新型立体分光采集技术在馆藏油画3D数据采集中的应用研究
2021-06-15李洋赵丹丹
李洋 赵丹丹
摘 要 以油画立体喷墨打印复制为需求，通过对不同数据采集方式的对比，选择一种新型立体分光技术对油画作品进行表面三维数据采集，该种技术在文博领域属于首次应用，根据实际工作案例研究该技术在馆藏油画作品表面三维数据采集过程中的应用效果、存在问题及解决方案。为文博领域油画作品的数据信息采集、复制提供一种新的解决方案。
关键词 油画作品 立体分光技术 三维数据采集 立体打印
0 引言
油画作为现代意义上的“世界画种”，上承中华文化根源，下立时代生活大地。中国国家博物馆从1951年开始，经历1959年、1964年、1972年，曾进行四次组织大规模的历史题材的美术创作，创作了一大批在新中国美术史上占有重要地位的美术作品，书写了新中国美术史上的重要的篇章。目前，中国国家博物馆“屹立东方——馆藏经典美术作品展”更是以油画为主，以油画的形式纪录了从建党到建国这一历史阶段重大转折点和历史事件，具有重要的历史和艺术价值。但是，随着时间流逝，很多珍贵的油画受绘画技法、材料、保存环境等原因，在长时间保存或展览情况下，容易出现龟裂、起翘、变色等病害，油画艺术品的高品质信息的采集、复制保护极为重要和迫切。
本次油画的三维数据采集以油画复制需求为驱动，通过首次尝试采用新型立体分光采集技术的方法，解决更加精准留存油画表面3D数据、以及油画复制过程中紫外线固化数码喷墨（UV curable digital ink-jet ink，以下简称：UV喷墨）立体打印的问题。
1 研究背景
油画作为书画作品的一种形式，其采集方式与书画类作品的采集方式类似，常用的一般为高保真拍摄、高精度平面扫描、多光谱信息采集，但是由于油画作品本品会有笔触较为强烈的笔触凹凸感，因此为了采集得到的数据能够体现其立体的笔触信息，在采集方式上也会利用三维采集技术进行三维数据采集。无论采用哪种采集方式，数据都能够满足油画的UV喷墨打印需求，但是若需要对油画进行立体打印，则需要使用油画的三维数据才能够实现。本文以中国国家博物馆油画数据采集和复制工作为基础，以满足高精度油画喷墨与立体打印为需求，通过对多种采集方法的研究，根据数据最终复制效果，选择一种能够满足需求的最佳的油画3D数据采集方法。
1.1 油画数据采集技术现状
油画的数字化采集主要是指利用采集设备如数码相机、平面扫描仪、三维扫描仪等获取油画的数字图像，再通过计算机进行图像处理，色彩管理等，最终输出高质量的数字图像的过程。根据采集设备，数据类型的不同，油画数据采集的方式一般为拍摄方式的数据采集、平面扫描方式的数据采集、三维方式的数据采集、多光谱成像方式的数据的采集等。数字技术的引入，为数字化保护带来了技术上的革新，数字化信息采集以其效率高、信息采集更为准确和丰富、信息储存方便和普适性强等优点，可同时满足展览、保护研究和复制等各方面的应用需求。
1.2 油画主要采集方式简述及存在问题
（1）数码相机高保真拍摄技术
通过数码相机进行油画表面纹理信息的高精度拍摄，从而获取高保真油画二维影响数据。拍摄方法主要分为单次拍摄和多次拍摄拼接的方式。随着数码技术的发展，所用的采集设备一般为专业的高分辨率扫描式数码后背进行拍摄，最高像素已经能够达到上亿像素。该种技术方法被广泛应用国内外书画作品的高保真数据留存中，例如英国的MARC（艺术品彩色复制方法）项目利用扫描式数码后背完成了艺术书画作品从精确拍摄到精确打印的全流程复制工作。英国伦敦通讯学院利用数码后背多次分块的拍摄拼接方式实现了对壁画的高保真数据留存，故宫博物院曾采用2亿像素的扫描式数码后背对馆藏清代画家王鉴《山水册页》等多幅画作进行高保真数据的拍摄，并顺利完成了复制工作。
该种拍摄方法优势主要在于不受作品尺幅限制，但是由于目前感光元件密度大大增加，会存在镜头失真，布光不均等问题，会影响数据的保真度。而对于油画来说，其绘画材质本身具有反光性，会更加存在拍摄反光、光斑等问题，且油画本身都具有一定的笔触细节，最关键的问题是采用拍摄技术并不能获取油画表面的几何信息。所获取的数据不能满足油画的立体喷墨打印复制需求。
