寇芳瑩(北京市頤和園管理處，北京 100091)

試析3D掃描打印技術(shù)在文物保護(hù)工作中的應(yīng)用

寇芳瑩
(北京市頤和園管理處，北京 100091)

3D掃描打印技術(shù)是一種新式的文物三維保護(hù)模式，它能夠迅速捕捉并記錄文物的體貌特征與結(jié)構(gòu)信息，并將各類數(shù)據(jù)歸納整合，形成一套完整的數(shù)字模型，在文物的資料保存、數(shù)據(jù)檢索、狀況監(jiān)測(cè)和虛擬展示等方面意義非凡，特別是對(duì)文物的保護(hù)與修復(fù)起到了極大的積極作用。3D掃描打印技術(shù)的出現(xiàn)，不僅切實(shí)提高了文物工作的質(zhì)量與效率，還夯實(shí)了文物價(jià)值研究和科學(xué)化保護(hù)的基礎(chǔ)。

3D掃描打印技術(shù);文物保護(hù);文物修復(fù)

隨著各學(xué)科交流合作的日益深入和互動(dòng)平臺(tái)的日趨完善，越來越多的新技術(shù)得到了有效推廣，實(shí)現(xiàn)了科研成果的資源共享。現(xiàn)如今，新科技、新媒體已經(jīng)貫穿文物工作的各個(gè)方面，給文博業(yè)帶來了前所未有的變革與挑戰(zhàn)。文物是不可再生的文化資源，如何有效而恰當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)文物，如何將文物在歷史積淀中所凝結(jié)的各類豐富信息真實(shí)而完整地保留、還原并延傳給后人，一直是文物保護(hù)工作者重點(diǎn)關(guān)注并不斷探索的問題。時(shí)至今日，迅猛發(fā)展的多媒體數(shù)字技術(shù)已經(jīng)在文物修復(fù)領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)巨大變革，并深入文物保護(hù)工作的各個(gè)環(huán)節(jié)，3D掃描打印技術(shù)便是其中之一。作為文物保護(hù)與修復(fù)領(lǐng)域的新生力量，3D掃描打印技術(shù)憑借其非接觸性數(shù)字化保護(hù)手段和高精度、便捷式的操作特點(diǎn)而被廣泛關(guān)注。

一、3D掃描打印技術(shù)分類

三維科技的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何快速獲取物體的立體信息(即3D信息)，不同3D掃描打印技術(shù)的根本區(qū)別也在于此。三維信息技術(shù)在宏觀上主要分為兩類，即接觸式與非接觸式。接觸式掃描技術(shù)包括非破壞性技術(shù)(如CMM、機(jī)械臂、切片等)和破壞性技術(shù);非接觸式三維掃描技術(shù)則包括反射式(非光學(xué)式、光學(xué)式)和發(fā)射式(工業(yè)CT)兩種。其中，光學(xué)式三維掃描技術(shù)是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的3D掃描打印技術(shù)。

不同的3D掃描打印技術(shù)，有不同的掃描系統(tǒng)。其一，根據(jù)是否觸碰被檢測(cè)物體，可將3D掃描打印系統(tǒng)分為接觸式與非接觸式;其二，根據(jù)檢測(cè)所采用的介質(zhì)，分為激光掃描系統(tǒng)與非激光掃描系統(tǒng);其三，根據(jù)被掃描物體的體量大小，可將3D掃描打印技術(shù)分為場(chǎng)景掃描系統(tǒng)與普通掃描系統(tǒng);其四，按照是否需依據(jù)紋理信息，可分為彩色掃描系統(tǒng)與普通掃面系統(tǒng)。［1］

