何原榮， 潘火平， 陳鑒知， 鄭淵茂

(1. 廈門理工學(xué)院 計算機(jī)與信息工程學(xué)院， 福建 廈門361024；2. 中國科學(xué)院 城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗室， 福建 廈門361024；3. 中國科學(xué)院 城市環(huán)境研究所， 福建 廈門361024；4. 貴州財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025)

宋代古船的三維激光掃描技術(shù)重建與模型3D打印

何原榮1，2，3， 潘火平1， 陳鑒知4， 鄭淵茂1

(1. 廈門理工學(xué)院 計算機(jī)與信息工程學(xué)院， 福建 廈門361024；2. 中國科學(xué)院 城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗室， 福建 廈門361024；3. 中國科學(xué)院 城市環(huán)境研究所， 福建 廈門361024；4. 貴州財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025)

針對古文物的完整有效保存，文物研究、修復(fù)，以及其可能造成的毀損，提出采用三維激光掃描技術(shù)對文物進(jìn)行數(shù)字化重建.構(gòu)建文物真實(shí)三維模型，并通過3D打印技術(shù)制作文物的高精度實(shí)體復(fù)原模型.以宋代古船實(shí)體模型重建為例，對所提出的方法進(jìn)行驗證，研究結(jié)果表明：三維激光掃描技術(shù)和3D 打印技術(shù)可以提高文物歷史信息的保存和修復(fù)效率，避免接觸式測量文物造成的表面損壞，提高研究人員對文物分析研究的參與度.但是，對于表面紋理比較復(fù)雜的文物，這項技術(shù)依然存在精度上的缺陷. 關(guān)鍵詞： 三維激光掃描技術(shù)； 文物保護(hù)； 3D打印技術(shù)； 點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 宋代古船

文物是古人生活的一個縮影，蘊(yùn)含著豐富的歷史文化信息，是研究古人生活和社會發(fā)展進(jìn)程的重要資料[1].盡可能地保護(hù)好古文物上面存有的歷史信息，同時,使得古文物上的歷史信息可以更好地服務(wù)于現(xiàn)代社會，成了現(xiàn)在考古學(xué)亟待解決的一個問題.三維激光掃描系統(tǒng)是一種集成了多種高新技術(shù)的三維坐標(biāo)測量儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點(diǎn)云形式快速獲取被測對象表面的陣列式幾何圖形的單位數(shù)據(jù).它可以將珍貴古文物的幾何、顏色、紋理等信息記錄下來，構(gòu)建虛擬的三維模型，大大降低數(shù)據(jù)采集、建模的時間成本和人工成本，為古代文物的保護(hù)提供革命性的新途徑[2].國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)把三維激光技術(shù)應(yīng)用到文物保護(hù)中，劉旭春等[3]把三維激光技術(shù)運(yùn)用到古建筑的建模中.白成軍等[4]把三維激光技術(shù)和傳統(tǒng)測繪技術(shù)相結(jié)合，對古建筑進(jìn)行測繪.曹力等[5]把機(jī)載、地面三維激光技術(shù)與高分辨數(shù)碼影像相結(jié)合，建立了山海關(guān)長城的三維模型.雖然目前三維激光技術(shù)在考古學(xué)中已經(jīng)應(yīng)用得相當(dāng)廣泛，但是利用三維激光技術(shù)建立三維模型，并制作實(shí)體模型的研究還是相對較少[6-7].本文應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)建立宋代古船的虛擬數(shù)字化三維模型，并用3D打印技術(shù)制作了古船的實(shí)體模型.

圖1 數(shù)據(jù)采集流程Fig.1 Data acquisition scheme

1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集流程主要包括控制測量、掃描站布測、標(biāo)靶布測、設(shè)站掃描、紋理圖像采集、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)導(dǎo)出備份，如圖1所示.控制測量主要應(yīng)用于需要精確確定目標(biāo)地理坐標(biāo)，文中研究不需要絕對地理坐標(biāo)，故忽略此步驟.

