基于3D打印技術(shù)的儺戲面具逆向設(shè)計與保護

澤仁措 佟妍

摘 ?要：以貴州省銅仁市德江縣儺戲面具為研究對象，利用三維激光掃描技術(shù)，采集儺戲面具三維點云數(shù)據(jù)。通過對模型進行點云去噪、修復等處理，獲取儺戲面具完整清晰的三維原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了160面德江儺面具的數(shù)字化保存。結(jié)合3D打印技術(shù)，對儺戲面具進行逆向設(shè)計，將具有歷史文化價值的儺戲人物面具進行了實體復制，為儺面具文物的重現(xiàn)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：儺戲面具 ?三維激光掃描 ?3D打印 ?逆向設(shè)計

中圖分類號：TH16 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）06（c）-0012-02

貴州德江儺面具比較集中、系統(tǒng)、完整地保存了儺堂戲這一特殊的古老文化，其造型簡練、古樸，呈現(xiàn)出獨特的原生態(tài)藝術(shù)氣息，是千百年來民間藝術(shù)智慧的結(jié)晶，形成了德江儺藝術(shù)和獨特的民族文化[1]。然而，如今因為技術(shù)人員的年老、社會的科技化、技藝傳承斷層、手工技藝生產(chǎn)率低下等因素使得儺文化的保護傳承受到制約;同時大眾接受難、內(nèi)容缺乏創(chuàng)新、宣傳渠道有限等因素也影響了儺文化的挖掘和傳播。利用現(xiàn)代化的三維激光掃描技術(shù)對儺戲文化進行數(shù)字化保護，能夠長久地存儲民間藝術(shù)品信息，避免人為因素或自然因素對少數(shù)民族民間藝術(shù)品的毀壞。3D打印技術(shù)記錄還原了保護儺戲面具藝術(shù)并在此基礎(chǔ)上設(shè)計發(fā)展，以科學的路線對其進行保護和發(fā)揚，讓優(yōu)秀的民間文化得以傳承保留，蘊含著重要的歷史意義。

1 ?采集數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集的方式各式各樣，該項目采用三維數(shù)據(jù)采集方式。三維數(shù)據(jù)可以將面具模型更直觀、比例更準確的還原[2]。通過捕捉照射在儺戲面具的激光線來偵測并分析儺戲面具的空間外形與結(jié)構(gòu)，獲得儺戲面具幾何表面的點云數(shù)據(jù)。用這些點云構(gòu)成數(shù)字化儺戲面具的表面形狀，重構(gòu)采樣點三維坐標還原被掃描模型。獲得點云的密集程度與掃描儀的精度緊密相連，提高儀器密度可以創(chuàng)建更加精準的數(shù)字化儺戲面具。

2 ?數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)采集中，面具自身的破損和激光掃描儀的精度會導致數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差，就像點云數(shù)據(jù)里如果包含噪聲，重構(gòu)模型的曲面就會失去真實性，為了進一步提高真實性，我們需要對采集到的原始數(shù)據(jù)做簡單處理，數(shù)據(jù)處理是做逆向設(shè)計最為關(guān)鍵的一步，它的結(jié)果會直接影響到后續(xù)對模型重構(gòu)部分的質(zhì)量，同時也影響到其本身的觀賞價值，所以需要對原始數(shù)據(jù)進行修復和填充。

主要有以下步驟：

（1）誤差處理。載入儺戲面具的點云數(shù)據(jù)后可以通過網(wǎng)格醫(yī)生命令按鈕進行診斷和修復和診斷。網(wǎng)格醫(yī)生可檢測到尖狀物、高度折射邊、自相交等干擾點，系統(tǒng)會自動標記錯誤點，我們可以通過提示自動或手動刪除釘狀物，這樣面具表面達到初步修復。其次是手動刪除掃描數(shù)據(jù)中的無關(guān)點，由于面具表面光線的散射，測量環(huán)境的突然變化及測量設(shè)備分辨率等因素的影響，在面具邊角、凹邊等部位的測量結(jié)果容易產(chǎn)生較大的誤差，故如若遇此情況可以把點云局部放大，然后旋轉(zhuǎn)把與點云數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差的點刪除。

（2）數(shù)據(jù)平滑處理。在不改變曲率并保持面具邊界不變的情況下對數(shù)據(jù)進行簡化，從而降低三角形的數(shù)目。用平面進行裁剪，3個點確定一個平面，在需要裁剪的平面上確定3個點，對齊這3個點所在的平面，操作界面點擊平面界面，選中刪除[3]，同時消除噪聲影響。不斷重復該操作直到無關(guān)平面清除成功。于是得到了較為完整的儺戲面具的數(shù)據(jù)。

（3）精簡處理。在對數(shù)據(jù)進行初步處理后，通過數(shù)據(jù)點進行建模處理。如果三角形數(shù)量太多，可能會造成操作卡頓，并且影響設(shè)備的儲存空間，在操作過程中并非所有的數(shù)據(jù)都是有效數(shù)據(jù)，故只要能保證有效數(shù)據(jù)足夠多就可以對掃描數(shù)據(jù)進行精簡處理。

