虛擬油泥技術(shù)Freeform在文物快速復(fù)原中的應(yīng)用研究

陶燎亮 杜臻臻

摘要：通過研究與分析傳統(tǒng)文物的復(fù)原過程，運用基于虛擬油泥技術(shù)Freeform的快速成型技術(shù)，快速構(gòu)建文物缺失部分，實現(xiàn)文物快速復(fù)原。借助三維掃描儀和三維建模工具，快速構(gòu)建殘缺文物的三維模型，運用虛擬油泥技術(shù)復(fù)原殘缺文物缺失部分，改進傳統(tǒng)文物復(fù)原過程的復(fù)雜工藝，結(jié)合3D打印技術(shù)，提高文物復(fù)原效率，為文物保護事業(yè)提供數(shù)字化思路。

關(guān)鍵詞：虛擬油泥 FreeForm 文物復(fù)原

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

Abstract： Through the research and analysis the procedure of the traditional relics recovery， by using rapid prototyping technology based on virtual sludge technology freeform， build the missing part of relics quickly， and realize relic recovery quickly. With the help of 3d scanner and 3d modeling tools， build the 3d model of the imperfect relics quickly， recover the missing parts of the imperfect relics by using virtual sludge technology， and improve the complex technique of the traditional relic restoration. Combined with 3d printing technology， improve the efficiency of cultural relic restoration， and provide digital way of thinking for the protection of cultural relics.

Keyword： Virtual Grease；Freeform；Relics Recovery

1 引 言

文物作為文化遺產(chǎn)是不能再生也不能永生的文化資源，在人類社會發(fā)展過程中，難免受到自然及人為因素的破壞，必須采取積極有效的措施對文物進行修復(fù)與保護。文物復(fù)原是考古和文物研究中一項必不可少的、技術(shù)性很強的工作。目前在全國千余名文物保護科技人員中，專門從事文物復(fù)原的人員不足400人，而我國現(xiàn)有2000多萬件文物亟待復(fù)原，復(fù)原任務(wù)非常嚴峻。

傳統(tǒng)文物復(fù)原技術(shù)因其技術(shù)手段所限，沒有步入現(xiàn)代化的行列。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是三維信息獲取、虛擬現(xiàn)實、對媒體的研究與應(yīng)用，為珍貴文物的保護、復(fù)原與研究提供了新的技術(shù)和手段。利用計算機輔助文物復(fù)原，可以加快文物復(fù)原的速度，避免修復(fù)過程對文物的損害，較低文物復(fù)原的難度，而且可以把復(fù)原文物的三維模型直接用于數(shù)字博物館的文物展示和檢索中，實現(xiàn)資源共享。

虛擬油泥技術(shù)FreeForm的出現(xiàn)是對現(xiàn)有計算機輔助設(shè)計方法的一個有益補充，特別是在復(fù)雜曲面造型設(shè)計和快速建模方面有較強的應(yīng)用價值。將虛擬油泥技術(shù)FreeForm應(yīng)用到文物復(fù)原方向上，能夠解決文物復(fù)雜曲面快速建模和復(fù)原，大大提高文物復(fù)原效率。

本文運用虛擬油泥技術(shù)FreeForm設(shè)計系統(tǒng)，借助三維掃描設(shè)備和三維建模工具，快速構(gòu)建殘缺文物的三維模型，運用虛擬油泥技術(shù)復(fù)原文物殘缺部分，將缺陷模型導(dǎo)入快速成型機器，制作出殘缺部分模型，最后修補缺陷部分邊緣輪廓和上色處理，復(fù)原文物原型。

2 FreeForm設(shè)計系統(tǒng)

FreeForm觸覺式設(shè)計系統(tǒng)是一套基于“虛擬油泥”和“力反饋技術(shù)”的造型設(shè)計系統(tǒng)?；?D Touch技術(shù)，使用者可以通過視覺和觸覺結(jié)合來完成復(fù)雜3D模型的構(gòu)建。FreeForm系統(tǒng)為設(shè)計者和建模者創(chuàng)建原始模型或修復(fù)數(shù)據(jù)提供了一個快速且經(jīng)濟有效的方式。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FreeForm觸覺式設(shè)計系統(tǒng)主要由觸覺設(shè)備PHANTOM和FreeForm Modeling Plus建模軟件構(gòu)成。設(shè)計者通過使用觸覺設(shè)備PHANTOM中的操作桿來雕刻FreeForm Modeling Plus軟件中的“虛擬油泥”或“數(shù)字黏土”，對模型實現(xiàn)生長、拉伸、削減、旋轉(zhuǎn)、鏡像、上色等操作。設(shè)計者所使用的操縱桿在軟件中的坐標定位接觸數(shù)字黏土并對其進行雕刻的時候，能夠明顯的感覺到操作桿反饋過來的阻力，具有沉浸感良好的用戶體驗和設(shè)計，從而更具真實地設(shè)計并創(chuàng)造產(chǎn)品的新造型，加快產(chǎn)品開發(fā)的效率。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)兼容性

