基于扫描技术的木质雕饰家具与工艺品三维数字化研究

2021-12-07赵桂玲邓宗极

西北林学院学报 2021年6期

赵桂玲，刘畅*，邓宗极

(1.东北农业大学艺术学院，黑龙江哈尔滨 150040；2.东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

雕饰家具作为中国传统家具的重要类型在各类馆藏木质家具文物中占据半壁江山，这些以木材为载体的文物随着时间的流逝会受到虫蛀、开裂、朽毁、变形等破坏，如何快速、高精度的实现这些雕饰家具文物的三维数字化，为珍贵的人类文化遗产保存下详尽的数字信息，对木质家具文物的保护与修复具有重要意义。

目前，国内外学者在传统家具虚拟展示与文物数字存档研究工作中所用的家具模型主要以3D建模、二维照片、导用素材库家具模型为主[1-5]。但也出现了不同技术的三维数字化建模，例如张智昊等[6]对家具实物进行360°图像拍摄，然后进行各角度图像无缝拼接，但家具细部结构，如枨子、雕刻、镶嵌等需辅以人工3D建模，得到家具模型，然后进行虚拟展示。姬勇等[7]、张磊等[8]虚拟展示研究所用家具模型是基于笛卡尔坐标的建模，该方法适用于表面平整、造型简洁无雕饰的家具。国外相关研究集中于家具模型在虚拟环境中的操作及模型在平台之间的切换研究[9-13]。

关于激光扫描的研究主要涉及以下内容，如吴世雄等[14]采用激光扫描获取浮雕木制品数据信息,然后进行基于加权值的均值滤波处理生成高质量的STL实体模型，并生成加工刀具路径,提出木工数控雕刻加工的有效工艺。杨玉泽等[15]提出一种超体素分割和基于kd-tree纹理映射的贪婪投影三角化算法相结合的树木点云重建方法,可有效获取树木三维形态结构重建中易被忽视的树木表面纹理和细节重建。张珊珊等[16]研究分析了地面三维激光扫描系统与传统测树方法得到单木参数值之间的精度差异。王莉等[17]以铜川市“延昌塔”为例，采用三维激光扫描技术获得多期监测数据信息，分析古塔变化趋势。郑晓敏等[18]利用三维激光扫描技术研究如何快速、准确、完整地记录砖结构古墓葬群遗址点云数据信息并建立三维模型。杨雪姣等[19]以一例复杂线型空间双曲面形式的运动赛道构件安装与混凝土表面检测为例,分析特异性建筑施工检测，研究三维激光点云的处理技术。贾秉松等[20]用三维激光扫描技术以山区采煤沉陷区为例进行监测研究。李硕丰等[21]对激光三维成像的双光楔扫描进行算法优化研究。

国内外关于CT扫描技术的研究集中于医学领域，在木材与木制品领域也有所应用。王在山等[22]以多重分型频谱技术对木材CT图像进行边缘检测,探索以多重分型频谱技术对图像进行提取。张训华等[23]将科学计算可视化技术应用于原木CT图像3D重建,可实现与用户交互切削、虚拟加工的Wood3D系统，并通过阈值选取可实现最佳切割方案。丁建文等[24]探讨了CT技术对原木内部缺陷的无损检测、原木图像的三维重建、虚拟加工等。赵桂玲等[25]探讨了CT扫描后图像处理方法。Zhao Deda等[26]采用CT扫描技术对古琴内部损坏状况进行研究。郭侨阁等[27]研究多层螺旋CT三维重建对各类骨折案例多平面重建和容积重建对骨折劈裂及塌陷情况的评估。

1 材料与方法

1.1 材料

在中国传统木制雕饰家具中，浮雕、阴雕、线雕和透雕工艺常以多种技法同时出现在家具造型装饰中，在这些工艺中浮雕、阴雕、线雕相对而言图案较浅，基本属于同一平面的二维图形。但透雕较复杂，纵深镂空方向深度较大，造型介于二维与三维之间。在实验材料准备中，不仅需准备具有浮雕、线雕、阴雕工艺的试件，还需准备不同特征的透雕试件，以便比较三维数字化的扫描技术适用性。试件样本基本信息见表1。

表1 试件基本情况

1.2 激光扫描方法

根据预试验结果，试验采用激光扫描仪Handheld 3D对以浮雕与线雕工艺为主的格扇门N1试件进行实物扫描，Handheld 3D激光扫描仪参数如表2，扫描步骤如下：