（2）高精度大幅面平面扫描仪平面扫描技术
高精度大幅面平面扫描仪原理主要分为CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，数码摄影中的图像传感器）技术的线性光电图像传感器扫描和矩阵型CMOS扫描两种方式，线性光电图像传感器扫描仪使白色光线逐行扫描文档，利用线性光电图像传感器来捕捉RGB三色，影像通过镜头，然后再呈现到线性光电图像传感器上，光源和线形光电图像传感器在扫描过程中相对静止，扫描平台移动，且在移动中同步完成曝光操作。采用线性扫描的方式，在颜色失真，亮度失真，反光问题等方面可以做到很小。最高物理光学分辨率可达到2200 dpi（Dots Per Inch 每英寸范围内像素点数量）。
但是，由于扫描平台的尺寸原因，且实际扫描范围与分辨率会相互制约。对于大幅面油画的高保真数据采集会受到限制。目前此类扫描仪平台最大幅面为150 cm × 250 cm。由于该类设备拆卸难度较大、可移动性较低，一般需要将油画搬运至设备所在位置进行数据采集。
在文博领域对于书画类数据采集一般采用数码相机高保真拍摄或者平面扫描的方式进行，但是由于大幅面平面扫描设备价格较为昂贵，且扫描平台尺寸有限，对于大尺幅的油画采集采用数码相机高保真拍摄方式会具有一定优势。但是，与拍摄采集技术一样，平面扫描的方式获取的数据为二维图像数据，同样不能满足油画立体打印的需求。
（3）三维扫描仪或近景摄影测量方式进行三维数据采集技术
三维数据的获取在技术原理上不同于拍摄和平面扫描，主要是通过利用特殊的技术获取物体表面数据并通过算法转换为物体对应的空间坐标，其数据一般是一定数量的点的集合，称之为点云数据。随着市场上三维采集技术、3D打印技术、虚拟现实技术的逐渐成熟，近几年国内外博物馆在三维采集技术的应用也较为广泛。意大利Gabriele Guidi等运用变频激光实现多纳泰罗的大卫像三维建模，英国大英博物馆曾利用CT扫描仪对馆藏120具木乃伊层层進行了三维扫描，并结合虚拟技术，使研究人员能够层层剥离木乃伊，分析骨盆和牙齿。在国内，中国国家博物馆、故宫博物院，首都博物馆，上海博物馆，广东省博物馆等众多博物馆均利用三维技术对馆藏文物进行三维数字化，并推出小程序或APP如“云端国博”“故宫多宝阁”等进行文物三维数据展示。
上述案例中，更多的是对遗址类、器物类采用三维数据采集技术，书画类作品由于属于平面类，进行三维数据采集的情况较少。但是由于油画的绘画材料和绘画方式使得油画表面具有高低不平的笔触信息，有一定的凹凸感，同时油画框的制作工艺较为精美，也有采用三维采集技术对油画作品进行三维数据采集。但是，经实践研究，采用此种方法进行油画三维数据采集，所得到的数据格式不能直接用于UV喷墨立体打印，需要进行格式转换，目前尚未有十分成熟的算法进行数据转换，还需要进行进一步的研究和实验。
（4）多光谱成像方式采集技术
目前，虽然采用数码拍摄和高精度平面扫描的方式已经能够成功实现油画色彩信息的高度还原，但是由于同色异谱的本质特性，在不同的观察条件下和场景下，采集所得到的颜色信息不能够高精度匹配，为减弱或消除同色异普色带来的负面影响，采用多光谱采集技术，利用用光谱反射率而非色度值进行颜色信息的采集、处理、传输与再现，属于一种无条件配色的范畴，从根本上保证了颜色数据处理与传输再现的唯一性。多光谱成像数据采集可以最全面、最准确的保存油画颜色信息，对于颜色的复制具有重要的应用意义，主要技术采集流程如图1所示。英国国家美术馆、美国孟塞尔颜色科学实验室以及芬兰约恩苏大学等利用多光谱图像数据采集设备对多件艺术品原稿进行多光谱数据采集，实现艺术原稿的高保真数字再现。但是与拍摄采集方式类似，利用多光谱技术采集所得到的油画的影像数据，不支持油画的立体喷墨打印需求。
2 立体分光技术引入馆藏油画3D数据采集的设想
