试析3D扫描打印技术在文物保护工作中的应用

寇芳莹(北京市颐和园管理处，北京 100091)

试析3D扫描打印技术在文物保护工作中的应用

寇芳莹
(北京市颐和园管理处，北京 100091)

3D扫描打印技术是一种新式的文物三维保护模式，它能够迅速捕捉并记录文物的体貌特征与结构信息，并将各类数据归纳整合，形成一套完整的数字模型，在文物的资料保存、数据检索、状况监测和虚拟展示等方面意义非凡，特别是对文物的保护与修复起到了极大的积极作用。3D扫描打印技术的出现，不仅切实提高了文物工作的质量与效率，还夯实了文物价值研究和科学化保护的基础。

3D扫描打印技术;文物保护;文物修复

随着各学科交流合作的日益深入和互动平台的日趋完善，越来越多的新技术得到了有效推广，实现了科研成果的资源共享。现如今，新科技、新媒体已经贯穿文物工作的各个方面，给文博业带来了前所未有的变革与挑战。文物是不可再生的文化资源，如何有效而恰当地保护文物，如何将文物在历史积淀中所凝结的各类丰富信息真实而完整地保留、还原并延传给后人，一直是文物保护工作者重点关注并不断探索的问题。时至今日，迅猛发展的多媒体数字技术已经在文物修复领域引发了一场巨大变革，并深入文物保护工作的各个环节，3D扫描打印技术便是其中之一。作为文物保护与修复领域的新生力量，3D扫描打印技术凭借其非接触性数字化保护手段和高精度、便捷式的操作特点而被广泛关注。

一、3D扫描打印技术分类

三维科技的关键点在于如何快速获取物体的立体信息(即3D信息)，不同3D扫描打印技术的根本区别也在于此。三维信息技术在宏观上主要分为两类，即接触式与非接触式。接触式扫描技术包括非破坏性技术(如CMM、机械臂、切片等)和破坏性技术;非接触式三维扫描技术则包括反射式(非光学式、光学式)和发射式(工业CT)两种。其中，光学式三维扫描技术是现今应用最为广泛的3D扫描打印技术。

不同的3D扫描打印技术，有不同的扫描系统。其一，根据是否触碰被检测物体，可将3D扫描打印系统分为接触式与非接触式;其二，根据检测所采用的介质，分为激光扫描系统与非激光扫描系统;其三，根据被扫描物体的体量大小，可将3D扫描打印技术分为场景扫描系统与普通扫描系统;其四，按照是否需依据纹理信息，可分为彩色扫描系统与普通扫面系统。［1］

近些年来，3D技术飞速发展，3D扫描打印设备也越来越便捷，易于操作。这促使3D扫描打印技术从医学、工业制造、娱乐传媒等领域迅速扩展到文物保护方面。在文物保护工作中，因考虑到文物的脆弱性、珍贵性与不可再生性，绝大多数情况会选取非接触式扫描方案，然后再根据文物的体积大小选择正确的扫描系统。一般而言，瓷器、铜器等器物类文物可选用普通扫描系统，而建筑等不可移动文物就需要采用场景扫描手段。再进一步，还要熟悉文物的材质构成，如果在对文物进行三维结构的扫描复刻时，还需记录文物表面的纹理信息，借助彩色扫描系统的帮助，以便减少文物数字化的工作量，保障3D扫描效果。

二、以3D扫描打印技术实现文物复制

受文物自身保存状况、展陈环境和安全条件等因素的限制，有些时候会以复制品替代文物进行展出，用复制品完善展项，用复制品传递文化历史信息，避免因某件重要文物真品不适宜展出而造成展览内容缺环。

(一)立体文物复制

在传统的立体文物复制工艺中，通常都会对文物进行翻模处理。但这种方法存在两大弊端:一是翻模过程中会将翻模材料遗留在文物表面上，对文物造成污染和损伤;二是翻模形成的复制品与文物相似度有所偏差，无法发挥文物价值传递的功用。3D扫描打印技术的引入与应用，恰恰解决了这些问题。3D扫描打印设备以文物原件为依据，先通过非接触式扫描架构出文物的三维数字模型，然后再用立体打印技术“打印”出该文物的复制品，在不破坏文物的前提下得到相似率极高(最高可达98．8%)的克隆母本。3D扫描打印出的文物复制品还可以被二次模印，在其基础上结合翻模复制手法，便可以制造出更多的仿真模型。这样既节省了经济成本，又不影响文物安全，比较适用于博物馆文化创意产品的研制。

(二)书画复制

3D扫描打印技术不仅能复制立体文物，如陶瓷、雕像等，同时也能够复制画作、手稿等二维文物。其复制的基本原理为:首先，要通过浮雕体层摄影术将3D扫描打印技术与分辨率打印技术相融合，复制出与原作近乎完全相同的作品;之后，要用高质量的照相捕捉技术来准确抓住原画中的每一个细节，通过3D扫描仪对每处细节进行微化处理，画作表面每一处高低起伏都要一一记录详实，保障复制品的参考价值与观赏价值。

