数字化复合3D打印技术在文物领域的研究及应用

李英 孙茂银 吴健 于云峰

摘要： 以西汉文物西汉“虎钮五铢纹铜錞于”为例，基于其形状结构、色彩结构、历史文化等信息特征，利用显微摄影、堆叠摄影和高精度三维数据测量等技术，开展文物数字化信息采集、建模、复制研究，探索3D打印文物复制技术。通过设计3D打印工艺方法对文物高精度复制品的制作工艺进行研究，完成西汉文物“虎钮五铢纹铜錞于”高精度复制，形成一套先进、有效的文物数字化复制技术。

关键词： 数字化; 信息采集;3D打印; 文物复制

中图分类号：G260.7;G264.2;TP391.73          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2021）10-58-03

Research and application of digital technology in the field of cultural relics

Li Ying1， Sun Maoyin1，2， Wu Jian1，2， Yu Yunfeng1，2

（1. Guizhou Institute of metallurgical and chemical industry， Guizhou， GuiYang 5500142， China;

2. Guizhou Senyuan additive manufacturing technology Co.， Ltd）

Abstract： Taking the West Han cultural relics of the West Han "The Fu Niu Copper Chun Yu with Wu Zhu Lines Copper" as an example， based on its shape structure， color structure， historical culture and other information features， the technologies of microphotography， stacking photography and high-precision 3D data measurement was used to carry out the research on collection， modeling and reproduction of digital information of cultural relics， exploring the technology of 3D-printed copy of cultural relics. Researched on the manufacturing process of high-precision reproductions of cultural relics by designing 3D printing methods， the West Han cultural relics of "The Fu Niu Copper Chun Yu with Wu Zhu Lines Copper" was accurately copied， which formed a set of advanced and effective digital reproduction technologies for cultural relics.

Key words： digital; collection of information; 3D printing; reproduction of cultural relics

0 引言

隨着社会的发展及生活水平的提高，人们对精神文化的追求越来越高，博物馆也随之成为了解历史文化的圣地，文物作为历史文化的代表作，是贯穿历史文明的载体，在文化发展中发挥着重要的作用。随着科技的发展，文物不再是只能隔着玻璃观看的物体，也不再是只存放于仓库的物件，文物具有历史价值、艺术价值、科学价值和社会价值属性，因此，对外交流也变得日益频繁[6]，数字化技术的出现，缩短了人与物的距离，人们不仅可以360度观看文物，同时也能用手触碰感知文物纹理特征，能实现对文物的直观感受主要得益于数字化技术的发展，其为文物复制、保护、展示、修缮等提供了技术支持。易损、不易移动是文物对外展示和交流时面临的主要问题，因而，解决这一问题的最有效方法是文物数字化，将文物数据进行保存，保存的数据不会随着时间的流逝而消失，同时也能为博物馆文物的保护和复制提供解决方案，文物对于我们来说，不仅仅是欣赏其精美的外观，更重要的是了解其蕴含的历史文化，如何重现历史文明载体是研究者值得深入探讨的问题，当前，三维扫描技术、高精度摄影技术、3D打印技术等快速发展，都为文物数字化的实现提供了坚实的基础[8]。

1 获取文物数据的方法

目前，实现高效、准确获取数据信息常用的方法有激光三维扫描和高精度摄影。激光三维扫描可以精确获得文物表面的点云数据和三维数据[5]，对于扫描对象较为复杂的板块，获取的点云数据可能会出现偏差，尤其表面颜色较深的文物，会直接影响扫描质量，因此，一般需要根据物体结构复杂程度、破损程度、材质特点以及表面颜色的深浅等制定扫描方案以达到更好的效果，当前可通过结构光扫描技术解决这一问题，利用结构光三维扫描获取的数据通过重建模型，可为博物馆提供虚拟展示、研究[1]。

由于本文研究的是虎钮五铢纹铜錞于的复制，根据其大小和结构特征，我们选用手持式激光扫描仪进行三维扫描，扫描前需根据文物大小制定合适的框架，将文物放置于框架内，通过激光反射点获取到文物点云数据，这样能有效避免激光对文物造成损害，由于搭建了扫描支架，因此扫描得到的数据同时也包含了支架数据，需要通过专用软件进行数据去除、整合。器物圆盘处和器身部分有缺失，为了更高程度接近原物，缺口处需切换光源进行重复扫描才能精准获取完整数据，这对仪器的精准度和数据处理技术提出了更高的要求。文物结构数据、色彩数据、纹理数据等的有效结合才能得到完整的三维模型，获取的数据点云是一个整体，文物三维模型重建是以实体对象为基础，得到的三维模型为后期进行3D打印输出提供完整的数据支持[2-3]。