通过明确油画立体喷墨打印的复制需求，所提供的油画3D数据分辨率为350 dpi以上，数据种类三种，分别为二维彩色数据和灰度数据，以及光油层数据，数据格式为TIFF格式。经过需求分析并结合上述几种采集方式的对比，以上采集技术方法在复制效果、便捷程度、算法实践上都存在相应的问题。经过全方面的市场调研，了接到采用立体分光技术能够实现对油画表面3D数据的采集，并完全能够支持油画立体复制的要求。与三维采集技术最主要的区别在于三维数据的获取并不是通过三维扫描仪或摄影测量的方式直接获取三维点云数据，而是利用平面扫描的方式，在通过改变光照方向下获取多张平面二维影像数据，再利用数据叠加和单独的计算方法最终得到三维数据。该种采集技术目前暂未在文博领域有过相关的应用案例。虽然可参考案例不多，但是可以通过实验进行验证该种采集方案的可行性。
2.1 立体分光采集技术原理
立体分光技术主要是利用高精度大型平面扫描仪结合偏光装置对油画进行平面扫描，并通过层层叠加算法最终获取油画表面的立体灰度数据（3D数据）、二维彩色数据。立体分光法是一种基于明暗色调计算3D模型方法，立体分光扫描要求的图像取自同一视角方向但是需要有来自至少三个方向的不同的已知光源，立体分光首先确定垂直线，垂直线有很高精度，既视觉表现是准确的，从垂直线推导出表面形状，垂直线是假设的一组阵列，它们像小柱子一样粘在表面上并总是垂直于表面，垂直线确定了表面的明暗度，也就是80 %的视觉外观。大型平面扫描仪都装有双侧LED光源，通过利用偏光扫描装置可获取四种不同的光照效果，从而可以获取不同的二维彩色图像。通过设备所关联的软件进行数据叠加计算，最终可获得油画表面的三维数据。
2.2 立体分光技术在油画3D数据采集中的优势
根据实际应用结果并结合最终UV喷墨立体打印的效果得出，采用立体分光技术获取油画的三维数据比采用三维扫描仪或近景摄影测量的方式获得的数据在色彩上更加真实，且精度较高，能够获得更多的细节数据，同时对于油画的数据采集可以直接提取油画表面的光油层信息，油画光油层数据的提取是三维采集设备等其他方式不能获取的。其次，在利用UV喷墨立体打印技术进行油画复制的过程中，不需要进行数据格式的转换即可直接应用。打印出的效果与原画作的相似度较高。
2.3 初次实验测试
馆藏油画属于珍贵文物，为保护文物安全，对于采集方案得制定和测试要采用类似艺术品、工艺品等，本次实验以小幅油画艺术品为实验样品，进行数据采集实验，样品尺寸约为25 cm × 30 cm，表面笔触细节较为明显，分辨率设定为600 dpi，分别采集二维色彩图像及灰度图像，数据格式为TIFF格式，采集时间约为40 min，后期处理时间约为20 min。本次实验的目的主要测试立体份光技术所获取的油画表面3D数据是否能够真正满足油画的立体打印。根据最终的反馈，该种技术能够满足油画立体打印，其色彩还原度较好，数据精度较高。可以尝试采用该种技术进行馆藏油画作品表面3D数据的采集。
2.4立体分光技术在油画3D数据实际采集中可能存在的問题及解决方案
通过对样品采集实验环节进行观察分析，推测出在馆藏油画实际数据采集过程可能存在的问题如下：
（1）扫描平台尺寸限制，根据统计，本次需要采集的几幅油画平均尺寸为200 cm × 300 cm之间，而设备采集平台尺寸为160 cm × 270 cm，直接将油画平放在扫描平台上，支撑面不够大，会存在油画框断裂的风险。
（2）扫描范围与分辨率相互制约的问题，采集设备单幅最大的扫描幅面为150 cm × 250 cm，其对应的分辨率只能为250 dpi，因此需要根据分辨率重新计算单幅扫描范围，其公式为14 400 × 2.54÷分辨率=扫描宽度（cm），若分辨率过高，达到600 dpi，那么有效扫描宽度60 cm，对于大尺幅油画来说增加了油画挪动的次数以及采集时间，从而会大大增加文物的安全风险。
（3）油画后期数据处理时，要根据油画表面笔触深浅，调整灰度值。
解决方案：
（1）根据馆藏油画的平均尺寸，结合设备承重及安全考虑，在设备原有扫描平台的基础上定制延长板，增加长度和宽度，增加后的扫描平台可采集350 cm × 250 cm尺幅大小的油画。
