3D打印技術(shù)在文物保護(hù)方面的應(yīng)用

郭歡磊+王聰華

摘要：隨著現(xiàn)代科技的日益進(jìn)步與不斷改良，3D打印技術(shù)已在生活中的多個(gè)領(lǐng)域有了應(yīng)用，其中3D打印在文物保護(hù)方面利用頗廣，該項(xiàng)技術(shù)主要是利用3D掃描儀和數(shù)字化軟件來對文物進(jìn)行保護(hù)。該文主要致力于將3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物的復(fù)制，并對這個(gè)過程進(jìn)行詳細(xì)的介紹，包括三維掃描和三維數(shù)據(jù)處理。以期該技術(shù)能為廣大相關(guān)工作者提供一定的思路和參考。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；文物復(fù)制與修復(fù)；文物保護(hù)

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）29-0260-02

當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展迅速，帶動(dòng)了各種高科技技術(shù)的產(chǎn)生。3D打印和掃描技術(shù)也逐漸發(fā)揮著重要的作用。尤其是在國家對各種文物的保護(hù)措施下，3D打印和掃描技術(shù)也就發(fā)揮出了它獨(dú)特的特點(diǎn)。通過利用高端三維掃描儀和高處理數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)軟件將物體復(fù)雜的文物直接打印出來，3D打印技術(shù)不僅可被運(yùn)用于文物復(fù)制，而且能以其與傳統(tǒng)修復(fù)手法相比之下的無損、快速、精確等特點(diǎn)，在文物修復(fù)中發(fā)揮作用。這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)對我國的文物復(fù)制與修復(fù)有著重要的意義。該技術(shù)的發(fā)展也標(biāo)志著計(jì)算機(jī)科技成果的不斷進(jìn)步。

1 3D打印技術(shù)的概念及應(yīng)用

1） 3D打印的概念

3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用3D打印機(jī)和特殊可粘合材料，通過3D打印機(jī)逐層打印的方式來構(gòu)造物體模型的技術(shù)。3D打印技術(shù)能夠在不直接接觸文物自身的條件下，配合三維掃描技術(shù)，將物體復(fù)雜的形狀直接打印出來，這項(xiàng)數(shù)字技術(shù)對形狀特殊、復(fù)雜的珍貴文物保護(hù)和復(fù)制有著重要意義[1]。其實(shí)，3D打印技術(shù)并非一時(shí)興起的新技術(shù)。早在80年代中期就出現(xiàn)了第一臺(tái)打印設(shè)備，現(xiàn)在3D打印設(shè)備主要服務(wù)于大型公司企業(yè)，但在一些大學(xué)和專業(yè)機(jī)構(gòu)也運(yùn)用頗多。因?yàn)樵摷夹g(shù)的出現(xiàn)代替了原有傳統(tǒng)刀具和其他的復(fù)雜用具，便可以快速制造出任意復(fù)雜形狀的物體和模型。對于小型物體來說，其主要流程是：利用手持三維掃描儀對物體進(jìn)行全方位的掃描得到原始數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，最后得出立體的模型樣式，然后通過特定打印設(shè)備和特殊材料逐層“打印”出產(chǎn)品。近年來，國內(nèi)關(guān)于3D打印的科研團(tuán)隊(duì)的增加，科研水平的不斷提高，為我國3D打印的發(fā)展做出了杰出的貢獻(xiàn)[2]。

2） 3D打印的應(yīng)用

從目前3D打印技術(shù)的發(fā)展來看，3D打印主要涉及于生物醫(yī)學(xué)[3]、航天和國防、制造業(yè)與文物保護(hù)[4]等。在醫(yī)療服務(wù)上由于我國患者人數(shù)眾多，在骨骼、牙齒、假肢、血管、皮膚等方面需求巨大，因此3D打印出來的各種骨骼和器官能夠很好地作為補(bǔ)充，運(yùn)用3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)的治療方法更有優(yōu)勢，首先是材料來源廣，例如：樹脂、聚乳酸、聚乙烯醇等等。其次材料的硬度也能夠很好地符合人體各種要求。在文物保護(hù)上，3D打印技術(shù)以其“個(gè)性化定制”和“采集數(shù)據(jù)信息無需實(shí)際接觸文物”等特點(diǎn)，已經(jīng)可以被運(yùn)用到文物修復(fù)和復(fù)制中，成為文物保護(hù)意識(shí)下最大降低修復(fù)與復(fù)制中文物二次損壞的良好措施和手段之一[5]。事實(shí)上，3D技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到文物保護(hù)方面了。例如：在小件文物、古代壁畫、建筑等領(lǐng)域，就采用了三維掃描與3D打印技術(shù)相結(jié)合的使用方法。

