淺析三維掃描及快速成型技術(shù)在文物修復(fù)中的運用

摘 要：修復(fù)受損文物是博物館的一項重要任務(wù)。采用三維掃描與快速成型相結(jié)合的技術(shù)方法，做到了非接觸、無損害、高精度修復(fù)受損文物，應(yīng)用優(yōu)勢明顯。文章首先對三維掃描和快速成型的原理與優(yōu)勢進(jìn)行了簡要概述。隨后以黑龍江省博物館的一件金代白瓷瓶為例，分別從表面清洗、局部加固以及缺失處三維模型的構(gòu)建、打印和黏結(jié)等方面，對該文物的三維數(shù)字化修復(fù)過程展開了詳細(xì)敘述。最后從數(shù)字博物館發(fā)展角度，對未來文物修復(fù)領(lǐng)域三維掃描和快速成型技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：三維掃描;快速成型;光敏樹脂;文物修復(fù)

黑龍江省博物館有一件金代白瓷瓶，通高18.4厘米，口徑7.6厘米，足徑10.5厘米。瓶口處出現(xiàn)一塊長約3.6厘米、寬約2.1厘米的缺失。在缺口下放有一處長約4.0厘米的裂紋，自上而下延伸。瓶口處壁厚2.3～2.7毫米。若采用傳統(tǒng)的人工修復(fù)方式，一是無法保證補(bǔ)全材料在形狀及尺寸上的精度，二是修復(fù)過程中很容易因為操作不當(dāng)而導(dǎo)致文物受到二次損害。為了最大程度保證文物的藝術(shù)和歷史價值，故決定采用先利用三維掃描儀獲取數(shù)據(jù)、完成建模，然后用快速成型技術(shù)進(jìn)行模型打印，最后進(jìn)行黏結(jié)、補(bǔ)全的方案。結(jié)果表明，文物補(bǔ)全效果良好，還原了文物的原本面貌，為今后博物館文物修復(fù)積累了經(jīng)驗并提供了技術(shù)支持。

1 文物修復(fù)中的三維掃描與快速成型技術(shù)

1.1 三維掃描技術(shù)原理

三維掃描技術(shù)的核心設(shè)備是三維掃描儀，將待修復(fù)的文物置于儀器的有效掃描區(qū)域內(nèi)，通過掃描文物獲取各個點的三維坐標(biāo)。計算機(jī)中的建模軟件根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境下自動生成三維模型。整個過程不會與文物產(chǎn)生任何接觸，避免了掃描過程中造成文物受到二次損壞的情況。而且，整個掃描過程在幾秒鐘內(nèi)就可完成，效率極高;坐標(biāo)參數(shù)的精度可以達(dá)到微米級，精度極高。在博物館數(shù)字化程度越來越高的背景下，三維掃描技術(shù)在文物的復(fù)制和修復(fù)等方面展現(xiàn)出強(qiáng)大的應(yīng)用優(yōu)勢。根據(jù)掃描方式的不同，目前主流的三維掃描儀器包括光柵型和激光型兩種，后者又有點激光、面激光之分。

在本次文物修復(fù)作業(yè)中，使用的是美國Creaform公司生產(chǎn)的Handy SCAN 3D掃描儀，精度可達(dá)0.03毫米。工作原理為：啟動儀器后，激光發(fā)射器發(fā)出條狀激光，對有效范圍內(nèi)的文物進(jìn)行掃描。在正方形掃描區(qū)域的4個頂點處分別有1臺CCD相機(jī)，激光照射文物后產(chǎn)生的反射光束會被CCD相機(jī)精準(zhǔn)捕捉。利用光電轉(zhuǎn)換器將CCD相機(jī)采集到的光信號轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可識別電信號，利用三角測距原理將海量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成測點的三維坐標(biāo)。掃描結(jié)束后，建模軟件將所有三維坐標(biāo)匯總起來，坐標(biāo)的集合即為點云。根據(jù)點云得到文物的三維模型。

