虛擬油泥技術Freeform在文物快速復原中的應用研究

陶燎亮 杜臻臻

摘要：通過研究與分析傳統文物的復原過程，運用基于虛擬油泥技術Freeform的快速成型技術，快速構建文物缺失部分，實現文物快速復原。借助三維掃描儀和三維建模工具，快速構建殘缺文物的三維模型，運用虛擬油泥技術復原殘缺文物缺失部分，改進傳統文物復原過程的復雜工藝，結合3D打印技術，提高文物復原效率，為文物保護事業提供數字化思路。

關鍵詞：虛擬油泥 FreeForm 文物復原

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

Abstract： Through the research and analysis the procedure of the traditional relics recovery， by using rapid prototyping technology based on virtual sludge technology freeform， build the missing part of relics quickly， and realize relic recovery quickly. With the help of 3d scanner and 3d modeling tools， build the 3d model of the imperfect relics quickly， recover the missing parts of the imperfect relics by using virtual sludge technology， and improve the complex technique of the traditional relic restoration. Combined with 3d printing technology， improve the efficiency of cultural relic restoration， and provide digital way of thinking for the protection of cultural relics.

Keyword： Virtual Grease；Freeform；Relics Recovery

1 引 言

文物作為文化遺產是不能再生也不能永生的文化資源，在人類社會發展過程中，難免受到自然及人為因素的破壞，必須采取積極有效的措施對文物進行修復與保護。文物復原是考古和文物研究中一項必不可少的、技術性很強的工作。目前在全國千余名文物保護科技人員中，專門從事文物復原的人員不足400人，而我國現有2000多萬件文物亟待復原，復原任務非常嚴峻。

傳統文物復原技術因其技術手段所限，沒有步入現代化的行列。隨著信息技術的發展，尤其是三維信息獲取、虛擬現實、對媒體的研究與應用，為珍貴文物的保護、復原與研究提供了新的技術和手段。利用計算機輔助文物復原，可以加快文物復原的速度，避免修復過程對文物的損害，較低文物復原的難度，而且可以把復原文物的三維模型直接用于數字博物館的文物展示和檢索中，實現資源共享。

虛擬油泥技術FreeForm的出現是對現有計算機輔助設計方法的一個有益補充，特別是在復雜曲面造型設計和快速建模方面有較強的應用價值。將虛擬油泥技術FreeForm應用到文物復原方向上，能夠解決文物復雜曲面快速建模和復原，大大提高文物復原效率。

本文運用虛擬油泥技術FreeForm設計系統，借助三維掃描設備和三維建模工具，快速構建殘缺文物的三維模型，運用虛擬油泥技術復原文物殘缺部分，將缺陷模型導入快速成型機器，制作出殘缺部分模型，最后修補缺陷部分邊緣輪廓和上色處理，復原文物原型。

2 FreeForm設計系統

FreeForm觸覺式設計系統是一套基于“虛擬油泥”和“力反饋技術”的造型設計系統。基于3D Touch技術，使用者可以通過視覺和觸覺結合來完成復雜3D模型的構建。FreeForm系統為設計者和建模者創建原始模型或修復數據提供了一個快速且經濟有效的方式。

2.1 系統結構

FreeForm觸覺式設計系統主要由觸覺設備PHANTOM和FreeForm Modeling Plus建模軟件構成。設計者通過使用觸覺設備PHANTOM中的操作桿來雕刻FreeForm Modeling Plus軟件中的“虛擬油泥”或“數字黏土”，對模型實現生長、拉伸、削減、旋轉、鏡像、上色等操作。設計者所使用的操縱桿在軟件中的坐標定位接觸數字黏土并對其進行雕刻的時候，能夠明顯的感覺到操作桿反饋過來的阻力，具有沉浸感良好的用戶體驗和設計，從而更具真實地設計并創造產品的新造型，加快產品開發的效率。系統的結構圖如圖1所示。

2.2 系統兼容性

FreeForm系統同時支持stl、step、iges、和bmp等輸入輸出格式，通過該系統設計的3D模型導出stl格式模型直接導入到3D打印軟件可直接打印出3D模型。同時可兼容多種3D建模軟件，例如3ds max軟件、Auto CAD軟件和UG建模軟件等。采用靈活交叉建模方式可縮短建模過程所需的時間，也可以為建模過程中遇到一些難以解決的問題提供了更多的解決思路。

3 文物復原實例

本文以復原青瓷文物為例，展示虛擬油泥技術FreeForm設計系統在快速復原文物過程中實際應用效果。在文物修復的傳統工序中，拼接、補缺和全色三道工序都可以通過計算機輔助進行。通過三維掃描設備獲取殘缺文物的數據，構建文物的三維模型，采用虛擬現實技術和虛擬油泥技術FreeForm記錄文物殘缺部分所處的次序及位置，構建其文物缺片，最后復原文物原型。

3.1 建立基本模型

通過三維掃描儀，把有殘缺的青瓷文物掃描成三維模型并導出STL格式，把掃描好的三維模型導入到FreeForm設計系統中，如圖2所示。

3.2修復模型

執行Select clay with ball命令，選擇Select all clay全選，使用copy selected clay命令復制一個，選擇粘貼至另一個對象，以備鏡像后與原始數據做布爾運算。

創建一個新的2D平面。首先把對象的坐標中心定在物體的中間，把視角轉到前視角，再產生一個新的2D平面，讓生成的平面與視角平行。如圖3所示。

編輯所新建的平面，旋轉平面及把平面移到對象中心。

選擇鏡像平面（選取Match后會彈出很多平面可供選擇）。執行Preview（預覽）后，再選取Flip，可選擇所鏡像的方向及內容。鏡像方向確定后，再執行Apply。鏡像之后的結果如圖4所示。

把鏡像后的對象和原始點數據做個比較，然后再通過Combine（布爾）可以快速得到青瓷殘缺的部分。如圖5所示。

執行選擇工具，點擊粘土，“Crtl+I”反選，按Delete將多余的碎片刪除。選擇Select all clay全選，使用copy selected clay命令復制一個，選擇粘貼至另一個對象，以備修正后作誤差檢測。

青瓷殘缺部分大致雛形完成后，由于要和青瓷做配合，所以用變形工具Tug，順滑工具Smooth，修整后的殘缺部分模型如圖6所示：

3.3模型渲染

完成整個模型構建以后，選擇進入Rendering工具欄，點擊設置材質。點擊設定燈光，燈光類型主要有Point（點光源），Spot（聚光燈），Infinite（日光燈）三種類型，這里選擇Spot燈光，設置好燈光顏色、照射范圍、燈光質量后，得到最終的渲染效果圖如圖7所示。

4 結語

基于虛擬油泥技術FreeForm設計系統在一定程度上改變了傳統文物復原方法，充分運用三維掃描技術、三維建模技術、虛擬現實技術、快速成型技術，建立一套文物復原保護方法，開拓了計算機應用新領域，為文化遺產的復原、保護和展示提供了新的技術手段，最終促進文物保護工作快速發展。

參考文獻

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