三維掃描技術在陶器修復工作中的應用*

晉 康

(山西機電職業技術學院，山西 長治 046000)

0 引言

三維掃描技術由于其精度高、使用靈活等特點發展迅猛，在文物修復中得到越來越廣泛的應用[1]。結合三維重建技術使得其在陶瓷文物的修復中具有很大的應用前景，避免了因頻繁手工操作給陶器碎片本身帶來二次破壞問題。本文以兵馬俑為例，探討三維掃描技術在文物修復中的應用。首先利用掃描儀對兵馬俑各個碎片掃描得到點云數據[2]；接著利用專業軟件對點云數據進行剔除噪點和冗余點操作，并對碎片點云等進行對齊處理，獲得正確的拼接方法，結合逆向建模技術對碎片進行復雜線條及曲面處理；最后獲得修復后的IGS圖，指導實際的兵馬俑修復工作。

1 三維掃描

在文物保護方面，三維激光掃描儀提供了全新的工具和措施來協助我們更準確地采集數據、統計相關信息。其優點體現在：①數據采集快速，利用掃描儀的非接觸式探頭，在標記點及顯影劑的幫助下能夠準確快速地獲得點云數據；②對于修復的瓷片不會產生二次破壞，掃描技術及數字建模技術可以直接在相關軟件中方便地將獲得的數據進行修改與調整，可以在保證文物絕對安全的情況下進行文物的模擬修復工作，充分保護文物本身[3]；③可以同時生成陶器數據庫，對其進行數字化保存，建立數字文物博物館。三維掃描文物具體流程如圖1所示，常見的三維掃描儀如圖2所示。

圖1 三維掃描文物流程

2 數據采集

數據采集是指利用專業的掃描設備對待處理對象進行掃描后獲取物體的三維點位數據，形成點云的過程[4]。常用的數據采集方式有集成式采集與非集成式采集兩種[5]。集成式采集需要利用特殊硬件及配套軟件實現；非集成式的數據采集則是通過預處理、配準、聯合點對象與封裝、抽稀、網格化等進行處理，具體的操作步驟如下：

(1) 預處理。由于掃描手法及技術原理的限制，會使得獲取的點云數據產生多余的噪點，因此必須采用相應的手段對噪聲進行處理，防止噪聲點對后續的逆向處理產生干擾[6]。另外還需要對游離點進行刪除處理，以對比掃描的方式篩選出明顯錯誤的浮游點，對其進行消除孔洞處理，具體操作過程如圖3所示。最后對過于密集的點云區域進行抽稀處理[7]。

圖2 三維掃描儀 圖3 多余噪點去除

(2) 配準。由于在掃描碎片時是通過旋轉托盤來獲得不同角度的點云數據，因此還需要將分散的云片進行配準處理，以便將它們轉換到統一的坐標系下。

(3) 聯合點對象與封裝。由于在不同姿態下提取到的點云間還存在有重疊區域，且相互分離不是一個整體，因此合并的目的是使這些相互分離的點云合并成一個整體，避免后期建模產生過大的誤差，封裝過程如圖4所示。

(4) 網格重建。該項操作是將離散的點云數據進行處理后形成網格模型，便于后續進行模擬工作，常用的方法是采用三角形網格構建方法。

(5) 網格修改。即在網格重建的基礎上對網格重建時產生的孔洞及突刺進行處理，彌補由于兵馬俑表面復雜造成的拼接錯誤與掃描數據的缺失。另外還需要對處理過程中形成的孔洞進行修補以使殘片表面完整連續[8]，如圖5所示。最后與實際形狀進行對比修正，確保其接近實際形狀。

3 逆向建模

在對點云數據處理完畢后還不能夠直接用于修復工作，還需要在建模軟件中對點云數據進行三維數字化建模處理，使其能夠針對兵馬俑碎片特征進行處理，具體操作步驟如下：

(1) 自動曲面創建。使用自動曲面創建功能將曲面片擬合到面片上，單擊按鈕即可創建曲面體。通過自動曲面創建功能創建的曲面體可以封裝目標面片的整個幾何形狀。在此有兩種不同的方法可供使用：①機械方法：通過符合特征的構造曲線網格，從目標面片創建曲面體；②有機方法：通過投影一個均勻分布的曲線網絡，從目標面片創建曲面體。

(2) 紋理映射。通過對兵馬俑碎片處理形成精確的幾何模型后，還只是在幾何角度上具備了相應的精度，在觀感上與實際的碎片還有較大差距，所以還需要對幾何模型進行紋理映射處理，目的是使創建出的模型能夠更大程度地在外觀上與實際陶瓷碎片保持一致，增加真實性，完整的兵馬俑模型如圖6所示。

圖4 封裝 圖5 兵馬俑網格修改 圖6 完整兵馬俑模型

4 結語

通過將三維掃描及逆向建模技術應用到文物修復工作中，可以在軟件中方便地根據文物形狀及大小對它們進行組合，很大程度上提高了文物工作者修復的效率；而且還可以在軟件中對一些局部細小特征進行修形調整，故其適用于無法找到空缺碎片而進行補充處理的情況。同時還能夠保存修復文物的三維電子數據，為后續建立文物數字博物館提供支持。