試析3D掃描打印技術在文物保護工作中的應用

寇芳瑩(北京市頤和園管理處，北京 100091)

試析3D掃描打印技術在文物保護工作中的應用

寇芳瑩
(北京市頤和園管理處，北京 100091)

3D掃描打印技術是一種新式的文物三維保護模式，它能夠迅速捕捉并記錄文物的體貌特征與結構信息，并將各類數(shù)據(jù)歸納整合，形成一套完整的數(shù)字模型，在文物的資料保存、數(shù)據(jù)檢索、狀況監(jiān)測和虛擬展示等方面意義非凡，特別是對文物的保護與修復起到了極大的積極作用。3D掃描打印技術的出現(xiàn)，不僅切實提高了文物工作的質量與效率，還夯實了文物價值研究和科學化保護的基礎。

3D掃描打印技術;文物保護;文物修復

隨著各學科交流合作的日益深入和互動平臺的日趨完善，越來越多的新技術得到了有效推廣，實現(xiàn)了科研成果的資源共享?，F(xiàn)如今，新科技、新媒體已經貫穿文物工作的各個方面，給文博業(yè)帶來了前所未有的變革與挑戰(zhàn)。文物是不可再生的文化資源，如何有效而恰當?shù)乇Ｗo文物，如何將文物在歷史積淀中所凝結的各類豐富信息真實而完整地保留、還原并延傳給后人，一直是文物保護工作者重點關注并不斷探索的問題。時至今日，迅猛發(fā)展的多媒體數(shù)字技術已經在文物修復領域引發(fā)了一場巨大變革，并深入文物保護工作的各個環(huán)節(jié)，3D掃描打印技術便是其中之一。作為文物保護與修復領域的新生力量，3D掃描打印技術憑借其非接觸性數(shù)字化保護手段和高精度、便捷式的操作特點而被廣泛關注。

一、3D掃描打印技術分類

三維科技的關鍵點在于如何快速獲取物體的立體信息(即3D信息)，不同3D掃描打印技術的根本區(qū)別也在于此。三維信息技術在宏觀上主要分為兩類，即接觸式與非接觸式。接觸式掃描技術包括非破壞性技術(如CMM、機械臂、切片等)和破壞性技術;非接觸式三維掃描技術則包括反射式(非光學式、光學式)和發(fā)射式(工業(yè)CT)兩種。其中，光學式三維掃描技術是現(xiàn)今應用最為廣泛的3D掃描打印技術。

不同的3D掃描打印技術，有不同的掃描系統(tǒng)。其一，根據(jù)是否觸碰被檢測物體，可將3D掃描打印系統(tǒng)分為接觸式與非接觸式;其二，根據(jù)檢測所采用的介質，分為激光掃描系統(tǒng)與非激光掃描系統(tǒng);其三，根據(jù)被掃描物體的體量大小，可將3D掃描打印技術分為場景掃描系統(tǒng)與普通掃描系統(tǒng);其四，按照是否需依據(jù)紋理信息，可分為彩色掃描系統(tǒng)與普通掃面系統(tǒng)。［1］

近些年來，3D技術飛速發(fā)展，3D掃描打印設備也越來越便捷，易于操作。這促使3D掃描打印技術從醫(yī)學、工業(yè)制造、娛樂傳媒等領域迅速擴展到文物保護方面。在文物保護工作中，因考慮到文物的脆弱性、珍貴性與不可再生性，絕大多數(shù)情況會選取非接觸式掃描方案，然后再根據(jù)文物的體積大小選擇正確的掃描系統(tǒng)。一般而言，瓷器、銅器等器物類文物可選用普通掃描系統(tǒng)，而建筑等不可移動文物就需要采用場景掃描手段。再進一步，還要熟悉文物的材質構成，如果在對文物進行三維結構的掃描復刻時，還需記錄文物表面的紋理信息，借助彩色掃描系統(tǒng)的幫助，以便減少文物數(shù)字化的工作量，保障3D掃描效果。

二、以3D掃描打印技術實現(xiàn)文物復制

受文物自身保存狀況、展陳環(huán)境和安全條件等因素的限制，有些時候會以復制品替代文物進行展出，用復制品完善展項，用復制品傳遞文化歷史信息，避免因某件重要文物真品不適宜展出而造成展覽內容缺環(huán)。