（2）根据有效扫描范围，油画尺寸，估算最佳扫描分辨率，最终确定扫描分辨率设置为350～400 dpi之间最宜。
（3）评估油画的笔触高度，根据实际立体打印校对效果，设置后期数据处理软件灰度值，最佳灰度值设置为4。
2.5 采集过程中的注意事项
对于文博工作者来说，在进行数据采集过程中，最重要的工作就是保障全过程的文物安全。对于油画的数据采集，要结合采集方式进行文物现状的评估工作，无论是运输、摆放过程，还是采集现场，都要优先考虑文物安全问题。在采用立体分光采技术进行油画的三维数据采集过程中，根据不同油画的尺寸，采集时间也各不相同，以本次采集工作为例，根据油画原稿尺寸，采集时间约为7 h。由于采集方式需要将油画整体进行平放在扫描台上，由于采集时间过长，为保障长时间平放的情况下油画布不会出现向下塌陷的情况，需要提前增加背衬板进行画布支撑。除此之外，由于油画的数据采集一般为带框采集，扫描平台有承重要求，在油画数据采集过程中要评估油画的整体重量，以保证安全。在采集过程中，要实时观察油画的现状，也可增加相应的安全辅助设施，尤其在大幅油画的采集过程，要充分考虑采集平台的延长板的长度和安全。为保障采集颜色信息的准确性，要保障采集环境和灯光避免受外界条件的影响。
3 立体分光技术在油画数据采集及3D复制中的应用案例
以馆藏《狼牙山五壮士》油画为例，采用立体分光技术进行油画3D数据采集，应用艺术信息还原度更高的三维打印技术和艺术微喷技术结合新的油画3D打印技术复制油画。
3.1 油画作品简介
馆藏《狼牙山五壮士》由詹建俊于1958年创作，该作品塑造了5位八路军战士纪念碑雕塑式的英雄群像，着力突出战斗中的人民对国家命运的信心和作为历史主体的高昂精神，这幅作品也成为我国现代美术史上的经典之作之一。这幅纪念碑式的油画的成功，除了它英雄主义的、革命浪漫主义的构思之外，还得力于其中蕴藏的大刀阔斧的绘画语言与主题相吻合、相协调所产生的震撼人心的力量。该油画于1959年入藏于中国国家博物馆。油画外框尺寸221 cm × 270 cm × 14 cm，画布尺寸为186 cm × 236 cm，经现状评估，该幅油画整体现状良好，画面整体笔触较大，肌理感明显。
3.2 采集设备简介
本次油画3D数据采集所用的设备为德国CRUSE 295ST高精度大型平面扫描仪，单幅最大扫描幅面为150 cm × 250 cm，光学分辨率最高可达2 000 dpi，颜色深度可达48 bit。扫描平台尺寸为160 cm × 260 cm，由于馆藏油画尺寸较大，为保障数据采集过程中的文物安全，在原有平台上进行支撑面扩展，扩展后平台的尺寸为360 cm × 340 cm。光线角度装置一组，如图2所示。
3.3 数据采集主要工作流程
依据油画尺寸进行采集时间评估，该幅油画信息采集计划完成时间约需6 h。为保障在长时间采集的情况下避免油画布向下塌陷造成不可逆的伤害，在油画背部增加背衬板支撑保护，确保文物安全。结合油画尺寸、数据量大小及复制需求确定采集分辨率，此次采集分辨率设定为400 dpi，即满足文物研究、文物复制需求的基本需求，又提高工作效率，降低由于采集时间过长对文物造成的不可预估的伤害。根据单次最大扫描尺寸进行油画分块采集，此次油画共分六块进行数据采集，每块采集方式相同。此以单块为例进行说明。由于该设备采用内置色卡，在设备初始状态下已完成色彩管理，在后续的采集过程中可不必再单独放置色卡。平面扫描设备上配有一组（2个）LED光源，可通过软件进行控制，第一步采集油画表面的彩色信息时，要保障一组光源均为打开的状态。完成表面彩色信息的采集后，再进行油画灰度数据的采集。主要方法如下：
（1）在LED光源灯架上安装光线角度装置，简称光栅条，首先在左侧LED灯架上安装，光栅条方向为向内。
（2）安装完成后，关闭右侧LED灯光源，保持单灯（左侧）光源开启状态。
（3）进行第一次二维彩色数据采集，得到左侧光源下向内光栅的二维彩色数据简称L1。
（4）采集完成后，设备归位，更换光栅条方向，由内向改为外向，重复采集，得到左侧光源下外向光栅的二维彩色数据简称L2。
