激光掃描與3D打印在文物保護(hù)中的應(yīng)用

張 勇 王長科 原瑞紅

(1.中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計研究院有限公司，河北石家莊 050011;2.河北省地下空間工程巖土技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊 050011)

0 引言

文物是國家寶貴的歷史財富，對歷史研究、科學(xué)指導(dǎo)等方面具有十分重要的意義。然而隨著時間的推移，文物的損壞往往不可避免，其中既包括文物本身的自然風(fēng)化，也包括意外損毀。2019年4月，法國巴黎圣母院遭遇到有史以來最嚴(yán)重的火災(zāi)，教堂頂部的木質(zhì)結(jié)構(gòu)被全部摧毀，只留下石質(zhì)的殘?jiān)珨啾?，損失巨大。值得慶幸的是，在被損毀之前，巴黎圣母院的數(shù)字化三維點(diǎn)云模型已經(jīng)被電子存檔，為巴黎圣母院損毀部分的重建提供充足且精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，可逐一對被損毀部分進(jìn)行修復(fù)還原。激光掃描及數(shù)字化三維存檔模型可助力文物保護(hù)及修復(fù)，并保證修復(fù)還原的真實(shí)度和精度。吳育華等[1]、馬宏毓等[2]從技術(shù)發(fā)展、工作原理和成果等方面總結(jié)了三維激光掃描儀在我國文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。張曉青等從三維激光掃描和建模的相關(guān)技術(shù)等方面研究了3D打印在文物重建中的應(yīng)用[3]。本文從三維激光掃描和3D打印兩種技術(shù)結(jié)合的角度來闡述文物保護(hù)數(shù)字化基本工藝流程，以解決傳統(tǒng)文物數(shù)字化信息留存及精準(zhǔn)復(fù)原的難題。

1 工作原理

激光掃描采用非接觸掃描的方式，可以快速獲取目標(biāo)表面的海量數(shù)據(jù)，在文物保護(hù)工作方面具有突出優(yōu)勢。三維激光掃描主要通過高速激光掃描測量的方法，以點(diǎn)云形式獲取物體表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)。由傳統(tǒng)測量獲取的數(shù)據(jù)最終都是二維形式，通過圖紙呈現(xiàn)。不同于傳統(tǒng)測量，由三維激光掃描最終獲取三維形式的數(shù)據(jù)，不僅包含平面位置和高程的信息，也同時包含RGB顏色以及被測對象的反射率信息。因此，三維激光掃描所獲取的信息非常全面。

三維激光掃描儀利用激光作為發(fā)射光源，對物體依照一定的水平和豎直掃描分辨率來測量，采用非接觸方式來獲取被測量物體的表面數(shù)據(jù)?？臻g點(diǎn)位坐標(biāo)計算的原理如圖1所示，利用激光獲取被測物體至掃描中心的距離S，然后利用內(nèi)置在設(shè)備內(nèi)部的精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β，被測點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)則可以通過空間三維幾何關(guān)系利用一個線元素和兩個角元素來計算空間點(diǎn)位的X、Y、Z坐標(biāo)。通過三維激光掃描獲取的數(shù)據(jù)通常采用設(shè)備內(nèi)的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。

圖1 空間點(diǎn)位坐標(biāo)計算原理圖

3D 打印技術(shù)就是打印三維物體，利用切片后重建還原軌跡的方式，高溫熔化原材料跟隨軌跡堆積的原理來復(fù)原數(shù)字化模型。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置[4]。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)利用金屬、陶瓷、塑料、砂等不同材質(zhì)的原材料，與計算機(jī)連接后，通過計算機(jī)控制切片軌跡，把原材料逐層按軌跡自下而上疊置，最終把計算機(jī)上的掃描數(shù)字化三維電子模型變成實(shí)物。