1.1 古船典型特征

圖2 宋代古船實(shí)體Fig.2 Song Dynasty ancient ship entity

1974年8月，在中國的首次大型海灣考古發(fā)掘工程中，在福建泉州港發(fā)現(xiàn)了一艘宋代的古船，如圖2所示.古船一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，便引起了海內(nèi)外考古界的轟動，被譽(yù)為“世界考古珍聞”.該古船殘長為24.4 m，殘寬為9.15 m，排水量近400 t，載量200 t，是一艘首部尖、尾部寬、高尾尖底“福船”類型的海船.這艘古船采取水密隔倉技術(shù)，即用隔艙板將古船艙體分成13個獨(dú)立艙區(qū).當(dāng)沉船被打撈上岸后，該船令在場所有的專家都嘆為觀止.重新面世時，這艘船滿載著珍貴的歷史文物.這批文物共計14類69項，包括香料藥物、陶瓷器、銅鐵器等， 泉州灣發(fā)掘的古船具有重要的研究價值和歷史意義.因此,對該文物的研究和保護(hù)提出了新的課題.傳統(tǒng)上利用相機(jī)獲取文物的照片，進(jìn)行保存，但是利用照片無法精確地獲取到文物的幾何紋理等信息，更無法捕獲周圍的信息，在文物細(xì)節(jié)還原方面更是沒有可行性.所以,傳統(tǒng)的測量方式無法對古船的全部信息進(jìn)行高精度提取，阻礙了人們對古船的研究進(jìn)度，也阻礙對古船進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)[3].鑒于古船不允許上船架設(shè)儀器設(shè)備進(jìn)行測量，文中以宋代古船為研究對象，利用三維激光掃描技術(shù)對船體進(jìn)行了掃描，然后使用了FAROScene和Geomagic等專業(yè)軟件對掃描點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行三維建模.

1.2 掃描現(xiàn)場踏勘

圖3 宋代古船掃描站布設(shè)現(xiàn)場Fig.3 Scanning station distribution of Song Dynasty ancient ship

在對目標(biāo)進(jìn)行掃描之前，需要對目標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘.觀察目標(biāo)的地理位置和掃描環(huán)境，從而制定掃描計劃確保掃描工作順利進(jìn)行.掃描的古船位于泉州市開元寺內(nèi)的古船博物館中，船身使用鐵架架起，高度在2.5 m左右.場館共有兩層，從二樓可以掃描到船體內(nèi)部.初步預(yù)計掃描站數(shù)為9站，一層布設(shè)5站，二層布設(shè)4站，如圖3所示.具體的掃描站數(shù)可能會增加或者減少，在一些細(xì)節(jié)的獲取方面需要更多的點(diǎn)云數(shù)據(jù).

1.3 外業(yè)掃描

外業(yè)掃描主要分為測站與標(biāo)靶布設(shè)、設(shè)站掃描.Farofocus 3D地面三維激光掃描儀對標(biāo)靶(靶球)的精確識別距離約為15 m，所以在布設(shè)時要注意靶球和測站之間的距離.標(biāo)靶布設(shè)應(yīng)符合如下3點(diǎn)要求：1) 標(biāo)靶應(yīng)在掃描范圍內(nèi)均勻布置且高低錯落；2) 每一掃描站的標(biāo)靶個數(shù)不少于4個，相鄰兩掃描站的公共標(biāo)靶個數(shù)不少于3個；3) 明顯特征點(diǎn)可作為標(biāo)靶使用.

合理布設(shè)靶球后，即可進(jìn)行設(shè)站掃描.掃描站的布設(shè)應(yīng)符合如下4點(diǎn)要求：1) 掃描站應(yīng)設(shè)置在視野開闊、地面穩(wěn)定的安全區(qū)域；2) 掃描站掃描范圍應(yīng)覆蓋整個掃描目標(biāo)物，均勻布設(shè)，盡量減少設(shè)站數(shù)目；3) 目標(biāo)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通視困難或線路有拐角的情況應(yīng)適當(dāng)增加掃描站；4) 需要搭設(shè)平臺時，應(yīng)保證平臺穩(wěn)定和儀器、人身安全.

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時，要將儀器放置在觀測環(huán)境中30 min以上，再開始作業(yè).掃描站點(diǎn)布設(shè)要滿足相鄰站間有效點(diǎn)云重疊度不低于30%，困難區(qū)域不低于15%的要求.設(shè)有標(biāo)靶的測站應(yīng)進(jìn)行標(biāo)靶的識別與精確掃描，確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確拼接.掃描作業(yè)結(jié)束后，應(yīng)將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋范圍完整性、標(biāo)靶數(shù)據(jù)完整性和可用性.對缺失和異常數(shù)據(jù)，應(yīng)及時補(bǔ)掃.

