增材制造技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

吳開明，沈佳彬，柯達(dá)威，章陳忠

（1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053；2.先臨三維科技股份有限公司，浙江 杭州 311258）

《中國制造2025》是國家于2015 年部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略文件，也是國家實(shí)施制造強(qiáng)國的十年行動(dòng)總綱領(lǐng)。為響應(yīng)這份戰(zhàn)略性綱領(lǐng)文件，在智能制造領(lǐng)域，目前市場上有很多關(guān)于3D 打印方面的研究，但是對(duì)于三維模型的獲取方面的研究卻是比較少的。在工程實(shí)踐環(huán)節(jié)中很多都是直接建立模型，但在某些應(yīng)用領(lǐng)域需要直接獲取三維原模型。由于在三維模型掃描方面的研究較少，同時(shí)學(xué)術(shù)界對(duì)于三維掃描在市場上應(yīng)用領(lǐng)域的研究也較少，因此本文將主要在此方面進(jìn)行研究。

三維掃描作為一種快速的立體測量設(shè)備，因其測量高速度、高精度、無接觸、方便使用等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的應(yīng)用。采用三維掃描儀對(duì)模型、樣品、手板進(jìn)行掃描，可以得到其立體尺寸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能直接與CAD/CAM 軟件接口，在CAD 系統(tǒng)中可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整、修補(bǔ)，再送到加工中心或快速成型設(shè)備上制造，可以極大縮短產(chǎn)品制造周期。針對(duì)這一情況，筆者做了此方面的調(diào)查研究。

1 三維掃描的原理

目前市面上經(jīng)常看到的三維坐標(biāo)測量儀器很多用來掃描工業(yè)產(chǎn)品，它屬于逆向工程，即對(duì)一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能性能規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)品。

市面上三維掃描設(shè)備大體分為接觸式三維掃描與非接觸式三維掃描，其中接觸式三維掃描一般采用三坐標(biāo)測量原理進(jìn)行掃描，非接觸式三維掃描又分為光柵三維掃描和激光掃描。其原理分別為如下3 方面。第一，三坐標(biāo)測量原理是指根據(jù)物方點(diǎn)的同名像點(diǎn)列出共線方程進(jìn)行求解而得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)[1]，再依據(jù)這些測量點(diǎn)的空間坐標(biāo)，通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算出被測工件的幾何尺寸和相互位置關(guān)系。其中經(jīng)常看到的三維坐標(biāo)測量儀器是三坐標(biāo)測量機(jī)，大多數(shù)時(shí)候用來掃描工業(yè)產(chǎn)品，也用于反求測量[2]。傳統(tǒng)的手動(dòng)測量方式被三坐標(biāo)測量機(jī)的發(fā)明而淘汰，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化自動(dòng)測量技術(shù)，同時(shí)三坐標(biāo)測量機(jī)可以對(duì)之前不好測量的復(fù)雜零件進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜零件表面輪廓尺寸的測量，而且提高了測量的精度，也大大提高了測量的效率[3]。第二，投影光柵法原理是基于三維重建技術(shù)，在物體表面投射光柵后，由2 臺(tái)攝像機(jī)拍攝產(chǎn)生畸變的圖像，利用相位解碼獲取每一點(diǎn)的相位信息，再結(jié)合1極線幾何約束關(guān)系實(shí)現(xiàn)2 幅圖像上點(diǎn)的匹配，最后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，利用三角法計(jì)算點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)物體表面三維輪廓的測量。并結(jié)合彩色紋理模塊獲取物體表面對(duì)應(yīng)空間信息的彩色紋理信息[4]。第三，激光三角法原理是采用激光器投射一束激光光束，光束打到物體表面時(shí)，根據(jù)物體特性，會(huì)有反射光反射回來，此時(shí)用攝像機(jī)捕獲到反射光，當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，表面位置會(huì)發(fā)生變化，線激光器打到物體表面的位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此攝像機(jī)捕獲到在攝像機(jī)成像平面的反射光點(diǎn)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。本次研究就是采用激光三角法，其原理如圖1 所示。

圖1 激光三角測量原理圖

圖1 中，p'為攝像機(jī)的光點(diǎn)側(cè)移距離，P表示物體表面偏移距離，n為成像平面中心點(diǎn)與透鏡后主平面的距離，m為激光光軸與物體表面的交點(diǎn)到透鏡前主平面的距離，α為激光光軸與被測表面法線之間的夾角，β為攝像機(jī)成像光軸與被測表面法線之間的夾角[5]。

2 三維掃描設(shè)備參數(shù)的對(duì)比

對(duì)于以上幾種原理同時(shí)結(jié)合市面上各種產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，整理出主流設(shè)備，分類如表1 所示。

表1 主流設(shè)備參數(shù)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，上文提到的3 種基本原理應(yīng)用到產(chǎn)品上也存在很大的差別，其中激光三角法由于精度較高，有更大的掃描范圍，所以應(yīng)用此技術(shù)的產(chǎn)品也是最受市場歡迎的。在文物保護(hù)領(lǐng)域，三維掃描具有很大的優(yōu)勢(shì)，如單點(diǎn)采集轉(zhuǎn)批采集、實(shí)施野外測量等。通過優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換可以解決傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集存在易受干擾、時(shí)間長、誤差大等缺點(diǎn)，同時(shí)也降低了工作難度[6]。

3 三維數(shù)據(jù)的獲取與處理

在文物保護(hù)領(lǐng)域，掃描儀的應(yīng)用解決了由于文物貴重而不適合遠(yuǎn)距離長時(shí)間搬運(yùn)等難題。通過梳理最近幾年關(guān)于3D 打印與逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用于文物保護(hù)領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)[7]，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為在技術(shù)上已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。所以此次需要在保護(hù)文物真品不受損的情況下，獲取文物數(shù)據(jù)，做出小樣延伸品，供人觀賞，不受地域時(shí)間的限制。