2 技術(shù)優(yōu)勢分析

三維激光掃描具有速度快(每秒近100萬個點(diǎn))、不需接觸目標(biāo)(非接觸測量)、數(shù)據(jù)量大、精度高等特點(diǎn)。其中，非接觸測量可以獲取被測物體表面海量數(shù)據(jù)，有效地避免了文物數(shù)字化過程中對文物造成接觸式損害。同時，無論被測目標(biāo)結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，都可以按照原貌進(jìn)行采集。三維激光掃描的測量精度可達(dá)毫米級甚至亞毫米級，可以精準(zhǔn)記錄文物原貌并獲取高精度的三維數(shù)字化模型進(jìn)行存檔。利用 3D 打印技術(shù)，可以對掃描后已經(jīng)存檔的高精度數(shù)字化文物進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整與修改，利用 3D 打印機(jī)將模型打印，再對模型進(jìn)行拋光、著色等后期處理，獲得文物的副本。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于成模速度快，模型還原精度高，可以和激光掃描無縫對接[5]。因此，將三維激光掃描和3D打印技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于文物的數(shù)字化及還原具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

3 基本工藝流程

利用三維激光掃描和3D打印相結(jié)合的方式助力文物數(shù)字化及復(fù)原領(lǐng)域是目前主流的發(fā)展趨勢。被測目標(biāo)具有距離短、精度需求高等特點(diǎn)，應(yīng)用于文物保護(hù)的三維激光掃描通常選取手持式或者站載式且以相位差原理獲取目標(biāo)的儀器設(shè)備?；竟に囍饕?biāo)靶布設(shè)、數(shù)據(jù)獲取、模型拼接、模型處理、模型切片、3D打印等多個環(huán)節(jié)，如圖2所示。以趙州橋?yàn)槔U述不同階段相關(guān)工藝流程。

圖2 基本工藝流程圖

3.1 標(biāo)靶布設(shè)

在橋體周圍均勻布設(shè)球形標(biāo)靶，每相鄰兩測站之間布設(shè)不少于3對。3對球形標(biāo)靶位于高低不同的位置，錯落有致，避免安置到同一條直線上，以避免后期找不到相鄰數(shù)據(jù)同名點(diǎn)配準(zhǔn)依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

選取合適角度，架設(shè)站載式三維激光掃描儀，在設(shè)備上設(shè)置好掃描的分辨率以及相機(jī)拍攝的方式，控制掃描時間，對目標(biāo)進(jìn)行360°無定向掃描。目標(biāo)掃描完成，查看標(biāo)靶球掃描的精度，確認(rèn)是否滿足利用表面點(diǎn)云擬合出球心坐標(biāo)的條件，如若精度不夠，需要對球形標(biāo)靶進(jìn)行高分辨率定向掃描。反復(fù)查看，直到滿足擬合球心條件為止。

3.3 模型拼接

根據(jù)激光掃描工作原理，相鄰測站獲取的數(shù)據(jù)都處于不同的獨(dú)立坐標(biāo)系下。需要利用ICP等相關(guān)算法原理進(jìn)行多站數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一，即通過計算出相鄰測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣來完成模型配準(zhǔn)，得到完整的橋體點(diǎn)云模型。

3.4 模型處理

對配準(zhǔn)后得到的橋體點(diǎn)云模型進(jìn)行去噪、精簡、分割、特征提取處理后，對表面數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重建[6-7]，對曲面類文物而言，模型重建通常采取利用點(diǎn)云構(gòu)建格網(wǎng)的方式。該方法精度高，曲面貼合性好，自動化程度高。對重建后的橋體格網(wǎng)模型進(jìn)行磨皮、補(bǔ)洞、網(wǎng)格修復(fù)、平滑、銳化、紋理映射等處理，得到橋體的數(shù)字化三維電子模型并進(jìn)行存檔，保存到數(shù)據(jù)庫中。