紋理圖像采集可根據(jù)應(yīng)用需要選取，采集時應(yīng)注意以下5點(diǎn)要求：1) 圖像的拍攝角度應(yīng)保持鏡頭正對目標(biāo)面，無法正面拍攝全景時，先拍攝部分全景，再逐個正對拍攝，后期再合成；2) 宜選擇光線較為柔和、均勻的天氣進(jìn)行拍攝，避免逆光拍攝，能見度過低或光線過暗時不宜拍攝；3) 相鄰圖像之間應(yīng)保證有不小于30%的重疊區(qū)域；4) 采集圖像時，應(yīng)繪制圖像采集分布圖；5) 紋理顏色有特殊要求時可使用色卡配合拍攝.

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理流程包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、降噪與抽稀、圖像數(shù)據(jù)處理、彩色點(diǎn)云制作等.經(jīng)過外業(yè)掃描，得到了古船的點(diǎn)云數(shù)據(jù).但是，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)還不能用于建模，還要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理.即需要經(jīng)過靶球識別、點(diǎn)云配準(zhǔn)和降噪抽稀等步驟之后，才能得到古船的點(diǎn)云模型，如圖4所示.

圖4 宋代古船的點(diǎn)云模型Fig.4 Point cloud model of Song Dynasty ancient ship

3 古船三維建模

古船完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，接下來進(jìn)行古船三維建模.該古船船體不規(guī)則，需采用Geomagic軟件輔助建模.將拼接去噪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)再進(jìn)行一次點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化[8]，即通過統(tǒng)一采樣、減少噪音等操作方法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)再次細(xì)化去噪，處理后的點(diǎn)云進(jìn)行封裝、建模.因為是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動建模，所以在曲面復(fù)雜而點(diǎn)云稀少或缺失的地方構(gòu)建的模型會出現(xiàn)錯誤或者實(shí)體面缺失，此時，需要對模型進(jìn)行人工修復(fù).

首先,調(diào)整模型法向.由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失會導(dǎo)致封裝后的模型有些地方會內(nèi)外相反，在模型修復(fù)階段，法向相反的兩部分進(jìn)行搭橋時會出現(xiàn)擬合三角面扭曲的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法進(jìn)行漏洞填補(bǔ)，會讓模型的修復(fù)工作開展困難.因此,要對法向相反的地方進(jìn)行法向的旋轉(zhuǎn).在旋轉(zhuǎn)之前將要進(jìn)行法向旋轉(zhuǎn)的部分與整體進(jìn)行分割，否則,會導(dǎo)致整體法向也隨之旋轉(zhuǎn)[9].

其次，對模型的爛面或重疊面現(xiàn)象，通過三角形刪除、曲面光滑、孔填充和邊修補(bǔ)技術(shù)等進(jìn)行人工修復(fù).在修復(fù)時要順著模型本身的紋理和紋路去修復(fù)，以免人為破壞模型，導(dǎo)致模型失真.在修補(bǔ)缺口較大的漏洞時要遵循由大到小的原則，利用填補(bǔ)功能中的搭橋操作將大缺口隔離成為一個個小型缺口，然后再進(jìn)行全部填補(bǔ)的操作.

最后，使用網(wǎng)格醫(yī)生功能對整個填補(bǔ)完的模型進(jìn)行全面的修復(fù)[10]，該功能會對一些自相交的三角面和未填補(bǔ)的微小漏洞進(jìn)行修復(fù)，在修復(fù)完成后就可以得到所需要的最終成果，如圖5所示.模型在建完之后，可以通過軟件將模型導(dǎo)出，GEOMagic支持多種的三維格式輸出，輸出后可用于3D打印和貼圖展示等.

圖5 宋代古船的三維重建模型Fig.5 3D reconstruction model of Song Dynasty ancient ship

4 古船模型3D打印

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù).在模型應(yīng)用方面，3D打印技術(shù)使模型有了更加廣泛的用途.

為文物安全性和永久保存考慮，可以利用3D打印技術(shù)，通過工業(yè)級3D打印機(jī)將文物按1∶1比例打印文物的3D模型進(jìn)行展覽.展品色彩、模型體積與實(shí)物高度吻合，達(dá)到逼真效果.文物愛好者也可以通過3D打印技術(shù)打印成品，購置回家欣賞.

4.1 模型完整性檢查

在打印之前首先要對模型的完整性進(jìn)行檢查.不完整的模型打印機(jī)是無法進(jìn)行工作的.打印前模型有必備的如下4個條件.1) 數(shù)據(jù)模型必須是由封閉的幾何體構(gòu)成.2) 將模型調(diào)到原點(diǎn)坐標(biāo)(0，0，0).3) 將模型縮放到打印輸出尺寸.4) 將單位修改為英寸或者毫米.

