數(shù)字化復(fù)合3D打印技術(shù)在文物領(lǐng)域的研究及應(yīng)用

李英 孫茂銀 吳健 于云峰

摘要： 以西漢文物西漢“虎鈕五銖紋銅錞于”為例，基于其形狀結(jié)構(gòu)、色彩結(jié)構(gòu)、歷史文化等信息特征，利用顯微攝影、堆疊攝影和高精度三維數(shù)據(jù)測量等技術(shù)，開展文物數(shù)字化信息采集、建模、復(fù)制研究，探索3D打印文物復(fù)制技術(shù)。通過設(shè)計3D打印工藝方法對文物高精度復(fù)制品的制作工藝進(jìn)行研究，完成西漢文物“虎鈕五銖紋銅錞于”高精度復(fù)制，形成一套先進(jìn)、有效的文物數(shù)字化復(fù)制技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化; 信息采集;3D打印; 文物復(fù)制

中圖分類號：G260.7;G264.2;TP391.73? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）10-58-03

Research and application of digital technology in the field of cultural relics

Li Ying1， Sun Maoyin1，2， Wu Jian1，2， Yu Yunfeng1，2

（1. Guizhou Institute of metallurgical and chemical industry， Guizhou， GuiYang 5500142， China;

2. Guizhou Senyuan additive manufacturing technology Co.， Ltd）

Abstract： Taking the West Han cultural relics of the West Han "The Fu Niu Copper Chun Yu with Wu Zhu Lines Copper" as an example， based on its shape structure， color structure， historical culture and other information features， the technologies of microphotography， stacking photography and high-precision 3D data measurement was used to carry out the research on collection， modeling and reproduction of digital information of cultural relics， exploring the technology of 3D-printed copy of cultural relics. Researched on the manufacturing process of high-precision reproductions of cultural relics by designing 3D printing methods， the West Han cultural relics of "The Fu Niu Copper Chun Yu with Wu Zhu Lines Copper" was accurately copied， which formed a set of advanced and effective digital reproduction technologies for cultural relics.

Key words： digital; collection of information; 3D printing; reproduction of cultural relics

0 引言

隨著社會的發(fā)展及生活水平的提高，人們對精神文化的追求越來越高，博物館也隨之成為了解歷史文化的圣地，文物作為歷史文化的代表作，是貫穿歷史文明的載體，在文化發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。隨著科技的發(fā)展，文物不再是只能隔著玻璃觀看的物體，也不再是只存放于倉庫的物件，文物具有歷史價值、藝術(shù)價值、科學(xué)價值和社會價值屬性，因此，對外交流也變得日益頻繁[6]，數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)，縮短了人與物的距離，人們不僅可以360度觀看文物，同時也能用手觸碰感知文物紋理特征，能實現(xiàn)對文物的直觀感受主要得益于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，其為文物復(fù)制、保護(hù)、展示、修繕等提供了技術(shù)支持。易損、不易移動是文物對外展示和交流時面臨的主要問題，因而，解決這一問題的最有效方法是文物數(shù)字化，將文物數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，保存的數(shù)據(jù)不會隨著時間的流逝而消失，同時也能為博物館文物的保護(hù)和復(fù)制提供解決方案，文物對于我們來說，不僅僅是欣賞其精美的外觀，更重要的是了解其蘊含的歷史文化，如何重現(xiàn)歷史文明載體是研究者值得深入探討的問題，當(dāng)前，三維掃描技術(shù)、高精度攝影技術(shù)、3D打印技術(shù)等快速發(fā)展，都為文物數(shù)字化的實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)[8]。

1 獲取文物數(shù)據(jù)的方法

目前，實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)信息常用的方法有激光三維掃描和高精度攝影。激光三維掃描可以精確獲得文物表面的點云數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)[5]，對于掃描對象較為復(fù)雜的板塊，獲取的點云數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)偏差，尤其表面顏色較深的文物，會直接影響掃描質(zhì)量，因此，一般需要根據(jù)物體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、破損程度、材質(zhì)特點以及表面顏色的深淺等制定掃描方案以達(dá)到更好的效果，當(dāng)前可通過結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)解決這一問題，利用結(jié)構(gòu)光三維掃描獲取的數(shù)據(jù)通過重建模型，可為博物館提供虛擬展示、研究[1]。

由于本文研究的是虎鈕五銖紋銅錞于的復(fù)制，根據(jù)其大小和結(jié)構(gòu)特征，我們選用手持式激光掃描儀進(jìn)行三維掃描，掃描前需根據(jù)文物大小制定合適的框架，將文物放置于框架內(nèi)，通過激光反射點獲取到文物點云數(shù)據(jù)，這樣能有效避免激光對文物造成損害，由于搭建了掃描支架，因此掃描得到的數(shù)據(jù)同時也包含了支架數(shù)據(jù)，需要通過專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)去除、整合。器物圓盤處和器身部分有缺失，為了更高程度接近原物，缺口處需切換光源進(jìn)行重復(fù)掃描才能精準(zhǔn)獲取完整數(shù)據(jù)，這對儀器的精準(zhǔn)度和數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了更高的要求。文物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、色彩數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)等的有效結(jié)合才能得到完整的三維模型，獲取的數(shù)據(jù)點云是一個整體，文物三維模型重建是以實體對象為基礎(chǔ)，得到的三維模型為后期進(jìn)行3D打印輸出提供完整的數(shù)據(jù)支持[2-3]。

