增材制造技術在文物保護中的應用

吳開明，沈佳彬，柯達威，章陳忠

（1.浙江機電職業(yè)技術學院，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 年部署全面推進實施制造強國的戰(zhàn)略文件，也是國家實施制造強國的十年行動總綱領。為響應這份戰(zhàn)略性綱領文件，在智能制造領域，目前市場上有很多關于3D 打印方面的研究，但是對于三維模型的獲取方面的研究卻是比較少的。在工程實踐環(huán)節(jié)中很多都是直接建立模型，但在某些應用領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，同時學術界對于三維掃描在市場上應用領域的研究也較少，因此本文將主要在此方面進行研究。

三維掃描作為一種快速的立體測量設備，因其測量高速度、高精度、無接觸、方便使用等優(yōu)點而得到越來越多的應用。采用三維掃描儀對模型、樣品、手板進行掃描，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)中可以對數(shù)據(jù)進行調(diào)整、修補，再送到加工中心或快速成型設備上制造，可以極大縮短產(chǎn)品制造周期。針對這一情況，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)?？吹降娜S坐標測量儀器很多用來掃描工業(yè)產(chǎn)品，它屬于逆向工程，即對一項目標產(chǎn)品進行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構、功能性能規(guī)格等設計要素，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測量原理進行掃描，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。第一，三坐標測量原理是指根據(jù)物方點的同名像點列出共線方程進行求解而得到點的三維坐標[1]，再依據(jù)這些測量點的空間坐標，通過數(shù)學方法計算出被測工件的幾何尺寸和相互位置關系。其中經(jīng)常看到的三維坐標測量儀器是三坐標測量機，大多數(shù)時候用來掃描工業(yè)產(chǎn)品，也用于反求測量[2]。傳統(tǒng)的手動測量方式被三坐標測量機的發(fā)明而淘汰，它實現(xiàn)了現(xiàn)代化自動測量技術，同時三坐標測量機可以對之前不好測量的復雜零件進行測量，實現(xiàn)了對復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，在物體表面投射光柵后，由2 臺攝像機拍攝產(chǎn)生畸變的圖像，利用相位解碼獲取每一點的相位信息，再結(jié)合1極線幾何約束關系實現(xiàn)2 幅圖像上點的匹配，最后根據(jù)標定結(jié)果，利用三角法計算點的三維坐標，以實現(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應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，根據(jù)物體特性，會有反射光反射回來，此時用攝像機捕獲到反射光，當物體旋轉(zhuǎn)時，表面位置會發(fā)生變化，線激光器打到物體表面的位置也會發(fā)生相應的變化，因此攝像機捕獲到在攝像機成像平面的反射光點會發(fā)生相應的變化。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'為攝像機的光點側(cè)移距離，P表示物體表面偏移距離，n為成像平面中心點與透鏡后主平面的距離，m為激光光軸與物體表面的交點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為攝像機成像光軸與被測表面法線之間的夾角[5]。

2 三維掃描設備參數(shù)的對比

對于以上幾種原理同時結(jié)合市面上各種產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，整理出主流設備，分類如表1 所示。

表1 主流設備參數(shù)

隨著技術的進步，上文提到的3 種基本原理應用到產(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，所以應用此技術的產(chǎn)品也是最受市場歡迎的。在文物保護領域，三維掃描具有很大的優(yōu)勢，如單點采集轉(zhuǎn)批采集、實施野外測量等。通過優(yōu)勢轉(zhuǎn)換可以解決傳統(tǒng)的單點采集存在易受干擾、時間長、誤差大等缺點，同時也降低了工作難度[6]。

3 三維數(shù)據(jù)的獲取與處理

在文物保護領域，掃描儀的應用解決了由于文物貴重而不適合遠距離長時間搬運等難題。通過梳理最近幾年關于3D 打印與逆向設計應用于文物保護領域的相關文獻[7]，團隊認為在技術上已經(jīng)取得了一些進展。所以此次需要在保護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，不受地域時間的限制。

通過前期的準備，調(diào)查研究團隊決定采用手持式3D 掃描儀。在具體掃描儀型號選取方面，團隊工程師選擇掃描范圍為210 mm×150 mm，像素達到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的相貌。

它擁有4 種掃描模式，即手持快速掃描、手持精細掃描、固定全自動掃描和固定自由掃描，其中手持快速掃描掃描速度快，達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，表面細節(jié)少，故此次掃描采取EinScan-Pro 手持快速掃描模式，無需貼標志點，噴顯像劑，掃描時間為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)的軟件進行點云的處理，這里采用Geomagic Design X 軟件。目前市面上有很多處理點云的軟件，比如RhinoPoints、CloudCompare 等。經(jīng)過詳細比對，發(fā)現(xiàn)Geomagic Design X 軟件是由3D Systems 公司進行開發(fā)的，能夠很好地對接到下一步的3D 打印機中，所以采用此種軟件。在點云處理方面，首先進行點云雜點的過濾、點云的采樣、面片的構造、網(wǎng)格面片的修補、擬合曲面等步驟。同時為了盡可能地體現(xiàn)文物的細節(jié)，采用了誤差分析模塊，根據(jù)需求設定曲面與原始數(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到一種完美狀態(tài)，最終導出實體文件。

4 三維模型的打印

為了展現(xiàn)此文物的細節(jié)方面，對于打印設備的選擇也經(jīng)過深思熟慮。筆者對比了市面上幾款不同的3D打印機產(chǎn)品。

經(jīng)過多方面參數(shù)對比后，最終選取了iSLA-650Pro 3D 打印機，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，振鏡精度自動標定。在保證更好成型質(zhì)量的同時也減少了后處理工作量。打印機如圖3 所示。

圖3 iSLA-650Pro 3D 打印機

實驗室中最終選定先臨三維公司的iSLA-650Pro 3D 打印技術，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行快速固化，團隊使用了紫外燈進行照射。由于紫外光輻射后會產(chǎn)生離子和游離子基，這些離子或游離子基與預聚體或不飽和單體中的雙鍵起交聯(lián)反應，形成單體基因，從而引發(fā)交聯(lián)和聚合反應使樹脂由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。通過運用此種方法來打印出文物模型，使來訪者不必遠程拜訪藏主，也可領略唐朝仕女風貌。數(shù)字化的展示方式打破了時間和空間的局限，使人們能在屏幕上領略中華文化的博大精深。

圖4 仕女3D 打印模型

5 結(jié)束語

本項目采用掃描儀對實體文物進行三維立體掃描，經(jīng)過點云數(shù)據(jù)處理后三維建模，最后形成三維數(shù)字化文物。它是高科技應用于文物修復、保存、管理以及展示的一種體現(xiàn)，同時也是文物保護研究領域亟待解決的問題。文物三維掃描數(shù)據(jù)可用于文化遺產(chǎn)領域的文物或場館三維建模、文物修復、文物保護，也可用于工業(yè)仿制、產(chǎn)品檢測。團隊將最新科技與文物保護有效結(jié)合起來，在文物保護中沒有直接接觸文物，故不會對其造成二次傷害。

隨著社會對文物保護越來越重視，此方面的科研工作也逐漸深入。許多學者也展開了3D 打印與逆向工程在此領域的應用，當然目前還存在著一些困難，比如打印材料的價格、材料的色彩、設備的打印效率等問題。團隊相信，隨著科研力量的不斷投入，科研工作者終將攻克這些難題，為未來的文物保護貢獻自己的智慧。