基于三维扫描与3D打印的数字化博物馆研究与应用

宋 新 张豫徽

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

1 前言

电影《十二生肖》中，成龙扮演的杰克为了获取鼠首的三维数据，穿戴有传感器的手套对鼠首进行了三维扫描，并把鼠首数据同步传给3D打印设备，完成鼠首仿制品的打印，挽救国宝，最终将寻回的兽首归还中国。电影中近似科幻的场景，现如今已经走入了我们的生活，尤其在文化遗产保护领域，正在发挥着重要作用。

文化遗产是人类历史发展中的遗迹，具有重要的艺术、文化、科技研究价值，有必要对其进行保护和传承，便于后人对历史文化的认知与学习。从古至今，各个时代的人们从未停止对文物的保存和传播的努力。近些年来，随着三维扫描技术，3D打印技术等数字化技术发展，博物馆数字化可原色一比一保存数据，非常适合文化遗产的采集、保护、开发和再利用。特别是为保护文物，又不能对文物进行接触性的研究和复制，三维扫描可以利用激光扫描非接触采集数据信息，可以将文化遗产中的文物进行高精度数字化保存，研究和开发相关产业。同时建成后的数字博物馆也便于观众交互式、远程等多方式观赏，这对我国文物保护和发展具有重要意义。

2 三维扫描在数字博物馆建设方面应用前景分析

2.1 数字化及全彩3D打印技术日臻成熟

三维扫描具有速度快，精度高，扫描数据可结合计算机三维建模中正、逆向软件编辑，重复使用，因此成为博物馆数字化发展的主要方向。三维扫描技术的原理是利用激光三角测距原理，通过发射激光扫描物体，并采集扫描物体反射回的激光，并将其转化为点云数据，用于下一步的三维建模。三维模型建立以后，可以贴图，制作出文物的原色数字模型。该模型可利用VR技术，上传网络，便于远程浏览，同时，随着国内外全彩打印的发展，也可以1：1原色打印，用于文物保护和衍生品的开发。

2.2 强大的市场需求

近年来，博物馆文物数字化正在全国范围内如火如荼快速发展。国内诸如国家博物馆、陕西省博物馆，河南省博物馆，龙门石窟、敦煌壁画等均已开展三维扫描及建模工作。同时，文物因其珍贵性和稀有性，真品不宜移动。3D打印技术不仅可以复制文物，同时可以对受损文物进行修复，开发创意饰品等多种应用方向。

3 博物馆数字化的技术路线

博物馆数字化首先需要完成三维数据的采集，依据采集的点云数据依次完成数据处理－逆向建模－正向建模修复－拍照采集文物色彩纹理信息－贴图映射－高逼真三维文物模型。

3.1 扫描前期准备

文物数字化，首先需要保证博物馆的文物安全。三维扫描时需要注意以下几点：1）文物搬运、扫描过程安全。2）确保文物可接受激光扫描。3）工作人员需通过严格培训，作业时按操作规范认真执行。4）扫描数据保密，相关工作人员签署保密协议。5）针对文物颜色、大小、纹理的不同，布置扫描现场环境，灯光、工作转台，扫描仪等。

图1 技术路线及采用的软硬件设备

3.2 扫描仪及镜头的选取－以蔡司ZEISS COMET拍照式扫描仪为例

ZEISS COMET三维扫描仪优势：

1）凭借800万像素的高分辨率，可捕捉更多细节和精细结构。

2）即使在恶劣的环境条件下，ZEISS COMET 8M通过自动识别振动和环境光线的变化可提供精确的3D数据。高速相机和高光强度可以更明显地缩短测量时间。创新技术确保最高效率。

3）高速相机和高光强度可以更明显地缩短测量时间。一个测头系统实现多种应用，立即为新项目更换测量区域：镜头方便更换和直接进行现场校准。

4）测头系统轻便、结构紧凑，便于运输，并且可以轻松改变测量范围。

3.3 镜头的选择

COMET测量头的测量场通常由摄像机镜头和投影仪镜头组合构成。每组的测量场是不同的，根据不同模型的大小选取对应的镜头，这意味着任何时候在变更测量场时，摄像机镜头和投影仪镜头应成对更换。更换镜头后，应始终采用校准板进行校准。

3.4 扫描过程

图2 平面剪裁杂点

打开扫描软件ZEISS conlin3D，软件将显示上一次扫描任务。如需开始新的扫描，则点击“新建”命令。观察第一幅扫描出的数据质量，若数据完整则使用平面剪切将杂点删除，点击“下一步”进行下一帧数据扫描。若数据不完整，则需要点击“取消”删除该帧数据后重新选择合适参数继续扫描，直至获得满意数据。

第一序列数据扫描完成后，转动工作台或者扫描仪，开始下一序列的扫描。视图数据扫描完整后，保存源文件。

3.5 网格处理

扫描数据首先选择“全局优化”命令，完成智能优化。随后使用“网格处理”命令对点云进行封装处理，先选择“无”进行处理，再选择“质量控制” 输出“OBJ”和“STL”在其他软件中进行进一步优化处理。

3.6 扫描点云数据处理

Geomagic 是一家世界级的软件及服务公司，在众多工业领域如汽车、航空、医疗设备和消费产品得到广泛应用。公司旗下主 要产品为 Geomagic Wrap、Geomagic Control 和 Geomagic Piano。其中Geomagic Wrap 是被广泛应用的逆向工程软件，可以帮助用户从点云数据中创建优化的多边形网格、表面或CAD 模型。数据处理阶段所使用的主要是Geomagic Wrap 软件。