3.5 模型切片及3D打印

利用3D打印技術(shù)，將已存檔的高精度數(shù)字化電子文物模型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整與修改，利用計算機(jī)進(jìn)行模型切片，計算打印還原軌跡，生成G代碼。根據(jù)文物的材質(zhì)類型選取相應(yīng)的3D打印機(jī)和原材料，將G代碼輸入到3D打印機(jī)中，打印機(jī)利用噴頭高溫熔化原材料跟隨軌跡進(jìn)行逐層堆積的原理將數(shù)字化模型復(fù)原為實(shí)物。該實(shí)物可以用于真實(shí)文物損壞部分的修復(fù)，也可以代替真實(shí)文物用于參觀展覽。

趙州橋分階段工藝成果如圖3所示。

圖3 基本工藝分階段成果圖

3.6 數(shù)據(jù)補(bǔ)充修復(fù)

在利用站載式三維激光掃描儀進(jìn)行掃描時，難免會產(chǎn)生數(shù)據(jù)漏洞，而數(shù)據(jù)的缺失會對數(shù)字化模型的建立及3D打印帶來困難。可通過兩種手段解決此類問題。一種是除了單一使用站載式掃描之外，配合手持三維激光掃描同步進(jìn)行，掃描角度問題造成的數(shù)據(jù)漏洞可通過手持式掃描儀來補(bǔ)充，靈活方便。另一種是在數(shù)據(jù)處理過程中，對缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充修復(fù)，包括網(wǎng)格優(yōu)化、孔洞填充、平滑銳化等手段。其中，孔洞填充最為關(guān)鍵，包括曲率、切線、平面、內(nèi)部孔、邊界孔、搭橋等多種方法。

與傳統(tǒng)的修復(fù)方法相比，通過三維激光掃描獲取高精度的數(shù)據(jù)，可以建立更加逼真的數(shù)字三維模型，利用軟件進(jìn)行虛擬修復(fù)，提供多種修復(fù)效果比選，以此為依據(jù)來完善真實(shí)修復(fù)方案。虛擬修復(fù)主要包含文物材料體補(bǔ)缺、彩繪修復(fù)、紋理復(fù)原等。

經(jīng)過修復(fù)，模型變得平滑光順且輪廓清晰(見圖4、圖5)。

圖4 趙州橋三維模型數(shù)據(jù)修復(fù)前

圖5 趙州橋三維模型數(shù)據(jù)修復(fù)后

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

通過三維激光掃描與3D打印技術(shù)相結(jié)合，闡述了文物保護(hù)及修復(fù)的現(xiàn)狀、工作原理、基本工藝及其優(yōu)勢。三維激光掃描修復(fù)文物不僅復(fù)原的精度高，而且能在文物數(shù)字化過程中有效避免對文物造成二次傷害。該工藝在文物保護(hù)及修復(fù)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢，可以解決傳統(tǒng)文物數(shù)字化信息留存及精準(zhǔn)復(fù)原的難題。目前，敦煌莫高窟雕塑相繼利用激光掃描以及3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了文物的數(shù)字化存檔及文物再現(xiàn)，技術(shù)正在逐步成熟，工藝的多樣化正在逐步完善。

4.2 展望

目前需要進(jìn)一步解決的問題是3D打印原材料的多樣化、3D打印機(jī)的噴頭數(shù)量以及3D打印的體量，進(jìn)一步提高3D打印的效率和實(shí)用性。與此同時，可以在激光掃描結(jié)合3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上融入高光譜技術(shù)，將激光掃描得到的高精度模型和近景攝影測量獲得的高精度紋理相融合，可以實(shí)現(xiàn)文物模型及色彩的高精度雙重還原及修復(fù)，這對文物保護(hù)及修復(fù)具有十分重要的實(shí)踐意義。經(jīng)過掃描數(shù)字化存檔的電子點(diǎn)云文物模型可以存儲到數(shù)據(jù)庫中，通過互聯(lián)網(wǎng)及云存儲技術(shù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)，構(gòu)建網(wǎng)上數(shù)字博物館，使游客足不出戶即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上參觀瀏覽。3D打印后的文物副品，也可以用于實(shí)際展覽及相關(guān)行業(yè)的主題教育。該技術(shù)的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。