（4）給模型添加支撐。此時已有較完整的模型數(shù)據(jù)，但是不能保證在后續(xù)的3D打印過程中不受損，安全起見，我們給已有模型添加支撐進行保護。首先是自動放置，此步驟中零件的擺放是為了便于后續(xù)操作。其次是自動修復，選擇“支柱生成”用軟件的自動修復功進行修復.STL文件。然后自動生成支撐，利用Magics自動生成支撐。支撐形狀有圓形和長方形兩種，在模型需要加支撐的位置點擊一下，拖動則會出現(xiàn)支撐模型，以白色柱狀標示。再在底面點擊一下，則支撐添加初步完成。

而后是手動修改支撐，有些自動生成的有欠缺，需要手動修復。在自動生成支撐后，對零件上所有的支撐進行修改，把所有支撐變?yōu)樽詈线m的支撐，合理安排和利用每一個支撐及其支撐類型。修復完整輪廓的支撐面，最后刪除不必要的支撐。

3 ?實施打印

3D打印憑借成熟的技藝和強大的推廣度，在我們的生活中已經(jīng)用得越來越廣泛，在文物發(fā)掘與保護方面也有推行。我們利用3D打印的先進技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集還原文物原有的外觀特點，最大程度上實現(xiàn)了實體物的真實性。這也在一定程度上能解決了許多民間文物隨著年代久遠而流逝的問題。

3D打印利用激光固化技術(shù)可以制造出實體的樹脂模型，它利用光束，根據(jù)三維模型固化光敏樹脂表面掃描出的模型截面圖案一次疊加固化成體來獲取實體模型[3]。其過程是從點的移動疊加，到線的移動疊加，通過一層一層疊加的方式得到三維立體的模型，每一層的打印針頭釋放液體的劑量很少，1cm的厚度高度大概需要2.5h的時間。在打印過程中盡可能地不受任何外力的干擾，如果受到其他因素干擾而造成打印間斷的話，不僅會影響到最終的打印成品效果，也會造成樹脂的浪費[4]。

首先把模型切片導入3D打印機里，再觀察設(shè)備內(nèi)液體的高度，判斷是否需要加樹脂，如果需要，將機器調(diào)至進入準備加樹脂狀態(tài)，在加樹脂時，把液體慢慢地倒進樹脂槽里，然后觀察液體的位置，通常情況下其范圍在1.5～5.5之間為正常取值。如果液體超過正常范圍系統(tǒng)會自動報警提示。開啟激光器，預(yù)熱10min，打開Zero軟件加載預(yù)處理得到的slc切片數(shù)據(jù)，之前預(yù)處理得到的兩個.SLC文件，拷貝至3D打印機的控制計算機內(nèi)，運行在編輯窗口設(shè)定打印模型的位置，一般放置于工作臺中央位置，機器開始自動打印，等待制作完成，取出打印完成的模型，清除網(wǎng)板上的的殘渣，關(guān)閉控制激光、加熱功能，關(guān)閉電源。

打印機完成打印工作后還需要進行一些簡單的處理。首先準備膠手套、模型托盤、鏟刀以及清洗模型的無水酒精和軟毛刷。先用鏟刀把模型從打印平臺上鏟斷，而后用膠手套取出模型放到事先準備好的托盤上，處理模型上殘留的支撐雜質(zhì)和樹脂。最后一步是清洗模型環(huán)節(jié)，把模型放在無水酒精中浸泡3～5min，一直到支撐變軟能用小鏟刀去除支撐，去除支撐時注意不要破壞模型結(jié)構(gòu)，然后用軟毛刷子洗刷洗模型表面，直至面具模型表面清理干凈。

4 ?結(jié)語

該項目將德江縣儺文化與三維激光掃描技術(shù)、3D打印技術(shù)結(jié)合起來，讓更多的人理解德江儺文化淵源流傳下來的美感，成為德江儺文化的承載者和傳播者。這體現(xiàn)了開發(fā)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)價值與意義，既可促進民間手工藝的創(chuàng)新發(fā)展，又對技藝文化的保護具有重要的現(xiàn)實意義， 改善了儺文化技藝斷層的現(xiàn)狀。

參考文獻

[1] 王蘭英.國家非物質(zhì)文化遺產(chǎn)德江儺堂戲面具的造型藝術(shù)探析[D].貴陽學院，2012.

[2] 趙麒凱.基于三維激光掃描技術(shù)的民居建筑保護系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].信息與信息化，2018，222（9）：24-26.

[3] 劉姣.德江縣儺戲面具的數(shù)字化保護[D].北方民族大學，2018.

[4] 卜衛(wèi)民.3D打印技術(shù)在古代早期陶器復制中的應(yīng)用[J].工業(yè)設(shè)計，2018（5）：130-132.