1.2 快速成型技術(shù)原理

快速成型技術(shù)最早應(yīng)用于高端機(jī)械制造領(lǐng)域，近年來應(yīng)用范圍拓展，并且伴隨著3D技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)的成熟，在文物修復(fù)中也開始展現(xiàn)出應(yīng)用優(yōu)勢。在計算機(jī)上完成模型設(shè)計后，將CAD數(shù)據(jù)或者是3D數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入加工設(shè)備，由計算機(jī)控制刀具對材料進(jìn)行處理最終得到與預(yù)設(shè)模型一致的產(chǎn)品。從應(yīng)用效果上來看，快速成型技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：一是成型速度快，由于設(shè)計與制造的高度集成，極大地縮短了加工制造的周期;二是成型精度高，只要保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、模型精確，即便是一些形狀復(fù)雜的三維模型也能夠快速加工并且保證精度達(dá)標(biāo);三是既支持單件制造，也能進(jìn)行批量化生產(chǎn)，普適性較強(qiáng)。

在文物修復(fù)領(lǐng)域，該技術(shù)的原理為：在完成三維掃描的基礎(chǔ)上，計算機(jī)中生成了待修復(fù)文件的三維模型。由軟件對模型進(jìn)行橫向上的分層切片，從而得到了文物的輪廓數(shù)據(jù)。參考這些數(shù)據(jù)，計算機(jī)生成相應(yīng)的控制指令，使噴嘴有選擇性地噴出液態(tài)光敏樹脂材料。這種液態(tài)材料與空氣接觸后會迅速固化，之后噴嘴持續(xù)噴出材料，最終得到三維實體。整個過程可以概括為“分層噴射，層層疊加”。當(dāng)然，根據(jù)設(shè)備類型和成型材料的不同，在實際加工過程中也存在差異。例如，選擇液態(tài)光敏材料制作三維模型，需要使用帶有噴嘴的成型設(shè)備;選擇粉末材料制作三維實體模型，則必須選擇帶有激光器的成型設(shè)備，通過激光層層灼燒最終獲得所需的三維實體模型。本次修復(fù)作業(yè)中選擇的是SLA立體光固化成型工藝，原料為液態(tài)光敏樹脂。

2 三維掃描及快速成型技術(shù)在文物修復(fù)中的優(yōu)勢

博物館常用的文物修復(fù)方式有多種，綜合對比來看，基于三維掃描與快速成型兩種技術(shù)融合修復(fù)方法，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面。

其一，精度更高。如上文所述，目前很多主流的三維掃描設(shè)備，獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)度可以達(dá)到微米級。這樣就保證了立體打印出來的三維實體模型，具有極高精度。經(jīng)過修復(fù)后的文物僅憑肉眼基本上無法觀察到修復(fù)痕跡。經(jīng)過修復(fù)后的文物在博物館可以進(jìn)行正常的陳列和展覽，不影響其觀賞價值的發(fā)揮。

其二，非接觸更安全。除了后期黏結(jié)三維實體模型外，整個修復(fù)過程中不存在人或儀器與文物接觸的情況。這樣就避免了接觸過程中可能出現(xiàn)劃痕等二次破壞的問題，提高了文物的安全性。

其三，自動化更高效。三維掃描與快速成型兩道工序之間實現(xiàn)無縫銜接，從掃描獲取數(shù)據(jù)，到生成三維模型，再到立體打印得到實體模型，整個過程全自動完成，效率極高。除此之外，還具有環(huán)境要求低、適用范圍廣等特點。

3 三維掃描及快速成型技術(shù)在文物修復(fù)中的運用

在這次利用三維掃描及快速成型技術(shù)修復(fù)黑龍江省博物館館藏的這件金代白瓷瓶的過程中，可以總結(jié)出這兩項技術(shù)在文物修復(fù)中的運用。

3.1 清洗文物表面灰塵

觀察金代白瓷瓶表面，在缺口部位以及裂縫處有塵土分布及污染情況?；覊m清理的難點有二：其一是瓶口缺失部位參差不齊，普通清洗無法保證灰塵完全處理干凈;其二是胎體極薄，加上表面片紋的存在，裂縫內(nèi)部灰塵難以清理出來。因此，選用清洗試劑時，不應(yīng)選擇易殘留或易滲透的類型。在實際修復(fù)時操作如下：首先，選擇一張干凈的宣紙，使用噴壺用噴霧將宣紙打濕，然后將濕潤的宣紙輕輕貼在瓶口處，用手輕壓保證宣紙與瓷器完全貼合，不留氣泡或褶皺。將其重新揭開后，瓶口表面灰塵被吸附掉。繼續(xù)進(jìn)行缺口處灰塵的處理，將一根干凈的棉簽放入純凈水后迅速拿出，沿著缺口輕輕滾拭，除掉灰塵。若觀察到缺口的坑洼處有水珠，則使用冷風(fēng)吹干。