近些年來，3D技術(shù)飛速發(fā)展，3D掃描打印設(shè)備也越來越便捷，易于操作。這促使3D掃描打印技術(shù)從醫(yī)學(xué)、工業(yè)制造、娛樂傳媒等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展到文物保護(hù)方面。在文物保護(hù)工作中，因考慮到文物的脆弱性、珍貴性與不可再生性，絕大多數(shù)情況會(huì)選取非接觸式掃描方案，然后再根據(jù)文物的體積大小選擇正確的掃描系統(tǒng)。一般而言，瓷器、銅器等器物類文物可選用普通掃描系統(tǒng)，而建筑等不可移動(dòng)文物就需要采用場(chǎng)景掃描手段。再進(jìn)一步，還要熟悉文物的材質(zhì)構(gòu)成，如果在對(duì)文物進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的掃描復(fù)刻時(shí)，還需記錄文物表面的紋理信息，借助彩色掃描系統(tǒng)的幫助，以便減少文物數(shù)字化的工作量，保障3D掃描效果。

二、以3D掃描打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)文物復(fù)制

受文物自身保存狀況、展陳環(huán)境和安全條件等因素的限制，有些時(shí)候會(huì)以復(fù)制品替代文物進(jìn)行展出，用復(fù)制品完善展項(xiàng)，用復(fù)制品傳遞文化歷史信息，避免因某件重要文物真品不適宜展出而造成展覽內(nèi)容缺環(huán)。

(一)立體文物復(fù)制

在傳統(tǒng)的立體文物復(fù)制工藝中，通常都會(huì)對(duì)文物進(jìn)行翻模處理。但這種方法存在兩大弊端:一是翻模過程中會(huì)將翻模材料遺留在文物表面上，對(duì)文物造成污染和損傷;二是翻模形成的復(fù)制品與文物相似度有所偏差，無法發(fā)揮文物價(jià)值傳遞的功用。3D掃描打印技術(shù)的引入與應(yīng)用，恰恰解決了這些問題。3D掃描打印設(shè)備以文物原件為依據(jù)，先通過非接觸式掃描架構(gòu)出文物的三維數(shù)字模型，然后再用立體打印技術(shù)“打印”出該文物的復(fù)制品，在不破壞文物的前提下得到相似率極高(最高可達(dá)98．8%)的克隆母本。3D掃描打印出的文物復(fù)制品還可以被二次模印，在其基礎(chǔ)上結(jié)合翻模復(fù)制手法，便可以制造出更多的仿真模型。這樣既節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，又不影響文物安全，比較適用于博物館文化創(chuàng)意產(chǎn)品的研制。

(二)書畫復(fù)制

3D掃描打印技術(shù)不僅能復(fù)制立體文物，如陶瓷、雕像等，同時(shí)也能夠復(fù)制畫作、手稿等二維文物。其復(fù)制的基本原理為:首先，要通過浮雕體層攝影術(shù)將3D掃描打印技術(shù)與分辨率打印技術(shù)相融合，復(fù)制出與原作近乎完全相同的作品;之后，要用高質(zhì)量的照相捕捉技術(shù)來準(zhǔn)確抓住原畫中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，通過3D掃描儀對(duì)每處細(xì)節(jié)進(jìn)行微化處理，畫作表面每一處高低起伏都要一一記錄詳實(shí)，保障復(fù)制品的參考價(jià)值與觀賞價(jià)值。

通過3D掃描打印技術(shù)復(fù)制出來的畫品，不僅在線條和顏色上與原作極為相似，甚至連筆觸和畫品質(zhì)感都能模仿得十分到位。位于荷蘭阿姆斯特丹的梵高博物館已經(jīng)用3D掃描打印技術(shù)復(fù)制出了《麥田》《向日葵》《杏花》等梵高名作，并表示在未來時(shí)間里會(huì)繼續(xù)推出復(fù)制計(jì)劃，豐富博物館展品內(nèi)容。［2］高精度復(fù)制品的背后是尖端的新型技術(shù)與高額的復(fù)制成本。據(jù)悉，梵高博物館通過3D掃描打印技術(shù)復(fù)制出的每件作品造價(jià)都在2．5萬英鎊以上，合人民幣20余萬。某些收藏家或許熱衷于體驗(yàn)這種新技術(shù)帶來的藝術(shù)享受，會(huì)將3D掃描打印的復(fù)制品納入其個(gè)人收藏體系。但對(duì)于我國文博業(yè)而言，財(cái)政支持仍是許多國有博物館最為重要的經(jīng)濟(jì)來源，造價(jià)如此之高的復(fù)制技術(shù)顯然難以在短期內(nèi)推廣成功，珂羅版復(fù)制和人工全色技法相結(jié)合的書畫復(fù)制思路仍會(huì)發(fā)揮重要作用。

