基于三維掃描與3D打印的數(shù)字化博物館研究與應(yīng)用

宋 新 張?jiān)セ?/p>

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

1 前言

電影《十二生肖》中，成龍扮演的杰克為了獲取鼠首的三維數(shù)據(jù)，穿戴有傳感器的手套對(duì)鼠首進(jìn)行了三維掃描，并把鼠首數(shù)據(jù)同步傳給3D打印設(shè)備，完成鼠首仿制品的打印，挽救國寶，最終將尋回的獸首歸還中國。電影中近似科幻的場景，現(xiàn)如今已經(jīng)走入了我們的生活，尤其在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，正在發(fā)揮著重要作用。

文化遺產(chǎn)是人類歷史發(fā)展中的遺跡，具有重要的藝術(shù)、文化、科技研究價(jià)值，有必要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)和傳承，便于后人對(duì)歷史文化的認(rèn)知與學(xué)習(xí)。從古至今，各個(gè)時(shí)代的人們從未停止對(duì)文物的保存和傳播的努力。近些年來，隨著三維掃描技術(shù)，3D打印技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，博物館數(shù)字化可原色一比一保存數(shù)據(jù)，非常適合文化遺產(chǎn)的采集、保護(hù)、開發(fā)和再利用。特別是為保護(hù)文物，又不能對(duì)文物進(jìn)行接觸性的研究和復(fù)制，三維掃描可以利用激光掃描非接觸采集數(shù)據(jù)信息，可以將文化遺產(chǎn)中的文物進(jìn)行高精度數(shù)字化保存，研究和開發(fā)相關(guān)產(chǎn)業(yè)。同時(shí)建成后的數(shù)字博物館也便于觀眾交互式、遠(yuǎn)程等多方式觀賞，這對(duì)我國文物保護(hù)和發(fā)展具有重要意義。

2 三維掃描在數(shù)字博物館建設(shè)方面應(yīng)用前景分析

2.1 數(shù)字化及全彩3D打印技術(shù)日臻成熟

三維掃描具有速度快，精度高，掃描數(shù)據(jù)可結(jié)合計(jì)算機(jī)三維建模中正、逆向軟件編輯，重復(fù)使用，因此成為博物館數(shù)字化發(fā)展的主要方向。三維掃描技術(shù)的原理是利用激光三角測距原理，通過發(fā)射激光掃描物體，并采集掃描物體反射回的激光，并將其轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于下一步的三維建模。三維模型建立以后，可以貼圖，制作出文物的原色數(shù)字模型。該模型可利用VR技術(shù)，上傳網(wǎng)絡(luò)，便于遠(yuǎn)程瀏覽，同時(shí)，隨著國內(nèi)外全彩打印的發(fā)展，也可以1：1原色打印，用于文物保護(hù)和衍生品的開發(fā)。

2.2 強(qiáng)大的市場需求

近年來，博物館文物數(shù)字化正在全國范圍內(nèi)如火如荼快速發(fā)展。國內(nèi)諸如國家博物館、陜西省博物館，河南省博物館，龍門石窟、敦煌壁畫等均已開展三維掃描及建模工作。同時(shí)，文物因其珍貴性和稀有性，真品不宜移動(dòng)。3D打印技術(shù)不僅可以復(fù)制文物，同時(shí)可以對(duì)受損文物進(jìn)行修復(fù)，開發(fā)創(chuàng)意飾品等多種應(yīng)用方向。

3 博物館數(shù)字化的技術(shù)路線

博物館數(shù)字化首先需要完成三維數(shù)據(jù)的采集，依據(jù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)依次完成數(shù)據(jù)處理－逆向建模－正向建模修復(fù)－拍照采集文物色彩紋理信息－貼圖映射－高逼真三維文物模型。