2 點云數(shù)據(jù)處理

三維重建包括獲取數(shù)據(jù)、點云處理、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、合并和網(wǎng)格封裝重建等主要步驟，由于外部噪聲的影響，獲取的數(shù)據(jù)不僅包含掃描對象的數(shù)據(jù)，同時也包含掃描對象以外的數(shù)據(jù)，因此，掃描獲取的點云通常存在重疊、多余、缺失和干擾等問題，需要進(jìn)行處理[4]，如圖1所示。為了更準(zhǔn)確建立文物模型，獲得的數(shù)據(jù)通過處理后，確定最終數(shù)據(jù)信息并重構(gòu)數(shù)字化模型，重構(gòu)后的模型可直接用于文物復(fù)制、展示、修復(fù)，研究路線如圖2所示。

3 應(yīng)用實例

虎鈕銅錞于頂部虎身體積小、紋理細(xì)、密集、較淺、內(nèi)部為空，腿部與圓盤銜接處紋理自然轉(zhuǎn)折，這些特點增加了掃描的難度，由于是對文物做復(fù)制，因此細(xì)節(jié)部分也需與原物保持一致，這是決定銅錞于被復(fù)制成功與否的主要因素之一，針對這一問題，通過切換光源多次掃描，同時將數(shù)碼拍照獲取的色彩信息貼圖對比，器身破損部分進(jìn)行局部拍攝、掃描，數(shù)據(jù)經(jīng)處理以后，得到文物實體法人三維模型，通過3D打印與鑄造工藝結(jié)合獲得制件，色彩的后期處理可采用傳統(tǒng)工藝技術(shù)，文物是不可再生的，復(fù)制件作為展品展示和交流時，可直接影響人們對文物歷史文明的認(rèn)知，因此其復(fù)制品在顏色、結(jié)構(gòu)、紋理、重量上，須保持與原物一致，這樣才能使古代文化遺產(chǎn)得真正的數(shù)字化展示和保護(hù)，傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)與現(xiàn)代保護(hù)技術(shù)相結(jié)合可提高復(fù)制精確度，尤其色彩上更加需要利用傳統(tǒng)手工技藝和經(jīng)驗，如圖3所示。

4 存在的問題

通過對西漢虎鈕五銖紋銅錞于的復(fù)制，我們發(fā)現(xiàn)獲取的制件虎鈕尾部形態(tài)、虎身紋理走向等不夠自然順暢，未能體現(xiàn)其過渡性和自然彎曲，針對這一問題，后期采用了傳統(tǒng)手工技藝進(jìn)行復(fù)原，無論是采用現(xiàn)代技術(shù)還是傳統(tǒng)工藝，都需要在不會對文物造成損壞的前提下進(jìn)行文物的修復(fù)、復(fù)制，二者相互結(jié)合能有效促進(jìn)文物數(shù)字化工作的發(fā)展。

5 結(jié)束語

文物數(shù)字化技術(shù)借助先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和掃描設(shè)備精確度的不斷提高，促進(jìn)了古代歷史文化發(fā)展得以繼承和深入研究，使我國古代文化遺產(chǎn)得到有效的展示和保護(hù)。隨著信息技術(shù)的普及，人們對信息化技術(shù)的快速發(fā)展有了更深入的認(rèn)識，在生活和工作中對信息化的使用也越來越方便，這也促進(jìn)了文物虛擬展示和交流的發(fā)展，可以快速實現(xiàn)博物館之間資源共享，數(shù)字化技術(shù)作為文物研究保護(hù)和復(fù)制的重要途徑和輔助手段，與3D打印的有效結(jié)合，融入傳統(tǒng)工藝技術(shù)，形成了一個完整的數(shù)字化體系，3D打印不受文物形狀復(fù)雜程度的限制，將物體復(fù)雜的形狀直接打印出來，這項技術(shù)對于形狀特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的文物保護(hù)和復(fù)制有著重要的社會效益價值[7]。

我國出臺了多項專門針對文物保護(hù)工作的法律法規(guī)，使數(shù)字化+3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物復(fù)制的優(yōu)勢與法律法規(guī)中對文物保護(hù)的規(guī)定相契合，這也為數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和3D打印技術(shù)的發(fā)展提供了契機，具有潛在的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 卜衛(wèi)明.3D打印技術(shù)在古代早期陶器復(fù)制中的應(yīng)用[J].上海博物館文物保護(hù)科技中心，2018.

[2] 王海南，邱望標(biāo).基于逆向工程的少數(shù)民族文化遺產(chǎn)保護(hù)方法研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011.24（2）：175-177

[3] 張玉鵬，周明全，李暉.基于形狀相似的三維模型檢索方法研究[J].北京師范人學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011.47（4）：374-377

[4] 李巖.面向特征的傳統(tǒng)藝術(shù)圖案建模技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士學(xué)位論文，2007.

[5] 龍初凡，蔣大智.黔東南苗族銀飾化學(xué)鍍銀工藝研究[J].貴州民族研究，2011.32（139）：78-82

[6] Wang Yanni. Zhang He.The Application of Digital Technology in Ceramic Cultural Relics Restoration.? The authors-Published by Atlantis Press，2012.

[7] 鐘山.復(fù)雜曲面正向/逆向快速設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)與增材制造數(shù)據(jù)處理方法研究[D].華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院博士學(xué)位論文，2013.

[8] 張勇.激光掃描與3D打印在文物保護(hù)中的應(yīng)用[J].巖土工程技術(shù)，2020.34（5）：10