2 三維掃描儀的使用和數(shù)據(jù)采集方法

2.1 手持式三維掃描儀的使用

需要打印復(fù)制一件文物主要有三個(gè)步驟：1）高精度三維數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取；2）三維軟件的建模，也就是三維數(shù)據(jù)的處理；3）3D打印成型，也就是三維數(shù)據(jù)的輸出[6]。筆者本次掃描使用的是手持式三維掃描儀Artec studio 10 professional，該設(shè)備有配套的處理軟件，因此安裝和使用起來非常方便。在對文物數(shù)據(jù)采集前，要將 Artec studio 10 professional掃描儀與電腦上配套的軟件用USB接口連接好，這里需要注意的是，在電腦通電前要把所有的接口連接好以防止儀器的損害。連接好后，在軟件上觀看連接是否正常。按下掃描儀的第一個(gè)按鈕進(jìn)入預(yù)覽狀態(tài)，按第二下進(jìn)入掃描工作模式。當(dāng)掃描完成時(shí)，按下第二個(gè)按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。該個(gè)掃描儀的特點(diǎn)是：采集點(diǎn)比較多、數(shù)據(jù)采集更加精準(zhǔn)。

2.2 三維掃描儀數(shù)據(jù)采集方法

利用Artec studio 10 professional三維掃描儀主要是進(jìn)行站立式及全方位無死角掃描，在對文物進(jìn)行掃描時(shí)，需要左手拖住掃描儀底盤右手抓住把柄，然后對著文物慢慢地進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，在移動(dòng)過程中速度不能太快，如果太快會(huì)導(dǎo)致軟件報(bào)警提示。為了使掃描的數(shù)據(jù)更加完整，我們需要掃描多組數(shù)據(jù)棧，為后面的數(shù)據(jù)處理工作做基礎(chǔ)。需要注意的是在掃描過程中要注意物品的擺放位置，以便于在掃描一圈之后能把所有的數(shù)據(jù)采集到，當(dāng)然，在掃描數(shù)據(jù)棧時(shí)，兩兩數(shù)據(jù)棧之間要有物體重合的點(diǎn)，以便后期處理擬合功能的需要。其次也要注意物品的凹凸面，在凹的一面要認(rèn)真地來回掃描，以確保所有的數(shù)據(jù)都能采集到掃描儀里。掃描儀在使用的過程中光線也是一個(gè)重要因素，光線既不能太亮也不能太暗，太亮或者太暗都會(huì)導(dǎo)致掃描面紋理全黑或者全無等問題。在掃描到金屬或者全黑的物品時(shí)，需要對物品粘貼標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行掃描，這時(shí)的效果是最好的。

3 數(shù)據(jù)棧在軟件中的導(dǎo)入與處理

1） 數(shù)據(jù)棧的導(dǎo)入

Artec studio 10 professional 可處理三維掃描儀掃描的數(shù)據(jù)棧，打開該軟件進(jìn)入工作界面，點(diǎn)擊文件菜單，在其下找到導(dǎo)入子菜單并點(diǎn)擊。找到掃描的數(shù)據(jù)棧并且打開，數(shù)據(jù)棧一般掃描十個(gè)左右為最佳。隨后，我們就可以在工作區(qū)域看到我們掃描的數(shù)據(jù)了，然后進(jìn)行一一處理。

2） 數(shù)據(jù)棧的處理

在把掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作了。首先各棧數(shù)據(jù)需要進(jìn)行刪除雜點(diǎn)，處理冗余點(diǎn)，一一處理優(yōu)化后保存即可。在此過程中需要注意的是，刪除雜點(diǎn)時(shí)，務(wù)必小心仔細(xì)，既要?jiǎng)h除多于數(shù)據(jù)，也要保護(hù)物體原有的數(shù)據(jù)。因?yàn)橐坏﹦h除了物體原有的數(shù)據(jù)信息會(huì)導(dǎo)致接下來的配準(zhǔn)出現(xiàn)錯(cuò)誤或者物體面缺失。endprint