3.2 文物壞損處的局部加固

待修復(fù)的金代白瓷瓶在缺口下方有一處4.0厘米的裂縫，自上而下延伸至瓶腹。如果不做處理，很有可能在后期黏結(jié)三維實體模型時導(dǎo)致裂縫擴(kuò)大，對文物產(chǎn)生危害。應(yīng)通過局部加固的方式避免裂縫發(fā)育，為后續(xù)的瓶口補(bǔ)全操作創(chuàng)造良好條件。實際操作中分兩步對該處裂縫進(jìn)行加固。第一步，從裂縫頂部向下3厘米左右的裂縫明顯，選擇透明的環(huán)氧樹脂材料從缺口處灌入，材料沿著裂縫向下流動，充填到縫隙中，達(dá)到黏結(jié)、加固效果。第二步，裂縫根部1厘米處的裂縫較細(xì)，環(huán)氧樹脂材料無法繼續(xù)滲透。因此該用8%的B72丙酮溶液充填該部位，待液體材料干燥、固化后，也能夠達(dá)到加固效果。若局部加固時有液體材料溢出，需要及時清理干凈。放置約20分鐘，等到加固材料發(fā)揮作用后再開展下一步的修復(fù)工作。

3.3 文物缺失部分的補(bǔ)全

完成上述準(zhǔn)備工作后，正式開始文物修復(fù)工作。整個流程大體上包含3個階段，分別是：基于三維掃描技術(shù)獲取點云，構(gòu)建三維模型;基于快速成型技術(shù)立體打印實體模型;將三維實體模型黏結(jié)到待修復(fù)文物上。

3.3.1 建立缺失部分三維模型

構(gòu)建缺口部位補(bǔ)全材料的三維模型，是此次文物修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。首先，使用Handy SCAN 3D掃描儀對金代白瓷瓶進(jìn)行掃描并采集缺口部位的詳細(xì)參數(shù)。對于首次掃描得到的數(shù)據(jù)，先在數(shù)據(jù)庫中建立一個臨時的文件夾進(jìn)行存儲。之后利用系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)篩選功能，對該文件夾中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、對比，如果發(fā)現(xiàn)有精度不達(dá)標(biāo)的，一律將其剔除;如果有個別點位未采集到坐標(biāo)信息，則進(jìn)行二次掃描將數(shù)據(jù)補(bǔ)全。完成處理之后，將所得數(shù)據(jù)存儲到一個單獨的文件夾中。之后啟用計算機(jī)中的Geomagic Studio軟件，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到缺口部位的高精度三維模型。技術(shù)人員可以拖動鼠標(biāo)的方式，觀察三維模型的邊緣細(xì)節(jié)，滾動鼠標(biāo)滑輪以查看某個部位，核對參數(shù)精度。

3.3.2 三維打印補(bǔ)全模型

經(jīng)過查看確定所得三維立體模型不存在問題之后，點擊Geomagic Studio軟件菜單欄中保存選項，并在彈出的對話框中，選擇“STL”格式將該模型保存起來。從計算機(jī)中選擇Objet Studio軟件并雙擊運行，從該軟件的菜單欄中找到“打開文件”的選項，在彈出的對話框中選擇剛剛保存的“三維立體模型.stl”文件，完成文件導(dǎo)入。啟動Stratasys三維打印機(jī)，所用打印材料為液態(tài)光敏樹脂，層積厚度為0.02毫米，可以完美匹配Handy SCAN 3D掃描儀的數(shù)據(jù)精度。該三維打印機(jī)的內(nèi)部有2種噴嘴，雖然噴出的材料都是液態(tài)光敏樹脂，但是功能不同：1#噴嘴打印三維實體模型;2#噴嘴填補(bǔ)模型中空白位置。噴出液態(tài)材料之后，在紫外線的照射下使其瞬間固化，防止出現(xiàn)液態(tài)材料流掛、變形的情況。

3.3.3 補(bǔ)全模型的黏結(jié)