3.6.1 点阶段处理

扫描数据由几何点位置组成，采集足够的点来表达一个扫描项目来形成一个完整外形。这些数据是由扫描仪采集的，数据可以由扫描仪直接输出，点云是通用的数据类型，由单独的点位置组成，在Geomagic Wrap软件中，点云可以直接通过一个文件导入。点处理阶段可以完成杂点删除、减少噪音、光顺等优化处理。

3.6.2 多边形阶段处理

多边形对象——多边形对象或者网格是三角形的一个集合，三角形的定点相互连接，这些定点和原始对象是一样的。在Geomsgic中，如果多边形结构变化，原始点云的结果也会随着变化。在多边形阶段，可实现面片光顺处理、平滑、补洞、精简。

3.6.3 数据存储

处理好的、对好坐标系的完整模型数据导出，以指定的STL、OBJ等格式进行保存。

3.7 二维拍摄

利用高清数码相机二维拍摄文物外观，然后将其与三维扫描结果合成，即可获得一件效果出众，细节丰富，可任意旋转放大缩小的三维文物模型。二维拍摄作为整个制作流程中不可或缺的一步，利用高清数码相机即可完成。拍摄具体要求有：

3.7.1 图像清晰

图像清晰是拍摄最基本要求，是图像采集拍摄的底线。所有照片均需通过使用三脚架拍摄，确保拍摄过程稳定，以此来达到最佳清晰度。

3.7.2 角度全面

拍摄时，需要根据后期的需求，把文物角度拍摄全面，以供后期贴图使用。可自定义转台角度来协助拍摄。

3.7.3 光线均匀

图像采集不同于一般静物摄影，无需通过光影来表现物体，只需要光线柔和均匀，无明显暗影及反光即可。必要时可通过使用柔光棚及常明灯来协助拍摄。

3.7.4 色彩准确

拍摄前，需要使用色卡来对相机进行白平衡校准，因拍摄环境，灯光的不同，会使拍摄图像产生色差，校准白平衡，可使照片色彩尽可能还原、准确，也可以通过拍摄色板后期统一校准照片色彩。

3.7.5 构图得当

拍摄时，尽量将文物放置画面中央，让文物充满画面并适当留白，使被拍摄物品画面占比尽量高。慎重使用广角，因为广角会使被拍摄物品产生变形，给后期贴图增加困难。

3.8 数据模型贴图－以贴图大师为例

3.8.1 纹理

第一步：识别前后背景。可以将模型大致放在一个准确的位置，点击识别。也可以手动选取前后背景的种子点，点击识别。识别之后还可以加选前后背景种子点，剔除误选部分。

3.8.2 虚拟相机映射

第二步：前后背景准确识别之后，点击调整位置按钮，软件会自动调整模型的位置使模型边界和前后背景边界一致。此过程之前可以调整“参数设置”里面的FOV大小，该参数和拍摄图像的相机参数有关。

图3 模型与图片的对齐

3.8.3 控制点映射

激活即将映射的图像。图像管理面板区中左键双击即将映射图像，该图像将出现在图像工作区。打开控制点映射模块。纹理－ 控制点映射。

选择同名控制点。“Ctrl+左键”在模型和图片相同位置各自选点，均匀分布。

选择映射方式。在“映射类型”下选择适合的映射方式。

计算控制点误差，操作区域-选择计算。可选择删除误差较大的控制点，控制点映射区域-选择要删除的控制点-右击-删除控制点。

映射。点击面板上方的映射按钮。

图4 控制点映射贴图

3.8.4 纹理模型导出

文件－导出模型。导出时，可以设置导出属性，是否移动到原点、是否交换Y轴和Z轴，是否导出为一张纹理。导出为一张纹理时需要选择展UV的OBJ文件。完成三维模型贴图，至此，原色1：1三维数据建立完毕。

4 实例－以开封市博物馆文物编钟数字化过程为例

编钟纹理精美，复杂，颜色较暗，尺寸约为480*240*200mm，针对以上特点，为了采光等需求，工作组搭建了拍照棚进行二维数码拍摄。扫描仪选择蔡司ZEISS COMET M8，镜头选择M8-75如下图所示。

图5 蔡司ZEISS COMET M8、扫描镜头

三维数据的扫描

搭建合适扫描环境，扫描转盘进行编钟的三维扫描，如下图。

图6 编钟数据扫描

二维图片拍摄

搭建拍摄棚，完成编钟各个角度拍摄，用于后期贴图处理。

图7 不同角度拍摄编钟数码相片

数据处理与贴图

分别采用 Geomagic Wrap 点云数据处理软件和贴图大师完成扫描数据的处理，建立完整的三维模型数据和贴图。

图8 数据完整的编钟模型及贴图模型

全彩1:1原色3D打印编钟

采用珠海赛纳sailner J501系列直喷式全彩色3D打印机，该打印机支持贴图打印、打印尺寸范围为500*400*300mm，材料为全彩光敏树脂，最大分辨率高达14μm和1800dpi的打印精度，可确保获得光滑、精致细节的卓越的文物仿制模型，满足打印要求。打印机及打印产品如下图：

图9 sailner J501系列直喷式全彩色3D打印机及打印编钟

5 结语

三维扫描是指集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在博物馆数字化方向发挥着越来越重要的作用。

但现有扫描技术也有一定的局限性，根据扫描原理，扫描仪采集的是扫描反射数据，对于透明，激光不易达到的孔、窄缝等还存在一定难度，这就需要进一步提高扫描技术和其它传统技术和先进的3D打印技术等相结合解决以上问题。随着先进采集技术的不断发展及文物数字化保护需求的不断增加，我们相信文物必将得到更好的保护，历史数据必将得到更好的储存。