3.1 掃描前期準(zhǔn)備

文物數(shù)字化，首先需要保證博物館的文物安全。三維掃描時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：1）文物搬運(yùn)、掃描過程安全。2）確保文物可接受激光掃描。3）工作人員需通過嚴(yán)格培訓(xùn)，作業(yè)時(shí)按操作規(guī)范認(rèn)真執(zhí)行。4）掃描數(shù)據(jù)保密，相關(guān)工作人員簽署保密協(xié)議。5）針對(duì)文物顏色、大小、紋理的不同，布置掃描現(xiàn)場環(huán)境，燈光、工作轉(zhuǎn)臺(tái)，掃描儀等。

圖1 技術(shù)路線及采用的軟硬件設(shè)備

3.2 掃描儀及鏡頭的選?。圆趟綵EISS COMET拍照式掃描儀為例

ZEISS COMET三維掃描儀優(yōu)勢：

1）憑借800萬像素的高分辨率，可捕捉更多細(xì)節(jié)和精細(xì)結(jié)構(gòu)。

2）即使在惡劣的環(huán)境條件下，ZEISS COMET 8M通過自動(dòng)識(shí)別振動(dòng)和環(huán)境光線的變化可提供精確的3D數(shù)據(jù)。高速相機(jī)和高光強(qiáng)度可以更明顯地縮短測量時(shí)間。創(chuàng)新技術(shù)確保最高效率。

3）高速相機(jī)和高光強(qiáng)度可以更明顯地縮短測量時(shí)間。一個(gè)測頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，立即為新項(xiàng)目更換測量區(qū)域：鏡頭方便更換和直接進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。

4）測頭系統(tǒng)輕便、結(jié)構(gòu)緊湊，便于運(yùn)輸，并且可以輕松改變測量范圍。

3.3 鏡頭的選擇

COMET測量頭的測量場通常由攝像機(jī)鏡頭和投影儀鏡頭組合構(gòu)成。每組的測量場是不同的，根據(jù)不同模型的大小選取對(duì)應(yīng)的鏡頭，這意味著任何時(shí)候在變更測量場時(shí)，攝像機(jī)鏡頭和投影儀鏡頭應(yīng)成對(duì)更換。更換鏡頭后，應(yīng)始終采用校準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.4 掃描過程

圖2 平面剪裁雜點(diǎn)

打開掃描軟件ZEISS conlin3D，軟件將顯示上一次掃描任務(wù)。如需開始新的掃描，則點(diǎn)擊“新建”命令。觀察第一幅掃描出的數(shù)據(jù)質(zhì)量，若數(shù)據(jù)完整則使用平面剪切將雜點(diǎn)刪除，點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)掃描。若數(shù)據(jù)不完整，則需要點(diǎn)擊“取消”刪除該幀數(shù)據(jù)后重新選擇合適參數(shù)繼續(xù)掃描，直至獲得滿意數(shù)據(jù)。

第一序列數(shù)據(jù)掃描完成后，轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)或者掃描儀，開始下一序列的掃描。視圖數(shù)據(jù)掃描完整后，保存源文件。

3.5 網(wǎng)格處理

掃描數(shù)據(jù)首先選擇“全局優(yōu)化”命令，完成智能優(yōu)化。隨后使用“網(wǎng)格處理”命令對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行封裝處理，先選擇“無”進(jìn)行處理，再選擇“質(zhì)量控制” 輸出“OBJ”和“STL”在其他軟件中進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化處理。

3.6 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

Geomagic 是一家世界級(jí)的軟件及服務(wù)公司，在眾多工業(yè)領(lǐng)域如汽車、航空、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。公司旗下主 要產(chǎn)品為 Geomagic Wrap、Geomagic Control 和 Geomagic Piano。其中Geomagic Wrap 是被廣泛應(yīng)用的逆向工程軟件，可以幫助用戶從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中創(chuàng)建優(yōu)化的多邊形網(wǎng)格、表面或CAD 模型。數(shù)據(jù)處理階段所使用的主要是Geomagic Wrap 軟件。

