現也許是不可能的。」
當然,到了科技高速發展、計算機高度普及的21世紀,人們已經很少使用手工繪製圖樣,代之的是計算機製圖,「程序」替代了「手工」,智能化、自動化佔領了我們的生活。但是基於「畫法幾何」的基本原理依舊沒有改變。「畫法幾何」在當今社會仍然影響著人們的生活。
註:本文部分圖文參考自網絡(維基百科等).