模型完整性檢查可以借助軟件，也可以進(jìn)行人工操作.隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多可以對模型進(jìn)行檢查的軟件，如Mini Magics可以幫助檢查模型是否符合打印標(biāo)準(zhǔn).在軟件中，不符合規(guī)范的地方會以紅色提示.發(fā)現(xiàn)問題所在后，可以在Geomagic軟件中對模型出現(xiàn)紅色的地方進(jìn)行再修復(fù).

4.2 模型曲面化操作

在打印大型的3D展品時，需要對模型進(jìn)行曲面化操作[11].大型3D打印機(jī)所匹配的軟件為SolidWorks軟件.逆向工程軟件Geomagic Studio與CAD軟件、SolidWorks之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和共享也需要對模型進(jìn)行處理.

SolidWorks軟件較好地支持和匹配的格式為stp和igs模型.當(dāng)模型是由曲面片組成的時候才能保存為這兩種格式，所以要在Geomagic軟件中對模型進(jìn)行曲面處理.首先，對整個對象進(jìn)行“探測曲率”操作，如果細(xì)節(jié)要求較高，則可考慮將敏感性參數(shù)設(shè)為“0”，然后進(jìn)入曲面片編輯過程.

在曲面片編輯過程中，應(yīng)結(jié)合“構(gòu)造網(wǎng)格”命令進(jìn)行檢查.對于檢查出來的相交區(qū)域或相交路徑[12]，可使用“編輯曲面片”、“移動面板”及“繪制曲面片布局圖”命令來解決.如果經(jīng)檢查后沒有相交區(qū)域，就可以進(jìn)入“網(wǎng)格階段”命令.一般情況下，通過曲面片編輯處理后，網(wǎng)格階段不必進(jìn)行修整即可直接進(jìn)入“擬合曲面”命令.在擬合曲面過程中，建議使用“常數(shù)”選項.該選項允許修改擬合后的曲面，為了追求最好的細(xì)節(jié)，可將表面張力調(diào)到最小，控制點(diǎn)數(shù)目調(diào)到最大.在進(jìn)行完上述步驟后,即可將模型保存為stp或igs格式.

4.3 模型3D打印

將模型輸入到3D打印機(jī)之后就可以開始打印，打印大概分為3個步驟：設(shè)置打印參數(shù)、清理原來的打印材料和執(zhí)行打印任務(wù)[13].

打印時間取決于模型大小、打印質(zhì)量及模型復(fù)雜度等參數(shù).打印過程中要確保電源接通，如果出現(xiàn)斷電或者機(jī)器故障使得打印停止，那么打印任務(wù)失敗.在打印過程中，仍然可以操作控制屏幕查看參數(shù)，但是最好不要修改參數(shù)，否則,容易出現(xiàn)打印故障；如果要停止本次打印，可以回主菜單選擇打印暫停(打印進(jìn)度會被保存，重新開始打印后，可以接上原來的進(jìn)度，但是會在暫停處形成一個熔化點(diǎn)，接著打印下去，模型銜接不上，可能會成為廢品) 或停止打印(此時，正在打印的數(shù)據(jù)會清零，下一次開始打印的時候，上一次打印的進(jìn)度不會被保存)，所以無論停止打印或者是暫停打印效果是一樣的.正確設(shè)置打印參數(shù)和打印材料后，最后得到了古船的模型，如圖6所示.

圖6 古船3D打印成品Fig.6 3D printing product of ancient ship

5 結(jié)論

通過對古船的掃描、建模和3D打印，可以清楚地看到三維激光掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)在文物保護(hù)和考古工作方面的優(yōu)勢[14]，不僅可以迅速地存儲文物蘊(yùn)藏的歷史信息，還可以使該歷史信息反復(fù)利用，并減少文物表面的破壞.相關(guān)的工作人員不但可以利用這兩項技術(shù)對古文物進(jìn)行快速的復(fù)制和相關(guān)信息的存儲[15]，更可以將該手段運(yùn)用到古文物的復(fù)原和仿真中.盡管這兩項技術(shù)在各方面的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟和廣泛，但在文物保護(hù)和考古工作中依然存在著一定的局限性，表現(xiàn)在以下4點(diǎn)結(jié)論.

1) 單獨(dú)的三維激光掃描只能提供精確的物體空間幾何信息，對于文物表面細(xì)微紋理和色彩信息的提取仍有所欠缺[16].雖然現(xiàn)在部分掃描儀已可以提取掃描對象表面的色彩信息，但其精度還達(dá)不到要求，對于表面圖案紋理要求較高的工作來說，還是需要和其他的測繪技術(shù)和信息采集手段相結(jié)合.