3.6.1 點(diǎn)階段處理

掃描數(shù)據(jù)由幾何點(diǎn)位置組成，采集足夠的點(diǎn)來表達(dá)一個(gè)掃描項(xiàng)目來形成一個(gè)完整外形。這些數(shù)據(jù)是由掃描儀采集的，數(shù)據(jù)可以由掃描儀直接輸出，點(diǎn)云是通用的數(shù)據(jù)類型，由單獨(dú)的點(diǎn)位置組成，在Geomagic Wrap軟件中，點(diǎn)云可以直接通過一個(gè)文件導(dǎo)入。點(diǎn)處理階段可以完成雜點(diǎn)刪除、減少噪音、光順等優(yōu)化處理。

3.6.2 多邊形階段處理

多邊形對(duì)象——多邊形對(duì)象或者網(wǎng)格是三角形的一個(gè)集合，三角形的定點(diǎn)相互連接，這些定點(diǎn)和原始對(duì)象是一樣的。在Geomsgic中，如果多邊形結(jié)構(gòu)變化，原始點(diǎn)云的結(jié)果也會(huì)隨著變化。在多邊形階段，可實(shí)現(xiàn)面片光順處理、平滑、補(bǔ)洞、精簡。

3.6.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

處理好的、對(duì)好坐標(biāo)系的完整模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出，以指定的STL、OBJ等格式進(jìn)行保存。

3.7 二維拍攝

利用高清數(shù)碼相機(jī)二維拍攝文物外觀，然后將其與三維掃描結(jié)果合成，即可獲得一件效果出眾，細(xì)節(jié)豐富，可任意旋轉(zhuǎn)放大縮小的三維文物模型。二維拍攝作為整個(gè)制作流程中不可或缺的一步，利用高清數(shù)碼相機(jī)即可完成。拍攝具體要求有：

3.7.1 圖像清晰

圖像清晰是拍攝最基本要求，是圖像采集拍攝的底線。所有照片均需通過使用三腳架拍攝，確保拍攝過程穩(wěn)定，以此來達(dá)到最佳清晰度。

3.7.2 角度全面

拍攝時(shí)，需要根據(jù)后期的需求，把文物角度拍攝全面，以供后期貼圖使用?？勺远x轉(zhuǎn)臺(tái)角度來協(xié)助拍攝。

3.7.3 光線均勻

圖像采集不同于一般靜物攝影，無需通過光影來表現(xiàn)物體，只需要光線柔和均勻，無明顯暗影及反光即可。必要時(shí)可通過使用柔光棚及常明燈來協(xié)助拍攝。

3.7.4 色彩準(zhǔn)確

拍攝前，需要使用色卡來對(duì)相機(jī)進(jìn)行白平衡校準(zhǔn)，因拍攝環(huán)境，燈光的不同，會(huì)使拍攝圖像產(chǎn)生色差，校準(zhǔn)白平衡，可使照片色彩盡可能還原、準(zhǔn)確，也可以通過拍攝色板后期統(tǒng)一校準(zhǔn)照片色彩。

3.7.5 構(gòu)圖得當(dāng)

拍攝時(shí)，盡量將文物放置畫面中央，讓文物充滿畫面并適當(dāng)留白，使被拍攝物品畫面占比盡量高。慎重使用廣角，因?yàn)閺V角會(huì)使被拍攝物品產(chǎn)生變形，給后期貼圖增加困難。

3.8 數(shù)據(jù)模型貼圖－以貼圖大師為例

3.8.1 紋理

第一步：識(shí)別前后背景。可以將模型大致放在一個(gè)準(zhǔn)確的位置，點(diǎn)擊識(shí)別。也可以手動(dòng)選取前后背景的種子點(diǎn)，點(diǎn)擊識(shí)別。識(shí)別之后還可以加選前后背景種子點(diǎn)，剔除誤選部分。

3.8.2 虛擬相機(jī)映射

第二步：前后背景準(zhǔn)確識(shí)別之后，點(diǎn)擊調(diào)整位置按鈕，軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)整模型的位置使模型邊界和前后背景邊界一致。此過程之前可以調(diào)整“參數(shù)設(shè)置”里面的FOV大小，該參數(shù)和拍攝圖像的相機(jī)參數(shù)有關(guān)。