FreeForm系統(tǒng)同時支持stl、step、iges、和bmp等輸入輸出格式，通過該系統(tǒng)設(shè)計的3D模型導(dǎo)出stl格式模型直接導(dǎo)入到3D打印軟件可直接打印出3D模型。同時可兼容多種3D建模軟件，例如3ds max軟件、Auto CAD軟件和UG建模軟件等。采用靈活交叉建模方式可縮短建模過程所需的時間，也可以為建模過程中遇到一些難以解決的問題提供了更多的解決思路。

3 文物復(fù)原實例

本文以復(fù)原青瓷文物為例，展示虛擬油泥技術(shù)FreeForm設(shè)計系統(tǒng)在快速復(fù)原文物過程中實際應(yīng)用效果。在文物修復(fù)的傳統(tǒng)工序中，拼接、補缺和全色三道工序都可以通過計算機輔助進行。通過三維掃描設(shè)備獲取殘缺文物的數(shù)據(jù)，構(gòu)建文物的三維模型，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和虛擬油泥技術(shù)FreeForm記錄文物殘缺部分所處的次序及位置，構(gòu)建其文物缺片，最后復(fù)原文物原型。

3.1 建立基本模型

通過三維掃描儀，把有殘缺的青瓷文物掃描成三維模型并導(dǎo)出STL格式，把掃描好的三維模型導(dǎo)入到FreeForm設(shè)計系統(tǒng)中，如圖2所示。

3.2修復(fù)模型

執(zhí)行Select clay with ball命令，選擇Select all clay全選，使用copy selected clay命令復(fù)制一個，選擇粘貼至另一個對象，以備鏡像后與原始數(shù)據(jù)做布爾運算。

創(chuàng)建一個新的2D平面。首先把對象的坐標中心定在物體的中間，把視角轉(zhuǎn)到前視角，再產(chǎn)生一個新的2D平面，讓生成的平面與視角平行。如圖3所示。

編輯所新建的平面，旋轉(zhuǎn)平面及把平面移到對象中心。

選擇鏡像平面（選取Match后會彈出很多平面可供選擇）。執(zhí)行Preview（預(yù)覽）后，再選取Flip，可選擇所鏡像的方向及內(nèi)容。鏡像方向確定后，再執(zhí)行Apply。鏡像之后的結(jié)果如圖4所示。

把鏡像后的對象和原始點數(shù)據(jù)做個比較，然后再通過Combine（布爾）可以快速得到青瓷殘缺的部分。如圖5所示。

執(zhí)行選擇工具，點擊粘土，“Crtl+I”反選，按Delete將多余的碎片刪除。選擇Select all clay全選，使用copy selected clay命令復(fù)制一個，選擇粘貼至另一個對象，以備修正后作誤差檢測。

青瓷殘缺部分大致雛形完成后，由于要和青瓷做配合，所以用變形工具Tug，順滑工具Smooth，修整后的殘缺部分模型如圖6所示：

3.3模型渲染

完成整個模型構(gòu)建以后，選擇進入Rendering工具欄，點擊設(shè)置材質(zhì)。點擊設(shè)定燈光，燈光類型主要有Point（點光源），Spot（聚光燈），Infinite（日光燈）三種類型，這里選擇Spot燈光，設(shè)置好燈光顏色、照射范圍、燈光質(zhì)量后，得到最終的渲染效果圖如圖7所示。

4 結(jié)語

基于虛擬油泥技術(shù)FreeForm設(shè)計系統(tǒng)在一定程度上改變了傳統(tǒng)文物復(fù)原方法，充分運用三維掃描技術(shù)、三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、快速成型技術(shù)，建立一套文物復(fù)原保護方法，開拓了計算機應(yīng)用新領(lǐng)域，為文化遺產(chǎn)的復(fù)原、保護和展示提供了新的技術(shù)手段，最終促進文物保護工作快速發(fā)展。

參考文獻

[1] 百度百科.FreeForm[EB/OL].

[2] 徐人平.快速原型技術(shù)與快速設(shè)計開發(fā)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.19-22.

[3] 陳龍，王坤茜，徐人平 等.基于FreeForm系統(tǒng)的玩偶設(shè)計開發(fā)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報，2010，28（2）：149-153.

[4] 劉莉，趙正旭，王中義 等.基于FreeForm的玩具模型設(shè)計[J].河北省科學(xué)院學(xué)報，2012，29（3）：23-27.

[5] 陶燎亮，包麗萍，吳淑燕，翁偉.基于FreeForm的青瓷原型快速成型研究[J].電腦知識與技術(shù)，2013.