與此同時(shí)，通過3D掃描打印技術(shù)復(fù)制出來的作品被稱為“活現(xiàn)作品”，復(fù)制品具有同原畫一樣的質(zhì)感紋理，每一處細(xì)節(jié)都能達(dá)到與原作98．8%以上的相似率。［3］如果不考慮復(fù)制作品的新舊程度，研究畫品的專家也難以分辨作品的真?zhèn)?。所以，為避免不法分子通過3D掃描打印技術(shù)以假亂真、混淆市場(chǎng)，博物館會(huì)特意對(duì)每幅復(fù)制品打上特殊的防偽標(biāo)記，通過這種標(biāo)志就能夠看到作品的出處以及復(fù)制時(shí)間等內(nèi)容。

三、以3D掃描打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)文物修復(fù)

多種多樣的文物資源是我國歷史文明的標(biāo)志，更是我國文化遺產(chǎn)的瑰寶。但由于在地下埋藏時(shí)間太長，或者遭受了多年的風(fēng)吹雨打，或者是由于保管不當(dāng)、操作失誤等意外的人為事件，這些文物難免出現(xiàn)不同程度的破壞，需要通過專業(yè)修復(fù)來還原它們的歷史價(jià)值、科學(xué)價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。對(duì)于文物缺失部位的復(fù)原，目前以翻模補(bǔ)配法為主，因?yàn)榉?fù)制取材范圍廣、操作簡(jiǎn)便、制模精度較高。然而，翻模復(fù)制也有其局限性，它在操作時(shí)必須使印模材料和脫模劑直接與文物表面相接觸，這使修復(fù)工作存在很多不確定性與風(fēng)險(xiǎn)性:脫模劑在不同表面的揮發(fā)速率有何具體差別，是否會(huì)影響文物材質(zhì)本身的光色，是否會(huì)滲入文物表層形成化學(xué)損傷;印模材料在固化過程中是否會(huì)出現(xiàn)輕微縮脹;若翻模對(duì)象為鑲嵌類的飾件，在脫模時(shí)是否會(huì)因印模材料與文物本身貼合過牢而將原有嵌件粘帶下來……諸如此類的問題時(shí)刻影響著文物修復(fù)工作的科學(xué)性與安全性。3D打印技術(shù)的修復(fù)原理為:采用三維修復(fù)技術(shù)進(jìn)行文物補(bǔ)全，通過3D掃描儀對(duì)文物空間外形、結(jié)構(gòu)、色彩以及缺失部位進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，再通過計(jì)算機(jī)程序的測(cè)算，獲取精確的損失部位三維數(shù)據(jù)，從而復(fù)原得到完整的三維數(shù)字模型。通過對(duì)文物材質(zhì)的數(shù)字化分析，3D打印機(jī)可直接制作出文物缺失部位，且吻合度極高，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)制部件與文物殘破邊緣的無損對(duì)接，最終復(fù)原文物全貌。這種先進(jìn)的文物修復(fù)方式大大避免了翻模及脫模過程可能會(huì)給文物造成的二次傷害，是數(shù)字化新技術(shù)惠及文物保護(hù)事業(yè)的體現(xiàn)。