圖3 模型與圖片的對(duì)齊

3.8.3 控制點(diǎn)映射

激活即將映射的圖像。圖像管理面板區(qū)中左鍵雙擊即將映射圖像，該圖像將出現(xiàn)在圖像工作區(qū)。打開控制點(diǎn)映射模塊。紋理－ 控制點(diǎn)映射。

選擇同名控制點(diǎn)?！癈trl+左鍵”在模型和圖片相同位置各自選點(diǎn)，均勻分布。

選擇映射方式。在“映射類型”下選擇適合的映射方式。

計(jì)算控制點(diǎn)誤差，操作區(qū)域-選擇計(jì)算?？蛇x擇刪除誤差較大的控制點(diǎn)，控制點(diǎn)映射區(qū)域-選擇要?jiǎng)h除的控制點(diǎn)-右擊-刪除控制點(diǎn)。

映射。點(diǎn)擊面板上方的映射按鈕。

圖4 控制點(diǎn)映射貼圖

3.8.4 紋理模型導(dǎo)出

文件－導(dǎo)出模型。導(dǎo)出時(shí)，可以設(shè)置導(dǎo)出屬性，是否移動(dòng)到原點(diǎn)、是否交換Y軸和Z軸，是否導(dǎo)出為一張紋理。導(dǎo)出為一張紋理時(shí)需要選擇展UV的OBJ文件。完成三維模型貼圖，至此，原色1：1三維數(shù)據(jù)建立完畢。

4 實(shí)例－以開封市博物館文物編鐘數(shù)字化過程為例

編鐘紋理精美，復(fù)雜，顏色較暗，尺寸約為480*240*200mm，針對(duì)以上特點(diǎn)，為了采光等需求，工作組搭建了拍照棚進(jìn)行二維數(shù)碼拍攝。掃描儀選擇蔡司ZEISS COMET M8，鏡頭選擇M8-75如下圖所示。

圖5 蔡司ZEISS COMET M8、掃描鏡頭

三維數(shù)據(jù)的掃描

搭建合適掃描環(huán)境，掃描轉(zhuǎn)盤進(jìn)行編鐘的三維掃描，如下圖。

圖6 編鐘數(shù)據(jù)掃描

二維圖片拍攝

搭建拍攝棚，完成編鐘各個(gè)角度拍攝，用于后期貼圖處理。

圖7 不同角度拍攝編鐘數(shù)碼相片

數(shù)據(jù)處理與貼圖

分別采用 Geomagic Wrap 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件和貼圖大師完成掃描數(shù)據(jù)的處理，建立完整的三維模型數(shù)據(jù)和貼圖。

圖8 數(shù)據(jù)完整的編鐘模型及貼圖模型

全彩1:1原色3D打印編鐘

采用珠海賽納sailner J501系列直噴式全彩色3D打印機(jī)，該打印機(jī)支持貼圖打印、打印尺寸范圍為500*400*300mm，材料為全彩光敏樹脂，最大分辨率高達(dá)14μm和1800dpi的打印精度，可確保獲得光滑、精致細(xì)節(jié)的卓越的文物仿制模型，滿足打印要求。打印機(jī)及打印產(chǎn)品如下圖：

圖9 sailner J501系列直噴式全彩色3D打印機(jī)及打印編鐘

5 結(jié)語

三維掃描是指集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。三維掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。而且其測量結(jié)果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術(shù)應(yīng)用日益普及的今天很受歡迎。在博物館數(shù)字化方向發(fā)揮著越來越重要的作用。

但現(xiàn)有掃描技術(shù)也有一定的局限性，根據(jù)掃描原理，掃描儀采集的是掃描反射數(shù)據(jù)，對(duì)于透明，激光不易達(dá)到的孔、窄縫等還存在一定難度，這就需要進(jìn)一步提高掃描技術(shù)和其它傳統(tǒng)技術(shù)和先進(jìn)的3D打印技術(shù)等相結(jié)合解決以上問題。隨著先進(jìn)采集技術(shù)的不斷發(fā)展及文物數(shù)字化保護(hù)需求的不斷增加，我們相信文物必將得到更好的保護(hù)，歷史數(shù)據(jù)必將得到更好的儲(chǔ)存。