通過前期的準(zhǔn)備，調(diào)查研究團(tuán)隊(duì)決定采用手持式3D 掃描儀。在具體掃描儀型號(hào)選取方面，團(tuán)隊(duì)工程師選擇掃描范圍為210 mm×150 mm，像素達(dá)到131 萬，掃描速度為10 幀/s 的EinScan-Pro 掃描儀。它能夠完整獲取各類物品的形狀和尺寸數(shù)據(jù)，高精度的特性使得細(xì)節(jié)部位的展示效果也十分優(yōu)秀，能夠清晰地還原出物品最真實(shí)的相貌。

它擁有4 種掃描模式，即手持快速掃描、手持精細(xì)掃描、固定全自動(dòng)掃描和固定自由掃描，其中手持快速掃描掃描速度快，達(dá)10 幀/s，適合大型工件、人體、雕塑物體的掃描。如圖2 所示。

圖2 三維掃描儀掃描文物

圖2 中的唐朝仕女石像高1.2 m，表面細(xì)節(jié)少，故此次掃描采取EinScan-Pro 手持快速掃描模式，無需貼標(biāo)志點(diǎn)，噴顯像劑，掃描時(shí)間為10 min。

在成功獲取了唐朝仕女像的三維數(shù)據(jù)后，需要采用專業(yè)的軟件進(jìn)行點(diǎn)云的處理，這里采用Geomagic Design X 軟件。目前市面上有很多處理點(diǎn)云的軟件，比如RhinoPoints、CloudCompare 等。經(jīng)過詳細(xì)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)Geomagic Design X 軟件是由3D Systems 公司進(jìn)行開發(fā)的，能夠很好地對(duì)接到下一步的3D 打印機(jī)中，所以采用此種軟件。在點(diǎn)云處理方面，首先進(jìn)行點(diǎn)云雜點(diǎn)的過濾、點(diǎn)云的采樣、面片的構(gòu)造、網(wǎng)格面片的修補(bǔ)、擬合曲面等步驟。同時(shí)為了盡可能地體現(xiàn)文物的細(xì)節(jié)，采用了誤差分析模塊，根據(jù)需求設(shè)定曲面與原始數(shù)據(jù)之間的偏差上下限值，將公差大的部分通過修正模型達(dá)到一種完美狀態(tài)，最終導(dǎo)出實(shí)體文件。

4 三維模型的打印

為了展現(xiàn)此文物的細(xì)節(jié)方面，對(duì)于打印設(shè)備的選擇也經(jīng)過深思熟慮。筆者對(duì)比了市面上幾款不同的3D打印機(jī)產(chǎn)品。

經(jīng)過多方面參數(shù)對(duì)比后，最終選取了iSLA-650Pro 3D 打印機(jī)，光斑大小為0.1 mm，激光波長為355 nm，分層厚度為0.05 mm，掃描速度大于10 m/s，振鏡精度自動(dòng)標(biāo)定。在保證更好成型質(zhì)量的同時(shí)也減少了后處理工作量。打印機(jī)如圖3 所示。

圖3 iSLA-650Pro 3D 打印機(jī)

實(shí)驗(yàn)室中最終選定先臨三維公司的iSLA-650Pro 3D 打印技術(shù)，以光敏樹脂為材料，開發(fā)延伸品，以3D打印的形式保留下的仕女像，如圖4 所示。當(dāng)然，打印出的仕女石像還是需要去除一些支撐，由于材料的緣故需要將模型放入99%工業(yè)乙醇中使支撐材料變得柔軟。去除支撐后為了使表面進(jìn)行快速固化，團(tuán)隊(duì)使用了紫外燈進(jìn)行照射。由于紫外光輻射后會(huì)產(chǎn)生離子和游離子基，這些離子或游離子基與預(yù)聚體或不飽和單體中的雙鍵起交聯(lián)反應(yīng)，形成單體基因，從而引發(fā)交聯(lián)和聚合反應(yīng)使樹脂由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。通過運(yùn)用此種方法來打印出文物模型，使來訪者不必遠(yuǎn)程拜訪藏主，也可領(lǐng)略唐朝仕女風(fēng)貌。數(shù)字化的展示方式打破了時(shí)間和空間的局限，使人們能在屏幕上領(lǐng)略中華文化的博大精深。

圖4 仕女3D 打印模型

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目采用掃描儀對(duì)實(shí)體文物進(jìn)行三維立體掃描，經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后三維建模，最后形成三維數(shù)字化文物。它是高科技應(yīng)用于文物修復(fù)、保存、管理以及展示的一種體現(xiàn)，同時(shí)也是文物保護(hù)研究領(lǐng)域亟待解決的問題。文物三維掃描數(shù)據(jù)可用于文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的文物或場館三維建模、文物修復(fù)、文物保護(hù)，也可用于工業(yè)仿制、產(chǎn)品檢測。團(tuán)隊(duì)將最新科技與文物保護(hù)有效結(jié)合起來，在文物保護(hù)中沒有直接接觸文物，故不會(huì)對(duì)其造成二次傷害。

隨著社會(huì)對(duì)文物保護(hù)越來越重視，此方面的科研工作也逐漸深入。許多學(xué)者也展開了3D 打印與逆向工程在此領(lǐng)域的應(yīng)用，當(dāng)然目前還存在著一些困難，比如打印材料的價(jià)格、材料的色彩、設(shè)備的打印效率等問題。團(tuán)隊(duì)相信，隨著科研力量的不斷投入，科研工作者終將攻克這些難題，為未來的文物保護(hù)貢獻(xiàn)自己的智慧。