2 点云数据处理

三维重建包括获取数据、点云处理、数据配准、合并和网格封裝重建等主要步骤，由于外部噪声的影响，获取的数据不仅包含扫描对象的数据，同时也包含扫描对象以外的数据，因此，扫描获取的点云通常存在重叠、多余、缺失和干扰等问题，需要进行处理[4]，如图1所示。为了更准确建立文物模型，获得的数据通过处理后，确定最终数据信息并重构数字化模型，重构后的模型可直接用于文物复制、展示、修复，研究路线如图2所示。

3 应用实例

虎钮铜錞于顶部虎身体积小、纹理细、密集、较浅、内部为空，腿部与圆盘衔接处纹理自然转折，这些特点增加了扫描的难度，由于是对文物做复制，因此细节部分也需与原物保持一致，这是决定铜錞于被复制成功与否的主要因素之一，针对这一问题，通过切换光源多次扫描，同时将数码拍照获取的色彩信息贴图对比，器身破损部分进行局部拍摄、扫描，数据经处理以后，得到文物实体法人三维模型，通过3D打印与铸造工艺结合获得制件，色彩的后期处理可采用传统工艺技术，文物是不可再生的，复制件作为展品展示和交流时，可直接影响人们对文物历史文明的认知，因此其复制品在颜色、结构、纹理、重量上，须保持与原物一致，这样才能使古代文化遗产得真正的数字化展示和保护，传统修复技术与现代保护技术相结合可提高复制精确度，尤其色彩上更加需要利用传统手工技艺和经验，如图3所示。

4 存在的问题

通过对西汉虎钮五铢纹铜錞于的复制，我们发现获取的制件虎钮尾部形态、虎身纹理走向等不够自然顺畅，未能体现其过渡性和自然弯曲，针对这一问题，后期采用了传统手工技艺进行复原，无论是采用现代技术还是传统工艺，都需要在不会对文物造成损坏的前提下进行文物的修复、复制，二者相互结合能有效促进文物数字化工作的发展。

5 结束语

文物数字化技术借助先进的数据处理系统和扫描设备精确度的不断提高，促进了古代历史文化发展得以继承和深入研究，使我国古代文化遗产得到有效的展示和保护。随着信息技术的普及，人们对信息化技术的快速发展有了更深入的认识，在生活和工作中对信息化的使用也越来越方便，这也促进了文物虚拟展示和交流的发展，可以快速实现博物馆之间资源共享，数字化技术作为文物研究保护和复制的重要途径和辅助手段，与3D打印的有效结合，融入传统工艺技术，形成了一个完整的数字化体系，3D打印不受文物形状复杂程度的限制，将物体复杂的形状直接打印出来，这项技术对于形状特殊、结构复杂的文物保护和复制有着重要的社会效益价值[7]。

我国出台了多项专门针对文物保护工作的法律法规，使数字化+3D打印技术应用于文物复制的优势与法律法规中对文物保护的规定相契合，这也为数字化技术的发展和3D打印技术的发展提供了契机，具有潜在的经济价值和社会价值。

参考文献（References）：

[1] 卜卫明.3D打印技术在古代早期陶器复制中的应用[J].上海博物馆文物保护科技中心，2018.

[2] 王海南，邱望标.基于逆向工程的少数民族文化遗产保护方法研究[J].机电产品开发与创新，2011.24（2）：175-177

[3] 张玉鹏，周明全，李晖.基于形状相似的三维模型检索方法研究[J].北京师范人学学报（自然科学版），2011.47（4）：374-377

[4] 李岩.面向特征的传统艺术图案建模技术研究[D].浙江大学计算机科学与技术学院博士学位论文，2007.

[5] 龙初凡，蒋大智.黔东南苗族银饰化学镀银工艺研究[J].贵州民族研究，2011.32（139）：78-82

[6] Wang Yanni. Zhang He.The Application of Digital Technology in Ceramic Cultural Relics Restoration.  The authors-Published by Atlantis Press，2012.

[7] 钟山.复杂曲面正向/逆向快速设计关键技术与增材制造数据处理方法研究[D].华南理工大学机械与汽车工程学院博士学位论文，2013.

[8] 张勇.激光扫描与3D打印在文物保护中的应用[J].岩土工程技术，2020.34（5）：10