三維掃描及快速成型技術(shù)在文物修復(fù)中的運(yùn)用

蘇一飛 張怡晗

摘 要：博物館的珍貴文物是全人類共同的財(cái)富。很多文物因?yàn)槟甏容^久遠(yuǎn)，或是受到保存條件的限制，出現(xiàn)了裂紋、褪色、局部缺失等各種形式的損壞，其觀賞價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值也大打折扣，開展這些破損文物的修復(fù)工作勢(shì)在必行。在數(shù)字博物館背景下，運(yùn)用三維掃描、3D打印等技術(shù)，不僅可以加快修復(fù)速度，而且還能夠提高其還原度。這些數(shù)字化技術(shù)除了可以用于文物修復(fù)外，在藏品管理、創(chuàng)意互動(dòng)等方面也有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文重點(diǎn)就文物修復(fù)中三維掃描及快速成型技術(shù)的具體運(yùn)用展開了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：三維掃描;快速成型;文物修復(fù);CCD相機(jī)

2016年在央視播出的《我在故宮修文物》紀(jì)錄片，向觀眾展示了故宮內(nèi)一些珍貴文物的修復(fù)過(guò)程。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷成熟，以及在文物修復(fù)領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用，文物修復(fù)也在逐漸實(shí)現(xiàn)“人工修復(fù)”向“智能修復(fù)”的轉(zhuǎn)變。目前來(lái)看，博物館數(shù)字化發(fā)展背景下的文物修復(fù)技術(shù)，仍然以三維掃描為主，通過(guò)掃描獲取數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上完成建模，再通過(guò)3D打印得到局部材料，最后將其粘接到原文物上，實(shí)現(xiàn)了快速修復(fù)。在一些陶瓷、漆器等文物修復(fù)中有著良好的應(yīng)用效果。

1 博物館數(shù)字化背景下文物保護(hù)的新技術(shù)

近年來(lái)，數(shù)字化技術(shù)在博物館中得到了廣泛運(yùn)用，例如使用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)可以讓這些流傳了百年、千年的文物“活”起來(lái)，對(duì)游客產(chǎn)生了更強(qiáng)大的吸引力;通過(guò)全息成像技術(shù)，將一些珍貴文物的等比例影像投射出來(lái)，方便游客近距離、全方位觀看;利用AR推拉屏讓珍貴歷史文物可觸、可感。這些數(shù)字化技術(shù)除了帶給游客更加豐富的觀賞體驗(yàn)外，在文物保護(hù)、修復(fù)等方面也發(fā)揮了不可忽視的重要價(jià)值。對(duì)于博物館的文物修復(fù)工作者來(lái)說(shuō)，如果能夠熟練的駕馭這些數(shù)字化技術(shù)，在文物修復(fù)中可以起到事半功倍的效果。

2 三維掃描及快速成型的技術(shù)原理

2.1 三維掃描技術(shù)

利用三維掃描儀對(duì)文物進(jìn)行掃描后，可以得到文物各個(gè)點(diǎn)的精確坐標(biāo)，同時(shí)還能獲取其表面的圖像信息。這種非接觸式的測(cè)量，除了具有數(shù)據(jù)采集速度快、空間坐標(biāo)精度高等特點(diǎn)外，還能夠最大程度上避免對(duì)文物造成二次破壞。目前常見的三維掃描儀，根據(jù)發(fā)射激光的方式不同，又可以分為點(diǎn)激光掃描、線激光掃描等。當(dāng)激光照射到文物表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射光束。CCD相機(jī)可以精準(zhǔn)、全面的捕捉這些反射光束，然后將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)。這些電子信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理后，生成相應(yīng)的坐標(biāo)。利用特定的建模軟件，輸入坐標(biāo)后在計(jì)算機(jī)中可以得到文物的三維模型。

2.2 快速成型技術(shù)

快速成型技術(shù)是建立在三維掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)之上的一種可以快速制作特定形狀材料的技術(shù)手段。首先在計(jì)算機(jī)中得到文物待修復(fù)區(qū)域的模型，然后選擇一塊與文物材質(zhì)相同的材料，通過(guò)計(jì)算機(jī)指令控制，完成快速的切割、剝離，最終得到一塊與模型待修復(fù)部位匹配的材料。對(duì)于常規(guī)大小的文物，整個(gè)立體打印過(guò)程只需要幾分鐘就可以完成，實(shí)現(xiàn)了快速成型。在得到成型的材料后，可以采用粘接方式，讓材料填補(bǔ)到文物的缺失部位，讓兩者融為一體，完成對(duì)破損文物的修復(fù)。

3 基于三維掃描和快速成型技術(shù)的文物修復(fù)

對(duì)于不同類型、不同材質(zhì)的文物，修復(fù)過(guò)程中采用的一些技術(shù)細(xì)節(jié)也有較大差異，本文以瓷器為例，對(duì)三維掃描和快速成型修復(fù)流程、技術(shù)要點(diǎn)展開分析。

3.1 文物的表面清洗

對(duì)破損文物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，首先需要做好文物內(nèi)外表面的清洗工作，這樣才能保證后續(xù)的粘接工序中，讓修補(bǔ)材料和文物完美的粘接在一起。為了最大程度的保護(hù)文物不會(huì)受到二次破壞，清洗時(shí)應(yīng)選擇專門的試劑，且必須是無(wú)殘留、不易滲透的試劑。文物表面清洗應(yīng)當(dāng)在特定的環(huán)境下進(jìn)行，防止空氣中的灰塵等造成交叉污染。如果文物表面灰塵較多，可以將宣紙浸濕之后，輕貼于瓷器表面，然后將其揭下，目的是將表面多余的灰塵吸附干凈。然后使用干凈的棉簽，處理一些凹凸不平的位置，最后冷風(fēng)吹干。

