基于掃描技術(shù)的木質(zhì)雕飾家具與工藝品三維數(shù)字化研究

趙桂玲，劉 暢*，鄧宗極

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

雕飾家具作為中國傳統(tǒng)家具的重要類型在各類館藏木質(zhì)家具文物中占據(jù)半壁江山，這些以木材為載體的文物隨著時間的流逝會受到蟲蛀、開裂、朽毀、變形等破壞，如何快速、高精度的實現(xiàn)這些雕飾家具文物的三維數(shù)字化，為珍貴的人類文化遺產(chǎn)保存下詳盡的數(shù)字信息，對木質(zhì)家具文物的保護(hù)與修復(fù)具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在傳統(tǒng)家具虛擬展示與文物數(shù)字存檔研究工作中所用的家具模型主要以3D建模、二維照片、導(dǎo)用素材庫家具模型為主[1-5]。但也出現(xiàn)了不同技術(shù)的三維數(shù)字化建模，例如張智昊等[6]對家具實物進(jìn)行360°圖像拍攝，然后進(jìn)行各角度圖像無縫拼接，但家具細(xì)部結(jié)構(gòu)，如棖子、雕刻、鑲嵌等需輔以人工3D建模，得到家具模型，然后進(jìn)行虛擬展示。姬勇等[7]、張磊等[8]虛擬展示研究所用家具模型是基于笛卡爾坐標(biāo)的建模，該方法適用于表面平整、造型簡潔無雕飾的家具。國外相關(guān)研究集中于家具模型在虛擬環(huán)境中的操作及模型在平臺之間的切換研究[9-13]。

關(guān)于激光掃描的研究主要涉及以下內(nèi)容，如吳世雄等[14]采用激光掃描獲取浮雕木制品數(shù)據(jù)信息,然后進(jìn)行基于加權(quán)值的均值濾波處理生成高質(zhì)量的STL實體模型，并生成加工刀具路徑,提出木工數(shù)控雕刻加工的有效工藝。楊玉澤等[15]提出一種超體素分割和基于kd-tree紋理映射的貪婪投影三角化算法相結(jié)合的樹木點云重建方法,可有效獲取樹木三維形態(tài)結(jié)構(gòu)重建中易被忽視的樹木表面紋理和細(xì)節(jié)重建。張珊珊等[16]研究分析了地面三維激光掃描系統(tǒng)與傳統(tǒng)測樹方法得到單木參數(shù)值之間的精度差異。王莉等[17]以銅川市“延昌塔”為例，采用三維激光掃描技術(shù)獲得多期監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，分析古塔變化趨勢。鄭曉敏等[18]利用三維激光掃描技術(shù)研究如何快速、準(zhǔn)確、完整地記錄磚結(jié)構(gòu)古墓葬群遺址點云數(shù)據(jù)信息并建立三維模型。楊雪姣等[19]以一例復(fù)雜線型空間雙曲面形式的運(yùn)動賽道構(gòu)件安裝與混凝土表面檢測為例,分析特異性建筑施工檢測，研究三維激光點云的處理技術(shù)。賈秉松等[20]用三維激光掃描技術(shù)以山區(qū)采煤沉陷區(qū)為例進(jìn)行監(jiān)測研究。李碩豐等[21]對激光三維成像的雙光楔掃描進(jìn)行算法優(yōu)化研究。

國內(nèi)外關(guān)于CT掃描技術(shù)的研究集中于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在木材與木制品領(lǐng)域也有所應(yīng)用。王在山等[22]以多重分型頻譜技術(shù)對木材CT圖像進(jìn)行邊緣檢測,探索以多重分型頻譜技術(shù)對圖像進(jìn)行提取。張訓(xùn)華等[23]將科學(xué)計算可視化技術(shù)應(yīng)用于原木CT圖像3D重建,可實現(xiàn)與用戶交互切削、虛擬加工的Wood3D系統(tǒng)，并通過閾值選取可實現(xiàn)最佳切割方案。丁建文等[24]探討了CT技術(shù)對原木內(nèi)部缺陷的無損檢測、原木圖像的三維重建、虛擬加工等。趙桂玲等[25]探討了CT掃描后圖像處理方法。Zhao Deda等[26]采用CT掃描技術(shù)對古琴內(nèi)部損壞狀況進(jìn)行研究。郭僑閣等[27]研究多層螺旋CT三維重建對各類骨折案例多平面重建和容積重建對骨折劈裂及塌陷情況的評估。

1 材料與方法

1.1 材料

在中國傳統(tǒng)木制雕飾家具中，浮雕、陰雕、線雕和透雕工藝常以多種技法同時出現(xiàn)在家具造型裝飾中，在這些工藝中浮雕、陰雕、線雕相對而言圖案較淺，基本屬于同一平面的二維圖形。但透雕較復(fù)雜，縱深鏤空方向深度較大，造型介于二維與三維之間。在實驗材料準(zhǔn)備中，不僅需準(zhǔn)備具有浮雕、線雕、陰雕工藝的試件，還需準(zhǔn)備不同特征的透雕試件，以便比較三維數(shù)字化的掃描技術(shù)適用性。試件樣本基本信息見表1。