首次完成三維實體模型的打印后，并不直接將其取出，而是重新啟動打印程序，利用Objet Studio軟件對所得模型進(jìn)行檢驗，確保細(xì)節(jié)精度符合要求后再將其取出。若檢驗過程中發(fā)現(xiàn)局部精度不達(dá)標(biāo)，則修正偏差，繼續(xù)進(jìn)行精度檢測，重復(fù)上述步驟，直到系統(tǒng)不再發(fā)現(xiàn)問題。取出三維實體模型之后，技術(shù)人員用毛刷蘸取少量的UV光敏樹脂材料，并沿著該模型的下方邊緣進(jìn)行均勻涂刷，保證三維實體模型與待修復(fù)文物契合后，兩者連接處能夠完美對接。小心地將補(bǔ)全模型放到金代白瓷瓶的缺口處，兩者完全對齊之后，將一臺波長為400納米的紫外線燈放于補(bǔ)全模型的正前方，連續(xù)照射90秒。在紫外線燈的輔助下，結(jié)合處的液態(tài)材料迅速固化，保證補(bǔ)全材料與文物能夠牢固地黏結(jié)在一起。至此，金代白瓷瓶缺口補(bǔ)全修復(fù)工作結(jié)束。

4 文物修復(fù)中三維掃描及快速成型技術(shù)的發(fā)展前景

雖然近年來博物館數(shù)字化進(jìn)程明顯加快，但是三維掃描和快速成型技術(shù)多用于文物的1∶1復(fù)制，對文物保護(hù)有積極作用。而對于那些因為各種原因已經(jīng)遭到損壞的文物，現(xiàn)階段運用這一技術(shù)進(jìn)行修復(fù)的情況并不多見。究其原因，一方面是可以支持高精度三維建模的逆向工程軟件較少，由于生成的三維立體模型精度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，故而影響了最終的修復(fù)效果;另一方面則是修復(fù)成本較高，博物館通常只選擇那些價值較高、損壞程度并不嚴(yán)重的文物進(jìn)行簡單修復(fù)。隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展，以及配套的儀器設(shè)備、軟件系統(tǒng)和高性能材料的推廣使用，為文物修復(fù)提供了支持。

下一步，應(yīng)重點從以下幾個方面創(chuàng)新這一技術(shù)：其一就是建模軟件的開發(fā)。目前三維建模常用的軟件有Objet Studio等，國內(nèi)技術(shù)成熟的軟件較少。今后我國需要自主研發(fā)適用于文物建模的逆向工程軟件，為文物修復(fù)提供技術(shù)支持。其二是依托技術(shù)創(chuàng)新降低修復(fù)成本。近年來國內(nèi)3D打印技術(shù)突飛猛進(jìn)，國內(nèi)一些公司制造的三維打印設(shè)備在國際上也處于技術(shù)領(lǐng)先地位，隨著這一市場走向成熟，設(shè)備價格有所降低。但是用于三維打印的材料，如光敏樹脂、鈷鉻合金粉末等價格仍然較為昂貴。今后應(yīng)研究和開發(fā)更多新型的、高性能的以及價格適中的三維打印材料，這也是保證快速成型技術(shù)能夠在文物修復(fù)領(lǐng)域得到進(jìn)一步推廣的必要條件。

5 結(jié)語

技術(shù)創(chuàng)新讓博物館的文物修復(fù)工作取得長足進(jìn)步，在文物保護(hù)、傳承等方面發(fā)揮了顯著作用。近年來，國內(nèi)許多博物館在應(yīng)用三維掃描和快速成型技術(shù)方面進(jìn)行了探索，在文物復(fù)制、修復(fù)等方面均有成功案例?；谌S掃描和快速成型技術(shù)相結(jié)合的文物修復(fù)工作，既有其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，當(dāng)然也因為材料價格、加工精度等原因，還存在亟須改進(jìn)和優(yōu)化的地方。下一步博物館應(yīng)密切關(guān)注相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，通過引進(jìn)和創(chuàng)新技術(shù)，讓更多遭到損壞的珍貴文物得以修復(fù)，讓其藝術(shù)價值、文化價值得以重現(xiàn)。

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【作者簡介】李強(qiáng)，男，漢族，黑龍江哈爾濱人，助理館員，研究方向：博物館學(xué)和文物修復(fù)。