通过3D扫描打印技术复制出来的画品，不仅在线条和颜色上与原作极为相似，甚至连笔触和画品质感都能模仿得十分到位。位于荷兰阿姆斯特丹的梵高博物馆已经用3D扫描打印技术复制出了《麦田》《向日葵》《杏花》等梵高名作，并表示在未来时间里会继续推出复制计划，丰富博物馆展品内容。［2］高精度复制品的背后是尖端的新型技术与高额的复制成本。据悉，梵高博物馆通过3D扫描打印技术复制出的每件作品造价都在2．5万英镑以上，合人民币20余万。某些收藏家或许热衷于体验这种新技术带来的艺术享受，会将3D扫描打印的复制品纳入其个人收藏体系。但对于我国文博业而言，财政支持仍是许多国有博物馆最为重要的经济来源，造价如此之高的复制技术显然难以在短期内推广成功，珂罗版复制和人工全色技法相结合的书画复制思路仍会发挥重要作用。

与此同时，通过3D扫描打印技术复制出来的作品被称为“活现作品”，复制品具有同原画一样的质感纹理，每一处细节都能达到与原作98．8%以上的相似率。［3］如果不考虑复制作品的新旧程度，研究画品的专家也难以分辨作品的真伪。所以，为避免不法分子通过3D扫描打印技术以假乱真、混淆市场，博物馆会特意对每幅复制品打上特殊的防伪标记，通过这种标志就能够看到作品的出处以及复制时间等内容。

三、以3D扫描打印技术实现文物修复

多种多样的文物资源是我国历史文明的标志，更是我国文化遗产的瑰宝。但由于在地下埋藏时间太长，或者遭受了多年的风吹雨打，或者是由于保管不当、操作失误等意外的人为事件，这些文物难免出现不同程度的破坏，需要通过专业修复来还原它们的历史价值、科学价值和艺术价值。对于文物缺失部位的复原，目前以翻模补配法为主，因为翻模复制取材范围广、操作简便、制模精度较高。然而，翻模复制也有其局限性，它在操作时必须使印模材料和脱模剂直接与文物表面相接触，这使修复工作存在很多不确定性与风险性:脱模剂在不同表面的挥发速率有何具体差别，是否会影响文物材质本身的光色，是否会渗入文物表层形成化学损伤;印模材料在固化过程中是否会出现轻微缩胀;若翻模对象为镶嵌类的饰件，在脱模时是否会因印模材料与文物本身贴合过牢而将原有嵌件粘带下来……诸如此类的问题时刻影响着文物修复工作的科学性与安全性。3D打印技术的修复原理为:采用三维修复技术进行文物补全，通过3D扫描仪对文物空间外形、结构、色彩以及缺失部位进行扫描，实现非接触测量，再通过计算机程序的测算，获取精确的损失部位三维数据，从而复原得到完整的三维数字模型。通过对文物材质的数字化分析，3D打印机可直接制作出文物缺失部位，且吻合度极高，能够实现复制部件与文物残破边缘的无损对接，最终复原文物全貌。这种先进的文物修复方式大大避免了翻模及脱模过程可能会给文物造成的二次伤害，是数字化新技术惠及文物保护事业的体现。

以陕西历史博物馆白瓷高足杯的复制过程为例:该文物总高约11厘米，胎质细腻纯净、釉色温润光亮，于历史研究和美术工艺考证方面都有重要意义，被评定为我国的一级文物。然而，白瓷高足杯的杯口处有着高1．8厘米、长约5厘米的缺失;杯腹部有一处裂纹并延伸至口沿处;杯身釉面出现一些片纹，且胎面极薄;从碴口处进行测量，白瓷高足杯的壁厚大约0．16厘米。在修复过程中，有关专家首先对白瓷高足杯进行了三维模型采集，后又通过Geomagic Studio等逆向工程软件勾勒出白瓷高足杯缺失部位的3D模型，再采用Object 30光敏树脂三维打印机对残缺部分进行三维打印，得出补全模型，最后将这些补全模型进行拼接，完成整项修复任务。在上述操作过程中，虽然需要计算机技术的辅助，以及诸多3D扫描打印硬件设施，但数字化修复手段的优势是显而易见的。［4］3D扫描打印技术降低了在修补过程中破坏文物的可能性，成功弥补原有修复工艺的不足，真实再现了白瓷高足杯的全貌，为进一步的学术研究奠定了基础。