(一)立體文物復制

在傳統(tǒng)的立體文物復制工藝中，通常都會對文物進行翻模處理。但這種方法存在兩大弊端:一是翻模過程中會將翻模材料遺留在文物表面上，對文物造成污染和損傷;二是翻模形成的復制品與文物相似度有所偏差，無法發(fā)揮文物價值傳遞的功用。3D掃描打印技術的引入與應用，恰恰解決了這些問題。3D掃描打印設備以文物原件為依據(jù)，先通過非接觸式掃描架構出文物的三維數(shù)字模型，然后再用立體打印技術“打印”出該文物的復制品，在不破壞文物的前提下得到相似率極高(最高可達98．8%)的克隆母本。3D掃描打印出的文物復制品還可以被二次模印，在其基礎上結合翻模復制手法，便可以制造出更多的仿真模型。這樣既節(jié)省了經濟成本，又不影響文物安全，比較適用于博物館文化創(chuàng)意產品的研制。

(二)書畫復制

3D掃描打印技術不僅能復制立體文物，如陶瓷、雕像等，同時也能夠復制畫作、手稿等二維文物。其復制的基本原理為:首先，要通過浮雕體層攝影術將3D掃描打印技術與分辨率打印技術相融合，復制出與原作近乎完全相同的作品;之后，要用高質量的照相捕捉技術來準確抓住原畫中的每一個細節(jié)，通過3D掃描儀對每處細節(jié)進行微化處理，畫作表面每一處高低起伏都要一一記錄詳實，保障復制品的參考價值與觀賞價值。

通過3D掃描打印技術復制出來的畫品，不僅在線條和顏色上與原作極為相似，甚至連筆觸和畫品質感都能模仿得十分到位。位于荷蘭阿姆斯特丹的梵高博物館已經用3D掃描打印技術復制出了《麥田》《向日葵》《杏花》等梵高名作，并表示在未來時間里會繼續(xù)推出復制計劃，豐富博物館展品內容。［2］高精度復制品的背后是尖端的新型技術與高額的復制成本。據(jù)悉，梵高博物館通過3D掃描打印技術復制出的每件作品造價都在2．5萬英鎊以上，合人民幣20余萬。某些收藏家或許熱衷于體驗這種新技術帶來的藝術享受，會將3D掃描打印的復制品納入其個人收藏體系。但對于我國文博業(yè)而言，財政支持仍是許多國有博物館最為重要的經濟來源，造價如此之高的復制技術顯然難以在短期內推廣成功，珂羅版復制和人工全色技法相結合的書畫復制思路仍會發(fā)揮重要作用。

與此同時，通過3D掃描打印技術復制出來的作品被稱為“活現(xiàn)作品”，復制品具有同原畫一樣的質感紋理，每一處細節(jié)都能達到與原作98．8%以上的相似率。［3］如果不考慮復制作品的新舊程度，研究畫品的專家也難以分辨作品的真?zhèn)?。所以，為避免不法分子通過3D掃描打印技術以假亂真、混淆市場，博物館會特意對每幅復制品打上特殊的防偽標記，通過這種標志就能夠看到作品的出處以及復制時間等內容。