表1 試件基本情況

1.2 激光掃描方法

根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，試驗采用激光掃描儀Handheld 3D對以浮雕與線雕工藝為主的格扇門N1試件進(jìn)行實物掃描，Handheld 3D激光掃描儀參數(shù)如表2，掃描步驟如下：

表2 Handheld 3D激光掃描儀主要參數(shù)

步驟1，試驗在上午室內(nèi)日光照射比較均勻的條件下進(jìn)行，避免強(qiáng)光和陰影，實測光照276 lx。

步驟2，掃描儀測距參照掃描進(jìn)行時的設(shè)備提示在0.4～1 m范圍內(nèi)隨時進(jìn)行調(diào)整，掃描時激光掃描儀角度盡量與試件保持垂直。

步驟3，將掃描獲取的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic軟件，把多站掃描的點云數(shù)據(jù)拼接，并進(jìn)行去除噪聲、填補(bǔ)空洞數(shù)據(jù)等逆向工程修補(bǔ)得到三維數(shù)字模型(圖1)。

步驟4，采用掃描儀自帶軟件進(jìn)行紋理映射，進(jìn)行試件外部紋理信息貼附，得到三維數(shù)字模型(圖2)。

經(jīng)Geomagic軟件逆向工程處理后的三維數(shù)字模型文件，可輸出Web格式，用戶可通過Web瀏覽器快速瀏覽和控制。由圖1、圖2可見，由Handheld 3D激光掃描儀獲取的點云數(shù)字信息經(jīng)逆向工程處理后得到的N1以浮雕為主的試件數(shù)字模型精度較高、雕飾造型輪廓清晰。隨之采用Handheld 3D激光掃描儀進(jìn)行浮雕與透雕兼?zhèn)涞臉颖綨2試件掃描，但以失敗告終，掃描獲取的數(shù)據(jù)信息只有完整的浮雕數(shù)據(jù)信息，透雕鏤空部分幾乎沒有任何縱向坐標(biāo)信息。

圖1 紋理映射前的三維數(shù)字模型

圖2 紋理映射后的三維數(shù)字模型

鑒于此，選用精度更高的掃描儀Handyscan300進(jìn)行掃描，由于試件表面色彩變化較弱，為了掃描精度，在掃描前進(jìn)行標(biāo)識點粘貼。掃描儀參數(shù)如表3，掃描原件如圖3。根據(jù)前期預(yù)試驗結(jié)果，掃描步驟如下:

圖3 激光掃描原件

表3 HandyScan300激光掃描儀的主要參數(shù)

步驟1，對目標(biāo)試件進(jìn)行標(biāo)識點粘貼，標(biāo)識點粘貼密度控制在100 cm2內(nèi)，不少于4個。

步驟2，試驗在上午室內(nèi)日光照射比較均勻的條件下進(jìn)行，避免強(qiáng)光與陰影，實測光照289 lx。

步驟3，掃描儀測距參照設(shè)備提示隨時進(jìn)行有效調(diào)整，掃描時激光掃描儀掃描角度盡量與試件保持垂直狀態(tài)。

步驟4，將掃描獲取的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic軟件，把多站掃描的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，并進(jìn)行去除噪聲、填補(bǔ)空洞數(shù)據(jù)等逆向工程修補(bǔ)。當(dāng)空洞出現(xiàn)在平面區(qū)域內(nèi)，采用線性插值方法填補(bǔ)空洞數(shù)據(jù)。當(dāng)空洞出現(xiàn)在非平面區(qū)域內(nèi)，采取B樣條插值方法。

Handyscan300激光掃描后輸出模型如圖4，浮雕部分比較精細(xì)，但縱深部分坐標(biāo)信息不完整，需在Geomagic軟件中進(jìn)行缺失部分?jǐn)?shù)據(jù)信息修補(bǔ)，修補(bǔ)后數(shù)字模型如圖5，模型基本與掃描實物一致。但此法對透雕部分有曲體造型的試件修補(bǔ)難度較大，較難實現(xiàn)與試件精度的高度一致，例如試件N4貴妃榻雕飾造型用此種方法很難獲取高精度三維數(shù)據(jù)模型。根據(jù)理論研究經(jīng)驗和預(yù)試驗狀況，在此選用Philips16排CT進(jìn)行斷層掃描，對N4試件進(jìn)行試驗。為便于直觀比較激光掃描與CT掃描效果的區(qū)別，在此對N3透雕工藝品試件同步進(jìn)行CT掃描后的三維數(shù)字化試驗，便于與N2同樣工藝的試件進(jìn)行最終數(shù)字模型精度的比較。