（5）完成上述采集后，设备归位。关闭左侧LED光源。在右侧LED光源架上安装光线角度装置。光栅条方向为内向。
（6）安装完成后，打开右侧LED光源，仍然保持单灯光源開启。（右侧）
（7）重复（3）（4）一样的操作步骤，操作完成后分别得到右侧光源下内向和外向光栅的二维彩色数据R1、R2。
（8）上述操作完成后，取下光栅条，进行光油层数据采集，切换模式参数到Glossy，打开双LED光源，得到光油层数据。
以上为单块油画采集的步骤，其他部分均采用同种方式进行数据采集。
3.4 数据格式与后期处理
完成数据采集后，数据的首次输出格式为TIFF格式，并利用设备所提供的软件“Cruse Design Studio”进行分块计算，完成分块计算后，利用“PHOTOSHOP”进行最终的彩色图和立体灰度图进行拼接，调色。主要过程如下：将L1、L2、R1、R2四个数据导入“Cruse Design Studio”中，进行数据叠加计算，并选择输出输出数据类型，分别输出立体灰度图，光油层数据，二维彩色图。以上为单块油画的数据处理方法，按同样方式进行其他部分的数据处理。完成所有部分的数据处理后，利用图形处理软件（例如“photoshop”）进行数据拼接，先拼接二维彩色图，然后将灰度图拷贝进彩色图的新建通道里，对应进行灰度图的拼接，全部拼接完成后即可得到带有色彩和灰度信息的完整油画数据。
在整个数据处理过程中，数据校对工作也是重要的工作之一，采用立体分光技术应用于采集油画等大幅面平面物体表面立体信息的采集，输出的纹理高度只是一个相对高度，并非油画的实际厚度。因此，如需进行复制工作，需要依据实际情况反复校对，必要时可以增加或者减小底材的打印厚度，使和原稿更为接近。
3.5 立体分光技术采集数据在油画复制工作的应用
油画复制经历手工临摹、机械复制、数码复制等过程，发展为现代将数码信息采集和艺术微喷技术和3D打印技术结合起来的，能更全面的呈现油画艺术品特征的新技术。利用软件将3D模型进行分层处理，通过打印机喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，层层粘结堆积后，最终形成三维实体，是一种新兴的快速成形技术。
以中国国家博物馆馆藏油畫《狼牙山五壮士》为例，简要讲解立体分光技术采集的数据在新型打印技术复制领域的应用及其优劣势和注意事项。
（1）制定复制方案：综合参考待复制油画《狼牙山五壮士》尺幅、纹理等艺术特征、现场条件和文物复制需求等因素，本次复制方案采用艺术信息还原度更高的三维打印技术和艺术微喷技术结合新的油画3D打印技术复制技术。
（2）油画信息采集：本次油画作品信息采集采用立体分光采集技术，对油画的色彩、图案、光亮层、表面纹理深度等信息全面采集。采集数据分为灰度度数据、色彩数据和光油层数据三大类。
（3）油画复制过程中的数据修整：油画复制数据修整包括噪点处理、反光点矫正、锐化度的调整等内容。其中锐化度处理影响三维输出效果，此调整依据打印团队对输出设备特点（包括喷绘载体、UV喷墨材料等）特点的把握、可行性和验收需求，需制作小样后反复比对确认。调色：选取油画色和纹理丰富的区域，制作小样，并将小样和原稿进行比对。此处，校色应在油画“完稿状态”的小样进行校色，包括三维体积输出、色彩输出、光油打印或者手工光油、其他按照复制要求的其他制作等步骤完成后再进行校色，使满足最接近原稿状态。平面3D扫描技术采集的数据的色彩还原度较高，但光油层（机器喷涂或手工制作）会影响颜色的呈现，尤其是深色区域的颜色。往往机器喷绘的光油层会导致油画表层蒙上一层雾状的白色层，而手工制作的光油层则会导致油画呈现湿色效应，是颜料深度加深，需特别注意。
（4）小样打印与制作：小样的制作，应按照完全满足复制需求的要求制作。
（5）校对：校对应融入整个制作过程中，是博物馆复制工作者最主要的把关工作之一。若与原稿有较大出入，应重新进行数据处理甚至重新信息采集。相较于数码相机拍摄方法，立体分光技术采集的数据更为准确完整，校样较为简单，尤其对于艺术品存放地点和复制场所不一致的条件下，能大大减轻复制人员的劳动量。