三、以3D掃描打印技術實現(xiàn)文物修復

多種多樣的文物資源是我國歷史文明的標志，更是我國文化遺產的瑰寶。但由于在地下埋藏時間太長，或者遭受了多年的風吹雨打，或者是由于保管不當、操作失誤等意外的人為事件，這些文物難免出現(xiàn)不同程度的破壞，需要通過專業(yè)修復來還原它們的歷史價值、科學價值和藝術價值。對于文物缺失部位的復原，目前以翻模補配法為主，因為翻模復制取材范圍廣、操作簡便、制模精度較高。然而，翻模復制也有其局限性，它在操作時必須使印模材料和脫模劑直接與文物表面相接觸，這使修復工作存在很多不確定性與風險性:脫模劑在不同表面的揮發(fā)速率有何具體差別，是否會影響文物材質本身的光色，是否會滲入文物表層形成化學損傷;印模材料在固化過程中是否會出現(xiàn)輕微縮脹;若翻模對象為鑲嵌類的飾件，在脫模時是否會因印模材料與文物本身貼合過牢而將原有嵌件粘帶下來……諸如此類的問題時刻影響著文物修復工作的科學性與安全性。3D打印技術的修復原理為:采用三維修復技術進行文物補全，通過3D掃描儀對文物空間外形、結構、色彩以及缺失部位進行掃描，實現(xiàn)非接觸測量，再通過計算機程序的測算，獲取精確的損失部位三維數(shù)據(jù)，從而復原得到完整的三維數(shù)字模型。通過對文物材質的數(shù)字化分析，3D打印機可直接制作出文物缺失部位，且吻合度極高，能夠實現(xiàn)復制部件與文物殘破邊緣的無損對接，最終復原文物全貌。這種先進的文物修復方式大大避免了翻模及脫模過程可能會給文物造成的二次傷害，是數(shù)字化新技術惠及文物保護事業(yè)的體現(xiàn)。

以陜西歷史博物館白瓷高足杯的復制過程為例:該文物總高約11厘米，胎質細膩純凈、釉色溫潤光亮，于歷史研究和美術工藝考證方面都有重要意義，被評定為我國的一級文物。然而，白瓷高足杯的杯口處有著高1．8厘米、長約5厘米的缺失;杯腹部有一處裂紋并延伸至口沿處;杯身釉面出現(xiàn)一些片紋，且胎面極薄;從碴口處進行測量，白瓷高足杯的壁厚大約0．16厘米。在修復過程中，有關專家首先對白瓷高足杯進行了三維模型采集，后又通過Geomagic Studio等逆向工程軟件勾勒出白瓷高足杯缺失部位的3D模型，再采用Object 30光敏樹脂三維打印機對殘缺部分進行三維打印，得出補全模型，最后將這些補全模型進行拼接，完成整項修復任務。在上述操作過程中，雖然需要計算機技術的輔助，以及諸多3D掃描打印硬件設施，但數(shù)字化修復手段的優(yōu)勢是顯而易見的。［4］3D掃描打印技術降低了在修補過程中破壞文物的可能性，成功彌補原有修復工藝的不足，真實再現(xiàn)了白瓷高足杯的全貌，為進一步的學術研究奠定了基礎。

四、依靠3D掃描打印技術進行文物的虛擬展示

隨著科學技術的發(fā)展，很多博物館都已經實現(xiàn)了數(shù)字化展陳，使文物愛好者足不出戶即能欣賞到館藏珍品。以往的線上參觀項目一般停留在讓觀眾通過博物館網站瀏覽文物照片的層面，觀眾最多能看到某件文物上、下、前、后、左、右六個方位的正面照，許多細節(jié)表現(xiàn)和藝術信息無法被完整地呈現(xiàn)出來。3D彩色掃描技術能夠全方位地獲取文物信息，采集微觀細節(jié)，清晰地表達文物的各種紋理以及每一處洼陷或凸起，再加上三維軟件的加工處理，最終形成的數(shù)字立體模型與文物本體幾乎沒有差別。［5］此外，立體文物最理想的觀賞效果是三百六十度無死角，3D掃描技術與計算機模擬技術相聯(lián)動，即可創(chuàng)建立體圖片。線上參觀的觀眾能用鼠標將屏幕中所展示的文物進行旋轉翻動，實現(xiàn)虛擬文物的全角度觀賞。