四、依靠3D扫描打印技术进行文物的虚拟展示

随着科学技术的发展，很多博物馆都已经实现了数字化展陈，使文物爱好者足不出户即能欣赏到馆藏珍品。以往的线上参观项目一般停留在让观众通过博物馆网站浏览文物照片的层面，观众最多能看到某件文物上、下、前、后、左、右六个方位的正面照，许多细节表现和艺术信息无法被完整地呈现出来。3D彩色扫描技术能够全方位地获取文物信息，采集微观细节，清晰地表达文物的各种纹理以及每一处洼陷或凸起，再加上三维软件的加工处理，最终形成的数字立体模型与文物本体几乎没有差别。［5］此外，立体文物最理想的观赏效果是三百六十度无死角，3D扫描技术与计算机模拟技术相联动，即可创建立体图片。线上参观的观众能用鼠标将屏幕中所展示的文物进行旋转翻动，实现虚拟文物的全角度观赏。

快节奏的生活方式致使当代人们观看展出的时间越来越零散化、片段化，数字博物馆应运而生并正在活力发展着，其中三维虚拟技术(VR技术)功不可没。三维虚拟技术将数据计算、立体显示、人机交互、效果仿真于一体，主要应用在历史场景复制及文物的虚拟复原上。基于三维技术的支持，圆明园成功实现了建筑群组的虚拟复建，展现了清朝盛世的园林构筑技艺;吉林大学也对考古出土的古人颅骨进行容貌复原，推进了解剖学、人类学、考古学等科研工作的深入。通过VR技术构建数字博物馆，现已形成一种潮流，它所创造出身临其境般的逼真体验和感官刺激受到了年轻人的青睐。云冈石窟数字模型虚拟漫游项目在我国数字化展陈中是非常典型的案例。由于文物保护的原因，云冈石窟没有进行全面开放，三维扫描和VR虚拟技术能够有效弥补这一缺憾。［6］基于三维扫描技术的成果，观众可以在虚拟世界中进行视点的自由移动，充分感受数字化技术带来的虚拟漫游空间，获得“步移景异”的真切视觉享受。

五、以3D扫描技术进行大型文物测绘与数据监测

石窟寺、墓葬、古建筑等大型不可移动文物的测绘工作向来艰巨，一是因为很多大型文物所处的自然地理环境非常复杂，不利于测绘工作的开展;二是因为长期的风雨侵蚀使文物表面脆弱敏感，传统的测绘工具和测绘手段有可能给文物本体造成保护性破坏。为贯彻文物保护工作中的最小干预原则，3D扫描技术已成为大型文物测绘时的不二选择。［7］3D扫描采用零接触测绘方式，以场景立体扫描系统全方位、多角度地记录建筑物的各构件形制、石窟造像的每处残损、摩崖石刻的风化程度及侵害领域，为大型文物的保护研究提供了数据支撑。广元千佛崖摩崖造像的实地测量与震后修复就是通过3D扫描打印技术实现的。

实时监测是管理保护文物的重要渠道。传统的肉眼观察、相机拍照、文字记录、手工测量、摄像头监控等工作模式步骤繁琐且误差几率大，在一定程度上影响了研究人员对文物现状的判定。3D扫描系统将分散的文物数据系统化、数字化、网络化，一方面优化了监测手段，便于及时发现大型文物已经出现的问题和劣变趋势，准确定位需要加固、修补或封护的区域范围，另一方面还能动态地反映保护效果，甄别各修复材料和修复技艺的优劣差异，为后续的文物工作提供参考依据。

总之，3D扫描打印技术在文物保护工作中的积极作用日益突显，在文物复制、文物修复、文物虚拟展示以及大型文物的测绘与监测方面均扮演了重要角色。其非接触性的扫描模式和高精度的打印复制技术符合现代文物保护工作所提倡的真实性、安全性、可逆性、最小干预等理念，是利于文物保护、利于延续文物内在价值的科学保护途径。

［1］汤羽扬，杜博怡，丁延辉．三维激光扫描数据在文物建筑保护中应用的探讨［J］．北京建筑工程学院学报，2011，27(4):23－24．

［2］周亚男．基于激光扫描技术的文物三维数字化方法研究与应用［D］．西安:陕西科技大学，2013．

［3］周华伟，朱大明，瞿华蓥．三维激光扫描技术与GIS在古建筑保护中的应用［J］．工程勘察，2011，(6):34－35．

［4］白成军，吴葱，张龙．全系列三维激光扫描技术在文物及考古测绘中的应用［J］．天津大学学报(社会科学版)，2012，15(5):455．

［5］陶立，孙长库，何丽，等．基于结构光扫描的彩色三维信息测量技术［J］．光电子(激光)，2016，17 (1):111－114．

［6］刘晨，费业泰，卢荣胜，等．主动三维视觉传感技术的研究［J］．半导体光电，2016，27(5):618－623．

［7］冯秋峰，任秋实，李万荣．Inspeck成像扫描仪的三维成像技术［J］．激光与光电子学进展，2016，(43):40－43．

【责任编辑:王 崇】

TP334．8

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1673－7725(2017)02－0169－04

2016－11－30

寇芳莹(1990－)，女，北京人，主要从事文物与博物馆研究。