基本操作如下。首先點(diǎn)擊工作界面的編輯菜單，對不要的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，在此可以利用擦除和旋轉(zhuǎn)工具按鈕操作。去除多余的數(shù)據(jù)可以防止最后對物品的原貌造成影響。隨后進(jìn)入擬合菜單，兩兩數(shù)據(jù)棧進(jìn)行擬合，這樣其實(shí)就能顯現(xiàn)出物品的大概樣貌了，這里需要注意的是兩兩擬合完成以后需要點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕以便保存，并且兩兩擬合時(shí)必須要依次進(jìn)行。如果兩棧數(shù)據(jù)之間的相似點(diǎn)相差太多的話就會(huì)導(dǎo)致擬合的失敗，這時(shí)我們就需要進(jìn)行手動(dòng)擬合了，在兩棧數(shù)據(jù)中找到物體的三個(gè)共同點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)擬合。最后選中所有的數(shù)據(jù)棧進(jìn)行擬合以完成整個(gè)擬合操作。隨后進(jìn)入工具菜單，選中所有的數(shù)據(jù)棧進(jìn)行配準(zhǔn)，包括粗略配準(zhǔn)、細(xì)微配準(zhǔn)、整體配準(zhǔn)。依次進(jìn)行，然后進(jìn)行合成部分，包括外圍刪除、快速合成、光順形式合成、尖銳形式的合成等等。最后對其進(jìn)行光滑中處理和紋理操作，這樣我們就完成了全部的數(shù)據(jù)處理，最終生成一個(gè)和文物一模一樣的數(shù)據(jù)模型。并生成一個(gè)名為Fast Fusion1 的文件。

由于文物年代久遠(yuǎn)，長期遭受來自外界環(huán)境的威脅，如大氣污染、地質(zhì)災(zāi)害、可溶鹽的侵蝕等，這些因素都嚴(yán)重制約著文物保護(hù)工作的開展[7]。對于文物的另外一種更有效的保護(hù)方法是文物的修復(fù)。在文物保護(hù)的過程中往往需要對其殘缺部位進(jìn)行修復(fù)。因此我們也應(yīng)當(dāng)了解有關(guān)3D打印在文物修復(fù)中的可行性，而文物修復(fù)的應(yīng)用一般是在數(shù)據(jù)的處理上，有了三維掃描數(shù)據(jù)，我們就可以對殘缺的部分進(jìn)行各種修補(bǔ)，比如在缺失面很大的地方我們就可以復(fù)制完整的花紋和紋理對殘缺處進(jìn)行補(bǔ)缺，這樣就可以把所有的部位修補(bǔ)出來。比如在上述軟件中完成快速合成以后，我們就可以對其進(jìn)行修復(fù)操作，例如有小洞或者缺失，這時(shí)我們就需要對快速合成的數(shù)據(jù)進(jìn)行小型對象過濾器、補(bǔ)洞等處理，需要注意的是補(bǔ)洞操作必須反復(fù)試驗(yàn)。補(bǔ)洞值太大會(huì)導(dǎo)致物體上所有凹點(diǎn)被填平，太小也就達(dá)不到補(bǔ)洞的效果了。

在上述操作完成以后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)中進(jìn)行打印。由于目前3D打印材料略顯昂貴，筆者在此選擇了一個(gè)漢代陶罐和藏式面具進(jìn)行打印，該材料為樹脂。該陶罐和面具打印出來以后是一個(gè)有紋理的白色面具，此后我們需要對照原件對3D打印件表面進(jìn)行上色，以達(dá)到文物的復(fù)制。在此需要注意的是紋理上色方面需要經(jīng)過手工復(fù)制專業(yè)人士的加工處理。圖1圖2為物品原物，圖3圖4為3D打印作品。

4 結(jié)束語

三維掃描技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，比傳統(tǒng)的人工雕刻、手工制作方法速度更快，精度更高，使得3D打印出的模型更加逼真。本文主要探討了利用三維掃描技術(shù)對文物復(fù)制的方法和流程。一定程度上為文物的復(fù)制與修復(fù)提供了技術(shù)支持。特別是對珍貴文物、壁畫等的保存工作，大大減少了對文物造成破壞的可能性。希望該技術(shù)的出現(xiàn)能在以后的文物保護(hù)方面得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張曉青.3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物復(fù)制的可行性研究[D].北京印刷學(xué)院，2014：08-10.

[2] 汪文娟.3D打印技術(shù)背景下社會(huì)化設(shè)計(jì)研究[D].華東理工大學(xué)，2014：2.

[3] 李曉燕，張曙.三維打印成形系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2005（11）：59.

[4] 陳麗娜.關(guān)于“3D打印”技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況的研究[J].信息系統(tǒng)工程，2013（06）：106.

[5] 徐冰.3D打印何以再現(xiàn)千年文物[N].科技日報(bào)，2013-08-09（05）.

[6] 楊蘊(yùn).淺談3D打印技術(shù)在陶瓷類文物修復(fù)和復(fù)制中的應(yīng)用[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2015（2）：112-113.

[7] 秦建華.三維數(shù)字技術(shù)在文物保護(hù)中的作用[J].美術(shù)大觀，藝術(shù)與設(shè)計(jì)，2014（7）：106.endprint