虚拟油泥技术Freeform在文物快速复原中的应用研究

陶燎亮 杜臻臻

摘要：通过研究与分析传统文物的复原过程，运用基于虚拟油泥技术Freeform的快速成型技术，快速构建文物缺失部分，实现文物快速复原。借助三维扫描仪和三维建模工具，快速构建残缺文物的三维模型，运用虚拟油泥技术复原残缺文物缺失部分，改进传统文物复原过程的复杂工艺，结合3D打印技术，提高文物复原效率，为文物保护事业提供数字化思路。

关键词：虚拟油泥 FreeForm 文物复原

中图分类号：TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

Abstract： Through the research and analysis the procedure of the traditional relics recovery， by using rapid prototyping technology based on virtual sludge technology freeform， build the missing part of relics quickly， and realize relic recovery quickly. With the help of 3d scanner and 3d modeling tools， build the 3d model of the imperfect relics quickly， recover the missing parts of the imperfect relics by using virtual sludge technology， and improve the complex technique of the traditional relic restoration. Combined with 3d printing technology， improve the efficiency of cultural relic restoration， and provide digital way of thinking for the protection of cultural relics.

Keyword： Virtual Grease；Freeform；Relics Recovery

1 引 言

文物作为文化遗产是不能再生也不能永生的文化资源，在人类社会发展过程中，难免受到自然及人为因素的破坏，必须采取积极有效的措施对文物进行修复与保护。文物复原是考古和文物研究中一项必不可少的、技术性很强的工作。目前在全国千余名文物保护科技人员中，专门从事文物复原的人员不足400人，而我国现有2000多万件文物亟待复原，复原任务非常严峻。

传统文物复原技术因其技术手段所限，没有步入现代化的行列。随着信息技术的发展，尤其是三维信息获取、虚拟现实、对媒体的研究与应用，为珍贵文物的保护、复原与研究提供了新的技术和手段。利用计算机辅助文物复原，可以加快文物复原的速度，避免修复过程对文物的损害，较低文物复原的难度，而且可以把复原文物的三维模型直接用于数字博物馆的文物展示和检索中，实现资源共享。

虚拟油泥技术FreeForm的出现是对现有计算机辅助设计方法的一个有益补充，特别是在复杂曲面造型设计和快速建模方面有较强的应用价值。将虚拟油泥技术FreeForm应用到文物复原方向上，能够解决文物复杂曲面快速建模和复原，大大提高文物复原效率。

本文运用虚拟油泥技术FreeForm设计系统，借助三维扫描设备和三维建模工具，快速构建残缺文物的三维模型，运用虚拟油泥技术复原文物残缺部分，将缺陷模型导入快速成型机器，制作出残缺部分模型，最后修补缺陷部分边缘轮廓和上色处理，复原文物原型。

2 FreeForm设计系统

FreeForm触觉式设计系统是一套基于“虚拟油泥”和“力反馈技术”的造型设计系统。基于3D Touch技术，使用者可以通过视觉和触觉结合来完成复杂3D模型的构建。FreeForm系统为设计者和建模者创建原始模型或修复数据提供了一个快速且经济有效的方式。

2.1 系统结构

FreeForm触觉式设计系统主要由触觉设备PHANTOM和FreeForm Modeling Plus建模软件构成。设计者通过使用触觉设备PHANTOM中的操作杆来雕刻FreeForm Modeling Plus软件中的“虚拟油泥”或“数字黏土”，对模型实现生长、拉伸、削减、旋转、镜像、上色等操作。设计者所使用的操纵杆在软件中的坐标定位接触数字黏土并对其进行雕刻的时候，能够明显的感觉到操作杆反馈过来的阻力，具有沉浸感良好的用户体验和设计，从而更具真实地设计并创造产品的新造型，加快产品开发的效率。系统的结构图如图1所示。

2.2 系统兼容性

FreeForm系统同时支持stl、step、iges、和bmp等输入输出格式，通过该系统设计的3D模型导出stl格式模型直接导入到3D打印软件可直接打印出3D模型。同时可兼容多种3D建模软件，例如3ds max软件、Auto CAD软件和UG建模软件等。采用灵活交叉建模方式可缩短建模过程所需的时间，也可以为建模过程中遇到一些难以解决的问题提供了更多的解决思路。

3 文物复原实例

本文以复原青瓷文物为例，展示虚拟油泥技术FreeForm设计系统在快速复原文物过程中实际应用效果。在文物修复的传统工序中，拼接、补缺和全色三道工序都可以通过计算机辅助进行。通过三维扫描设备获取残缺文物的数据，构建文物的三维模型，采用虚拟现实技术和虚拟油泥技术FreeForm记录文物残缺部分所处的次序及位置，构建其文物缺片，最后复原文物原型。

3.1 建立基本模型

通过三维扫描仪，把有残缺的青瓷文物扫描成三维模型并导出STL格式，把扫描好的三维模型导入到FreeForm设计系统中，如图2所示。

3.2修复模型

执行Select clay with ball命令，选择Select all clay全选，使用copy selected clay命令复制一个，选择粘贴至另一个对象，以备镜像后与原始数据做布尔运算。

创建一个新的2D平面。首先把对象的坐标中心定在物体的中间，把视角转到前视角，再产生一个新的2D平面，让生成的平面与视角平行。如图3所示。

编辑所新建的平面，旋转平面及把平面移到对象中心。

选择镜像平面（选取Match后会弹出很多平面可供选择）。执行Preview（预览）后，再选取Flip，可选择所镜像的方向及内容。镜像方向确定后，再执行Apply。镜像之后的结果如图4所示。

把镜像后的对象和原始点数据做个比较，然后再通过Combine（布尔）可以快速得到青瓷残缺的部分。如图5所示。

执行选择工具，点击粘土，“Crtl+I”反选，按Delete将多余的碎片删除。选择Select all clay全选，使用copy selected clay命令复制一个，选择粘贴至另一个对象，以备修正后作误差检测。

青瓷残缺部分大致雏形完成后，由于要和青瓷做配合，所以用变形工具Tug，顺滑工具Smooth，修整后的残缺部分模型如图6所示：

3.3模型渲染

完成整个模型构建以后，选择进入Rendering工具栏，点击设置材质。点击设定灯光，灯光类型主要有Point（点光源），Spot（聚光灯），Infinite（日光灯）三种类型，这里选择Spot灯光，设置好灯光颜色、照射范围、灯光质量后，得到最终的渲染效果图如图7所示。

4 结语

基于虚拟油泥技术FreeForm设计系统在一定程度上改变了传统文物复原方法，充分运用三维扫描技术、三维建模技术、虚拟现实技术、快速成型技术，建立一套文物复原保护方法，开拓了计算机应用新领域，为文化遗产的复原、保护和展示提供了新的技术手段，最终促进文物保护工作快速发展。

参考文献

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