以陜西歷史博物館白瓷高足杯的復(fù)制過程為例:該文物總高約11厘米，胎質(zhì)細(xì)膩純凈、釉色溫潤光亮，于歷史研究和美術(shù)工藝考證方面都有重要意義，被評(píng)定為我國的一級(jí)文物。然而，白瓷高足杯的杯口處有著高1．8厘米、長約5厘米的缺失;杯腹部有一處裂紋并延伸至口沿處;杯身釉面出現(xiàn)一些片紋，且胎面極薄;從碴口處進(jìn)行測(cè)量，白瓷高足杯的壁厚大約0．16厘米。在修復(fù)過程中，有關(guān)專家首先對(duì)白瓷高足杯進(jìn)行了三維模型采集，后又通過Geomagic Studio等逆向工程軟件勾勒出白瓷高足杯缺失部位的3D模型，再采用Object 30光敏樹脂三維打印機(jī)對(duì)殘缺部分進(jìn)行三維打印，得出補(bǔ)全模型，最后將這些補(bǔ)全模型進(jìn)行拼接，完成整項(xiàng)修復(fù)任務(wù)。在上述操作過程中，雖然需要計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助，以及諸多3D掃描打印硬件設(shè)施，但數(shù)字化修復(fù)手段的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。［4］3D掃描打印技術(shù)降低了在修補(bǔ)過程中破壞文物的可能性，成功彌補(bǔ)原有修復(fù)工藝的不足，真實(shí)再現(xiàn)了白瓷高足杯的全貌，為進(jìn)一步的學(xué)術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

四、依靠3D掃描打印技術(shù)進(jìn)行文物的虛擬展示

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多博物館都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化展陳，使文物愛好者足不出戶即能欣賞到館藏珍品。以往的線上參觀項(xiàng)目一般停留在讓觀眾通過博物館網(wǎng)站瀏覽文物照片的層面，觀眾最多能看到某件文物上、下、前、后、左、右六個(gè)方位的正面照，許多細(xì)節(jié)表現(xiàn)和藝術(shù)信息無法被完整地呈現(xiàn)出來。3D彩色掃描技術(shù)能夠全方位地獲取文物信息，采集微觀細(xì)節(jié)，清晰地表達(dá)文物的各種紋理以及每一處洼陷或凸起，再加上三維軟件的加工處理，最終形成的數(shù)字立體模型與文物本體幾乎沒有差別。［5］此外，立體文物最理想的觀賞效果是三百六十度無死角，3D掃描技術(shù)與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)相聯(lián)動(dòng)，即可創(chuàng)建立體圖片。線上參觀的觀眾能用鼠標(biāo)將屏幕中所展示的文物進(jìn)行旋轉(zhuǎn)翻動(dòng)，實(shí)現(xiàn)虛擬文物的全角度觀賞。

快節(jié)奏的生活方式致使當(dāng)代人們觀看展出的時(shí)間越來越零散化、片段化，數(shù)字博物館應(yīng)運(yùn)而生并正在活力發(fā)展著，其中三維虛擬技術(shù)(VR技術(shù))功不可沒。三維虛擬技術(shù)將數(shù)據(jù)計(jì)算、立體顯示、人機(jī)交互、效果仿真于一體，主要應(yīng)用在歷史場(chǎng)景復(fù)制及文物的虛擬復(fù)原上。基于三維技術(shù)的支持，圓明園成功實(shí)現(xiàn)了建筑群組的虛擬復(fù)建，展現(xiàn)了清朝盛世的園林構(gòu)筑技藝;吉林大學(xué)也對(duì)考古出土的古人顱骨進(jìn)行容貌復(fù)原，推進(jìn)了解剖學(xué)、人類學(xué)、考古學(xué)等科研工作的深入。通過VR技術(shù)構(gòu)建數(shù)字博物館，現(xiàn)已形成一種潮流，它所創(chuàng)造出身臨其境般的逼真體驗(yàn)和感官刺激受到了年輕人的青睞。云岡石窟數(shù)字模型虛擬漫游項(xiàng)目在我國數(shù)字化展陳中是非常典型的案例。由于文物保護(hù)的原因，云岡石窟沒有進(jìn)行全面開放，三維掃描和VR虛擬技術(shù)能夠有效彌補(bǔ)這一缺憾。［6］基于三維掃描技術(shù)的成果，觀眾可以在虛擬世界中進(jìn)行視點(diǎn)的自由移動(dòng)，充分感受數(shù)字化技術(shù)帶來的虛擬漫游空間，獲得“步移景異”的真切視覺享受。