快節(jié)奏的生活方式致使當代人們觀看展出的時間越來越零散化、片段化，數(shù)字博物館應運而生并正在活力發(fā)展著，其中三維虛擬技術(VR技術)功不可沒。三維虛擬技術將數(shù)據(jù)計算、立體顯示、人機交互、效果仿真于一體，主要應用在歷史場景復制及文物的虛擬復原上?；谌S技術的支持，圓明園成功實現(xiàn)了建筑群組的虛擬復建，展現(xiàn)了清朝盛世的園林構筑技藝;吉林大學也對考古出土的古人顱骨進行容貌復原，推進了解剖學、人類學、考古學等科研工作的深入。通過VR技術構建數(shù)字博物館，現(xiàn)已形成一種潮流，它所創(chuàng)造出身臨其境般的逼真體驗和感官刺激受到了年輕人的青睞。云岡石窟數(shù)字模型虛擬漫游項目在我國數(shù)字化展陳中是非常典型的案例。由于文物保護的原因，云岡石窟沒有進行全面開放，三維掃描和VR虛擬技術能夠有效彌補這一缺憾。［6］基于三維掃描技術的成果，觀眾可以在虛擬世界中進行視點的自由移動，充分感受數(shù)字化技術帶來的虛擬漫游空間，獲得“步移景異”的真切視覺享受。

五、以3D掃描技術進行大型文物測繪與數(shù)據(jù)監(jiān)測

石窟寺、墓葬、古建筑等大型不可移動文物的測繪工作向來艱巨，一是因為很多大型文物所處的自然地理環(huán)境非常復雜，不利于測繪工作的開展;二是因為長期的風雨侵蝕使文物表面脆弱敏感，傳統(tǒng)的測繪工具和測繪手段有可能給文物本體造成保護性破壞。為貫徹文物保護工作中的最小干預原則，3D掃描技術已成為大型文物測繪時的不二選擇。［7］3D掃描采用零接觸測繪方式，以場景立體掃描系統(tǒng)全方位、多角度地記錄建筑物的各構件形制、石窟造像的每處殘損、摩崖石刻的風化程度及侵害領域，為大型文物的保護研究提供了數(shù)據(jù)支撐。廣元千佛崖摩崖造像的實地測量與震后修復就是通過3D掃描打印技術實現(xiàn)的。

實時監(jiān)測是管理保護文物的重要渠道。傳統(tǒng)的肉眼觀察、相機拍照、文字記錄、手工測量、攝像頭監(jiān)控等工作模式步驟繁瑣且誤差幾率大，在一定程度上影響了研究人員對文物現(xiàn)狀的判定。3D掃描系統(tǒng)將分散的文物數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、數(shù)字化、網絡化，一方面優(yōu)化了監(jiān)測手段，便于及時發(fā)現(xiàn)大型文物已經出現(xiàn)的問題和劣變趨勢，準確定位需要加固、修補或封護的區(qū)域范圍，另一方面還能動態(tài)地反映保護效果，甄別各修復材料和修復技藝的優(yōu)劣差異，為后續(xù)的文物工作提供參考依據(jù)。

總之，3D掃描打印技術在文物保護工作中的積極作用日益突顯，在文物復制、文物修復、文物虛擬展示以及大型文物的測繪與監(jiān)測方面均扮演了重要角色。其非接觸性的掃描模式和高精度的打印復制技術符合現(xiàn)代文物保護工作所提倡的真實性、安全性、可逆性、最小干預等理念，是利于文物保護、利于延續(xù)文物內在價值的科學保護途徑。

［1］湯羽揚，杜博怡，丁延輝．三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護中應用的探討［J］．北京建筑工程學院學報，2011，27(4):23－24．

［2］周亞男．基于激光掃描技術的文物三維數(shù)字化方法研究與應用［D］．西安:陜西科技大學，2013．

［3］周華偉，朱大明，瞿華鎣．三維激光掃描技術與GIS在古建筑保護中的應用［J］．工程勘察，2011，(6):34－35．

［4］白成軍，吳蔥，張龍．全系列三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用［J］．天津大學學報(社會科學版)，2012，15(5):455．

［5］陶立，孫長庫，何麗，等．基于結構光掃描的彩色三維信息測量技術［J］．光電子(激光)，2016，17 (1):111－114．

［6］劉晨，費業(yè)泰，盧榮勝，等．主動三維視覺傳感技術的研究［J］．半導體光電，2016，27(5):618－623．

［7］馮秋峰，任秋實，李萬榮．Inspeck成像掃描儀的三維成像技術［J］．激光與光電子學進展，2016，(43):40－43．

【責任編輯:王 崇】

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2016－11－30

寇芳瑩(1990－)，女，北京人，主要從事文物與博物館研究。