3.2 文物局部加固

瓷器破裂之后，除了有局部的缺失外，還極有可能沿著缺失部位出現(xiàn)不同程度的裂縫。這些裂縫如果不能及時(shí)處理，后期也會(huì)增加開裂、破損的概率。除此之外，為了避免在粘接和修復(fù)操作中，周邊部位出現(xiàn)二次破裂，也需要提前進(jìn)行加固?？梢允褂秒p組份透明環(huán)氧樹脂，沿著裂縫方向注入，讓其自然滲透進(jìn)裂縫的深層。大約3分鐘后，將表面殘留的材料處理干凈，取得較為理想的加固效果。

3.3 文物修復(fù)

1）采集數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維模型。完成上述準(zhǔn)備工作后，取三維掃描儀，選擇合適位置照射待修復(fù)瓷器。使用美能達(dá)VIVID9i激光掃描儀進(jìn)行文物三維模型采集（掃描儀精度可達(dá)±50nm，能夠很好的捕捉到文物表面的細(xì)節(jié)），之后采用Rapidform或者Geomagic Studio等逆向工程軟件，構(gòu)建出文物缺失處的三維模型。

2）3D打印得到補(bǔ)全材料。將制作的三維模型以“STL”格式保存后，通過(guò)Object Studio添加到三維層析系統(tǒng)的模型中。本次修復(fù)采用的是0bject30光敏樹脂三維打印機(jī)，層積厚度為0.03mm，可打印尺寸為290×190×150mm。打印過(guò)程中，打印噴頭噴出的材料有兩種，一種是用于構(gòu)成模型的模型材料，即光敏樹脂，通過(guò)紫外光照射后固化形成所需的結(jié)構(gòu);另一種是用于填補(bǔ)模型中空白位置的支持材料，這部分材料通過(guò)紫外光照射后具有一定的強(qiáng)度，能在打印過(guò)程中對(duì)整個(gè)構(gòu)建予以支持，并在打印結(jié)束后被高壓水槍完全清除掉。通過(guò)噴頭往復(fù)的噴涂、固化，最終打印出補(bǔ)全模型。

3）粘接修復(fù)文物。將打印所得的材料，與文物缺口處進(jìn)行對(duì)比，觀察是否能夠完美的貼合。如果有一定的偏差，可以人工使用工具進(jìn)行修整。然后將UV光敏樹脂分別涂抹在文物斷面和填補(bǔ)材料的斷面上，將填補(bǔ)材料與文物對(duì)接，并輕壓進(jìn)行固定。完成兩者的粘接后，使用400nm紫外燈進(jìn)行照射。文物與紫外燈的距離控制在10-15cm之間，照射時(shí)間大約為90s。照射完畢后可以得到修復(fù)完好的瓷器。

4 文物三維掃描及快速成型技術(shù)的發(fā)展前景

新技術(shù)的出現(xiàn)和使用，在支持文物保護(hù)與修復(fù)方面帶來(lái)了諸多的便利。將三維掃描技術(shù)與快速成型技術(shù)進(jìn)行整合，可以極大的縮短文物修復(fù)周期。對(duì)于一些館藏量較多，文物修復(fù)任務(wù)較重的博物館，運(yùn)用這類數(shù)字化技術(shù)可以極大的減輕文物修復(fù)工作者的壓力，對(duì)文物的保護(hù)水平也會(huì)提升到一個(gè)新的檔次。隨著AI技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)的不斷成熟，以及一些新型材料的出現(xiàn)，都會(huì)支持文物的“智能修復(fù)”取得更好的發(fā)展。可以預(yù)見，未來(lái)的文物修復(fù)不僅可以實(shí)現(xiàn)破損文物的復(fù)原，還能夠通過(guò)對(duì)材料的“做舊”處理，盡可能的提高整體完成度，讓修復(fù)后的文物給人一種渾然天成之感。

5 結(jié)語(yǔ)

在文物修復(fù)中，首先利用三維掃描技術(shù)獲取文物的三維坐標(biāo)，確定出待修復(fù)區(qū)域的三維形狀;然后使用快速成型技術(shù)，制作出立體材料;最后將材料與文物進(jìn)行粘接，實(shí)現(xiàn)文物的修復(fù)。相比于以人工為主的修復(fù)措施，這種數(shù)字化、自動(dòng)化的修復(fù)技術(shù)，無(wú)論是在工作效率、修復(fù)效果上，還是對(duì)于文物本身的保護(hù)上，都有了明顯的提升，具有推廣使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]朱長(zhǎng)永，馬超，沈九美.三維數(shù)據(jù)處理及3d打印技術(shù)在文物修復(fù)中的應(yīng)用[J].數(shù)碼世界，2018（8）：154-155.

[2]余健.3D技術(shù)在文物修復(fù)中的應(yīng)用——以四川廣漢三星堆博物館三維掃描和3D打印為例[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017（17）：45-46.

[3]楊蘊(yùn).淺談3D打印技術(shù)在陶瓷類文物修復(fù)和復(fù)制中的應(yīng)用[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2015（02）：112-115.