五、以3D掃描技術(shù)進(jìn)行大型文物測(cè)繪與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

石窟寺、墓葬、古建筑等大型不可移動(dòng)文物的測(cè)繪工作向來艱巨，一是因?yàn)楹芏啻笮臀奈锼幍淖匀坏乩憝h(huán)境非常復(fù)雜，不利于測(cè)繪工作的開展;二是因?yàn)殚L期的風(fēng)雨侵蝕使文物表面脆弱敏感，傳統(tǒng)的測(cè)繪工具和測(cè)繪手段有可能給文物本體造成保護(hù)性破壞。為貫徹文物保護(hù)工作中的最小干預(yù)原則，3D掃描技術(shù)已成為大型文物測(cè)繪時(shí)的不二選擇。［7］3D掃描采用零接觸測(cè)繪方式，以場(chǎng)景立體掃描系統(tǒng)全方位、多角度地記錄建筑物的各構(gòu)件形制、石窟造像的每處殘損、摩崖石刻的風(fēng)化程度及侵害領(lǐng)域，為大型文物的保護(hù)研究提供了數(shù)據(jù)支撐。廣元千佛崖摩崖造像的實(shí)地測(cè)量與震后修復(fù)就是通過3D掃描打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是管理保護(hù)文物的重要渠道。傳統(tǒng)的肉眼觀察、相機(jī)拍照、文字記錄、手工測(cè)量、攝像頭監(jiān)控等工作模式步驟繁瑣且誤差幾率大，在一定程度上影響了研究人員對(duì)文物現(xiàn)狀的判定。3D掃描系統(tǒng)將分散的文物數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，一方面優(yōu)化了監(jiān)測(cè)手段，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)大型文物已經(jīng)出現(xiàn)的問題和劣變趨勢(shì)，準(zhǔn)確定位需要加固、修補(bǔ)或封護(hù)的區(qū)域范圍，另一方面還能動(dòng)態(tài)地反映保護(hù)效果，甄別各修復(fù)材料和修復(fù)技藝的優(yōu)劣差異，為后續(xù)的文物工作提供參考依據(jù)。

總之，3D掃描打印技術(shù)在文物保護(hù)工作中的積極作用日益突顯，在文物復(fù)制、文物修復(fù)、文物虛擬展示以及大型文物的測(cè)繪與監(jiān)測(cè)方面均扮演了重要角色。其非接觸性的掃描模式和高精度的打印復(fù)制技術(shù)符合現(xiàn)代文物保護(hù)工作所提倡的真實(shí)性、安全性、可逆性、最小干預(yù)等理念，是利于文物保護(hù)、利于延續(xù)文物內(nèi)在價(jià)值的科學(xué)保護(hù)途徑。

［1］湯羽揚(yáng)，杜博怡，丁延輝．三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護(hù)中應(yīng)用的探討［J］．北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27(4):23－24．

［2］周亞男．基于激光掃描技術(shù)的文物三維數(shù)字化方法研究與應(yīng)用［D］．西安:陜西科技大學(xué)，2013．

［3］周華偉，朱大明，瞿華鎣．三維激光掃描技術(shù)與GIS在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用［J］．工程勘察，2011，(6):34－35．

［4］白成軍，吳蔥，張龍．全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測(cè)繪中的應(yīng)用［J］．天津大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2012，15(5):455．

［5］陶立，孫長庫，何麗，等．基于結(jié)構(gòu)光掃描的彩色三維信息測(cè)量技術(shù)［J］．光電子(激光)，2016，17 (1):111－114．

［6］劉晨，費(fèi)業(yè)泰，盧榮勝，等．主動(dòng)三維視覺傳感技術(shù)的研究［J］．半導(dǎo)體光電，2016，27(5):618－623．

［7］馮秋峰，任秋實(shí)，李萬榮．Inspeck成像掃描儀的三維成像技術(shù)［J］．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2016，(43):40－43．

【責(zé)任編輯:王 崇】

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1673－7725(2017)02－0169－04

2016－11－30

寇芳瑩(1990－)，女，北京人，主要從事文物與博物館研究。