2) 三維激光掃描因其射線不具有穿透性，掃描對象表面反射率將會嚴(yán)重影響掃描的效果.比如在古船復(fù)原工作中，由于船上有多個倉，而每個倉的內(nèi)部又有許多凹凸以及細(xì)小紋理，因此,必然會出現(xiàn)陰影和遮擋等.這些現(xiàn)象給后期數(shù)據(jù)處理工作帶來了一定困難.

3) 掃描數(shù)據(jù)處理過程專業(yè)化程度較高，雖然現(xiàn)在相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件的自動化程度較高，但只能針對普遍常見的問題進(jìn)行處理.面對昂貴的儀器和軟件，以及龐大復(fù)雜的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依然需要專門的數(shù)據(jù)處理人員來完成相關(guān)的工作.由于模型制作人員和數(shù)據(jù)處理人員知識背景的差異，使得數(shù)據(jù)在雙方之間的傳遞產(chǎn)生脫節(jié)，造成誤差，也因此增大了工作的難度.

4) 3D打印成本現(xiàn)階段還較高，3D打印材料的市場價格還較貴，即使是打印一個較小的模型都需要幾千元的費(fèi)用，而小的模型無論是仿真效果、研究價值還是信息的存儲價值都要比等比例的模型效果差.其次，目前大型3D打印機(jī)在市場上并不多見，無論購置還是租用該設(shè)備都存在一定的難度.該技術(shù)成本上的劣勢，也使得該項技術(shù)在考古學(xué)中的廣泛應(yīng)用受到了一定限制.

傳統(tǒng)的測繪方法不能迅速地精確地復(fù)制還原文物真實(shí)三維信息，也會不可避免地?fù)p壞文物本身.盡管目前三維激光掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)在考古學(xué)中的推廣還存在一定的難度，但隨著三維激光掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，這兩項技術(shù)在考古和文物保護(hù)方面的運(yùn)用也越來越普遍，這些技術(shù)將會突破考古和文物保護(hù)方面的瓶頸.文中提出利用三維激光掃描技術(shù)對文物的三維幾何信息進(jìn)行數(shù)字化采集、存儲，并進(jìn)行建模，大大減少了文物信息采集存儲的時間，用3D打印技術(shù)把構(gòu)建的三維模型打印出來，使得文物的歷史信息可以反復(fù)利用.利用三維激光掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)非接觸、主動性和快速性等優(yōu)勢，可以永久性地保存文物的數(shù)字信息，對恢復(fù)和傳承其文化和藝術(shù)價值在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用和研究都具有重要意義.在實(shí)際工作中，這兩項技術(shù)在文物保護(hù)方面的應(yīng)用還存在一定的缺陷，要完全普及還需要在技術(shù)和成本等方面的創(chuàng)新.

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(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 吳逢鐵)

Reconstruction of Song Dynasty Ancient Ship Based on 3D Laser Scanning Technology and Model 3D Printing

HE Yuanrong1,2,3， PAN Huoping1，CHEN Jianzhi4， ZHENG Yuanmao1

(1. School of Computer and Imformation Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China；2. Key Laboratory of Urban Environment and Health， Chinese Academy of Sciences， Xiamen 361024， China；3. Institute of Urban Environment， Chinese Academy of Sciences， Xiamen 361024， China；4. School of Management Science， Guizhou University of Finance and Economics， Guiyang 550025， China)

In view of the present archaeological research in cultural relics information storage and replication is not accurate rapid aspects， this paper puts forward the relics replication using 3D laser scanning technology，then establishing the 3D model， and producing solid model by 3D printing technology. The Song Dynasty ancient ship entity model is reconstructed as an example， to validate the effectiveness of the technology. The results show that the 3D laser scanning technology and 3D printing technology can improve the efficiency of storage and replication of historical relics， reduce the damage to the surface of the cultural relics due to the touching detection， and enhance researcher′s participation in cultural studies. But in view of the complex surface texture artifacts， this technology still has some defects in accuracy. Keywords： 3D laser scanning technology； cultural relics conservation； point cloud； 3D printing technology； point cloud data； Song Dynasty ancient ship

10.11830/ISSN.1000-5013.201702021

2017-02-14

何原榮(1977-)，男，副教授，博士后，主要從事地圖制圖學(xué)與地理信息工程的研究.E-mail:heyuanrong@126.com.

福建省自然基金面上資助項目(2016J01199)； 福建省測繪地理信息科技創(chuàng)新項目(2015J14)

P 234.4； G 264

A

1000-5013(2017)02-0245-06