（6）油画打印复制和制作：小样校验合格后，开始油画打印输出。本次打印输出采用瑞士Swiss Qprint立体油画机复制，该机器可实现微喷、立体、大尺幅、多种材质载体等打印需求，满足《狼牙杀五壮士》整幅打印复制的需求，一次输出，无需再拼接和后期再处理。《狼牙山五壮士》光油层不均匀，故采用喷绘输出光油层更能还原原作。
（7）装框：按照复制要求，选取核实的外框进行装裱保护。
4 结语
通过首次尝试采用立体分光技术实现了油画表面3D数据的采集，并且所得到的3D数据能够更加精准的获取油画表面的色彩信息数据和立体几何数据，并可直接应用于油画的UV喷墨立体打印，使油画的复制工作更加便捷，色彩及笔触均能够更加真实的体现，对油画的复制工作提供了更加直接的数据保障。但是该种方式只针对油画表面的3D数据，如果需要完整3D数据用于360°展示，还需要结合三维扫描仪获取油画框的三维数据。随着3D打印技术与数字复制技术的快速发展，针对于书画类的采集方法也会越来越多，从而满足不同的需求应用。因此，选择用何种采集方式主要取决于应用需求，在明确需求后，可以选择适宜的方式进行数据获取。无论采用哪种方式进行数据采集，对于博物馆来说，藏品本身的安全是最重要的。因此，在数据采集过程中，要充分考虑安全问题，做好应急预案，在保障藏品的安全下开展数据采集工作。
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作者简介：李洋（1988—），女，馆员，研究方向为文物数字化，E-mail： liyang@chnmuseum.cn。
Research on the application of new stereoscopic spectroscopic acquisition technology in 3D data acquisition of oil paintings in Museum// LI Yang
Author's Address National Museum of China， E-mail： liyang@chnmuseum.cn
Abstract Taking oil painting three-dimensional ink-jet printing copy for demand， through the comparison of the different data acquisition methods， choose a new three-dimensional spectral technology for oil painting surface 3d data acquisition， the technologies in the field of wenbo belongs to the application for the first time， according to the practical case study of the technology in the oil painting collection work in the process of surface 3d data acquisition application effect， existing problems and solutions. It provides a new solution for data collection and replication of oil paintings in the field of cultural and museum.
Keywords Oil painting works， three-dimensional spectroscopic technology， three-dimensional data acquisition，Stereoscopic inkjet printing