圖4 激光掃描后模型

圖5 逆向工程修補(bǔ)后模型

1.3 CT掃描方法

采用Philips16排CT掃描儀對N4試件貴妃榻進(jìn)行試驗，掃描參數(shù)如表4，三維數(shù)字化步驟如下：

步驟1，準(zhǔn)備酸枝木雕飾貴妃榻試件N4，無涂飾，試件尺寸見表1。

步驟2，將試件N4放入Philiops16倉體內(nèi)，設(shè)備參數(shù)設(shè)置如表4，試驗空間外環(huán)境噪音為11.2HU，照度為156 lx。

表4 Philips16排CT主要參數(shù)

步驟3，把CT掃描獲得的全部試件圖像Dicom格式文件導(dǎo)入Matlab軟件。

步驟4，使用Matlab軟件對每張圖像進(jìn)行中值濾波去除噪聲。

步驟5，使用Matlab軟件，對每張圖片用3DL1算法進(jìn)行分割，轉(zhuǎn)化成bmp文件格式。

步驟6，使用MT-Mis軟件，應(yīng)用Marching Cubes算法三維重建，重建時間20 min。

步驟7，在診斷圖像處理軟件中進(jìn)行體繪制，得到三維重建數(shù)字模型，該模型可見試件內(nèi)部木材纖維、疤癤等信息。若僅需木質(zhì)雕飾家具的外觀三維數(shù)字模型也可選擇面繪制。

步驟8，在同樣試驗環(huán)境下，重復(fù)以上步驟進(jìn)行試件N3透雕工藝品試驗。

CT掃描獲取N3試件序列圖像690張、N4試件序列圖像200張。圖像經(jīng)去噪、分割、濾波后進(jìn)行三維數(shù)字重建，數(shù)字重建后體繪制模型如圖6、圖9，模型精度非常高，與掃描原件高度一致。且體繪制模型可進(jìn)行任意位置的虛擬分割，分割效果如圖7，試件內(nèi)部木材組織紋理信息清晰可見。如圖9，可見N3試件透雕部分鳥腹、花蕾、花莖等處的曲體造型數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，且縱向坐標(biāo)信息完整精確，比N2同樣工藝的試件激光掃描后，經(jīng)逆向工程處理的模型精度高。

圖6 貴妃榻三維數(shù)字模型

圖7 貴妃榻虛擬分割圖

圖8 CT掃描原件

圖9 不同角度的三維重建模型

2 結(jié)果與分析

通過Handheld 3D與HandyScan300 2款激光掃描儀均可獲取高品質(zhì)以浮雕、線雕、陰雕裝飾的木質(zhì)家具與工藝品數(shù)字模型。但2款激光掃描儀對透雕木質(zhì)家具與工藝品三維數(shù)字模型縱向坐標(biāo)獲取缺失，Handheld 3D掃描透雕試件N2縱向坐標(biāo)幾乎全部缺失，無法進(jìn)行精度較高的數(shù)字模型修補(bǔ)。HandyScan300獲取的N2試件透雕模型數(shù)字信息浮雕部分精度較高，縱向坐標(biāo)部分缺失，通過Geomigic軟件逆向修補(bǔ)后可得到與實物較一致的數(shù)字模型。

CT掃描獲取的透雕試件N3、N4模型精度極佳，浮雕部分精度較高，縱向數(shù)字信息完整精準(zhǔn)，且通過體繪制可獲取木質(zhì)試件內(nèi)部紋理組織信息，可獲得任意位置的虛擬分割圖。在Handheld 3D、HandyScan300、Philips16排CT 3種掃描設(shè)備獲取的木質(zhì)雕飾家具與工藝品三維數(shù)字信息中，CT掃描儀的數(shù)字化精度最高、效果最理想。激光掃描與CT掃描獲取的三維木質(zhì)雕飾家具數(shù)字模型信息均可導(dǎo)入多款軟件，有較好的兼容性，例如可導(dǎo)入CAD、CAM用于仿古家具生產(chǎn)，有效節(jié)省相關(guān)工序工作量，降低經(jīng)濟(jì)成本。

3 結(jié)論

激光掃描與CT掃描均可獲取浮雕與透雕木質(zhì)家具與工藝品高精度三維數(shù)據(jù)信息，但激光掃描儀獲取透雕試件縱向坐標(biāo)數(shù)據(jù)不夠精細(xì)。

Philips16排CT斷層掃描得到的三維數(shù)字模型，精度佳，且模型可進(jìn)行任意位置的虛擬分割。但目前基于CT掃描三維數(shù)字化過程需專業(yè)人員參與完成，且CT設(shè)備體量與重量較大、便攜性底、倉體尺寸有限、對掃描環(huán)境有特定要求，因此成本較高。

木質(zhì)雕飾文物的數(shù)字化研究具有比較重要的實用價值，數(shù)字化信息不僅可用于博物院相關(guān)文物的虛擬展示、數(shù)字存檔，且有助于這些家具文物的修復(fù)、仿制。