三維數據處理及3d打印技術在文物修復中的應用

朱長永 馬超 沈九美 南通理工學院

文物是歷史的載體，也是文明的象征， 蘊含著豐富的歷史文化信息,中華文明的呈現很多都是通過文物來驗證的，現代人通過文物來研究古人生活和社會發展進程，所以要盡可能地保護好文物上面存有的歷史信息, 使得古文物上的歷史信息可以更好地服務于現代社會，如何借助現代技術更好的保護文物資源并傳承歷史文化成為現在眾多考古學家急需解決的問題。本論文研究的意義在于借助三維掃描技術獲取文物表面的點云數據，并通過計算機算法得到精準數據模型，建立文物數據檔案，借助現代化的制造工藝對文化進行修復，重現歷史。

對文物數據模型的獲得主要是通過三維掃描技術來實現的，三維掃描技術是一種集成了多種高技術的三維坐標測量儀，采用非接觸式激光測量的方法，它以點云形式快速獲取被攝物體陣列圖形的集合數據，將珍貴文物的幾何、顏色、紋理信息記載下來，從而構建虛擬的三維場景，大大降低了數據建模的時間和人工成本。通過對點云數據的修復獲得高質量三維數據模型，并通過3D打印技術，將點云數據模型轉化為高質量實體模型，為文物的修復、保存及文化的傳承提供了解決方案，同時借助現代的制造技術對文物進行修復從而轉化為文化創意產品有利于文化的傳播。

文物數據的修復過程大致如下：首先通過三維掃描技術，掃描文物獲得點云數據模型，這時的點云數據模型往往存在大量冗繁的數據。再次借助計算機算法對點云數據進行修復，通過修復將冗繁的數據刪除，從而獲得精度較高的三維數據模型，點云數據得修復借助magics軟件完成，其獨特得點云數據修復算法減少了冗繁數據得產生，讓數據模型更加合理；其次將處理完成的數據模型“切割”成逐層的截面，即切片；然后將生成的三維模型添加其支撐，從而保障打印過程中的穩定性；最后導入到打印機逐層打印，將破損的數據模型制作出實體，并通過各種處理手法讓他與原文物模型進行嵌合，從而保證文物模型的完整性。流程圖（如圖1－1）

（如圖1－1 文物修復及文化創意品開發）

在國內，三維掃描技術及3D打印技術應用在文物修復方面，技術已經逐漸成熟，數據模型的處理及算法各不相同，但都解決了文物的修復及傳承的價值。在陜西歷史博物館，借助三維掃設備獲取文物三維掃描數據建立數據檔案便于文物管理，在秦陵兵馬俑的挖掘過程中，文物普遍存在損壞現象，通過三維掃描設備獲取點云數據模型，并通過三維重構技術重現歷史原貌，通過3D打印技術修復受損的歷史文物并轉換為文化創意產品（圖1-2，1-3）。在北京故宮博物館，借助3D打印技術及逆向設計過程，對受損的故宮文物進行修復，并借助3D打印技術，將北京具有特色的傳統的文化產品進行復制，轉化為文化創意產品深受旅游愛好者的喜歡。南京師范大學楊繼全教授帶領的科研團隊，通過三維掃描及3D打印的方式，制作完成1：1的古代貔貅，并通過現代工藝方法，再現古代歷史文物。

迄今為止，在各大博物館里面，均保有很多受環境影響，自然狀態下正在不斷侵蝕的文物，其本身已經不再適合陳列展示以及長途搬運，但是由于研究或者展示需要不得不進行陳列或展示，這就有必要通過復制手段，制作出一件替代品進行陳列，從而滿足陳列以及研究的需要，盡量延長文化的壽命。借助三維掃描技術及3D打印技術，對文物進行復制，文化起到一種傳承及保護的作用。文化延生品的開發，本身也是歷史文化展示的另一種形式，體現了文化的內涵.

（1-2 秦陵兵馬俑工藝品）

（1-3 秦陵兵馬俑展品）

在國內3D打印技術已經日趨完善，3D打印機的設備及材料方面都也趨于成熟，各種新型材料不斷涌現，從原始的PLA材質到光敏樹脂再到金屬打印等，相信不久的將來3D打印技術會深入到我們生活的方方面面改變我們的生活。