表2 Handheld 3D激光扫描仪主要参数

步骤1，试验在上午室内日光照射比较均匀的条件下进行，避免强光和阴影，实测光照276 lx。

步骤2，扫描仪测距参照扫描进行时的设备提示在0.4～1 m范围内随时进行调整，扫描时激光扫描仪角度尽量与试件保持垂直。

步骤3，将扫描获取的点云数据导入Geomagic软件，把多站扫描的点云数据拼接，并进行去除噪声、填补空洞数据等逆向工程修补得到三维数字模型(图1)。

步骤4，采用扫描仪自带软件进行纹理映射，进行试件外部纹理信息贴附，得到三维数字模型(图2)。

经Geomagic软件逆向工程处理后的三维数字模型文件，可输出Web格式，用户可通过Web浏览器快速浏览和控制。由图1、图2可见，由Handheld 3D激光扫描仪获取的点云数字信息经逆向工程处理后得到的N1以浮雕为主的试件数字模型精度较高、雕饰造型轮廓清晰。随之采用Handheld 3D激光扫描仪进行浮雕与透雕兼备的样本N2试件扫描，但以失败告终，扫描获取的数据信息只有完整的浮雕数据信息，透雕镂空部分几乎没有任何纵向坐标信息。

图1 纹理映射前的三维数字模型

图2 纹理映射后的三维数字模型

鉴于此，选用精度更高的扫描仪Handyscan300进行扫描，由于试件表面色彩变化较弱，为了扫描精度，在扫描前进行标识点粘贴。扫描仪参数如表3，扫描原件如图3。根据前期预试验结果，扫描步骤如下:

图3 激光扫描原件

表3 HandyScan300激光扫描仪的主要参数

步骤1，对目标试件进行标识点粘贴，标识点粘贴密度控制在100 cm2内，不少于4个。

步骤2，试验在上午室内日光照射比较均匀的条件下进行，避免强光与阴影，实测光照289 lx。

步骤3，扫描仪测距参照设备提示随时进行有效调整，扫描时激光扫描仪扫描角度尽量与试件保持垂直状态。

步骤4，将扫描获取的点云数据导入Geomagic软件，把多站扫描的点云数据进行拼接，并进行去除噪声、填补空洞数据等逆向工程修补。当空洞出现在平面区域内，采用线性插值方法填补空洞数据。当空洞出现在非平面区域内，采取B样条插值方法。

Handyscan300激光扫描后输出模型如图4，浮雕部分比较精细，但纵深部分坐标信息不完整，需在Geomagic软件中进行缺失部分数据信息修补，修补后数字模型如图5，模型基本与扫描实物一致。但此法对透雕部分有曲体造型的试件修补难度较大，较难实现与试件精度的高度一致，例如试件N4贵妃榻雕饰造型用此种方法很难获取高精度三维数据模型。根据理论研究经验和预试验状况，在此选用Philips16排CT进行断层扫描，对N4试件进行试验。为便于直观比较激光扫描与CT扫描效果的区别，在此对N3透雕工艺品试件同步进行CT扫描后的三维数字化试验，便于与N2同样工艺的试件进行最终数字模型精度的比较。

图4 激光扫描后模型

图5 逆向工程修补后模型

1.3 CT扫描方法

采用Philips16排CT扫描仪对N4试件贵妃榻进行试验，扫描参数如表4，三维数字化步骤如下：

步骤1，准备酸枝木雕饰贵妃榻试件N4，无涂饰，试件尺寸见表1。

步骤2，将试件N4放入Philiops16仓体内，设备参数设置如表4，试验空间外环境噪音为11.2HU，照度为156 lx。

表4 Philips16排CT主要参数

步骤3，把CT扫描获得的全部试件图像Dicom格式文件导入Matlab软件。

步骤4，使用Matlab软件对每张图像进行中值滤波去除噪声。

步骤5，使用Matlab软件，对每张图片用3DL1算法进行分割，转化成bmp文件格式。

步骤6，使用MT-Mis软件，应用Marching Cubes算法三维重建，重建时间20 min。

步骤7，在诊断图像处理软件中进行体绘制，得到三维重建数字模型，该模型可见试件内部木材纤维、疤疖等信息。若仅需木质雕饰家具的外观三维数字模型也可选择面绘制。

步骤8，在同样试验环境下，重复以上步骤进行试件N3透雕工艺品试验。

CT扫描获取N3试件序列图像690张、N4试件序列图像200张。图像经去噪、分割、滤波后进行三维数字重建，数字重建后体绘制模型如图6、图9，模型精度非常高，与扫描原件高度一致。且体绘制模型可进行任意位置的虚拟分割，分割效果如图7，试件内部木材组织纹理信息清晰可见。如图9，可见N3试件透雕部分鸟腹、花蕾、花茎等处的曲体造型数据精准，且纵向坐标信息完整精确，比N2同样工艺的试件激光扫描后，经逆向工程处理的模型精度高。

图6 贵妃榻三维数字模型

图7 贵妃榻虚拟分割图

图8 CT扫描原件

图9 不同角度的三维重建模型

2 结果与分析

通过Handheld 3D与HandyScan300 2款激光扫描仪均可获取高品质以浮雕、线雕、阴雕装饰的木质家具与工艺品数字模型。但2款激光扫描仪对透雕木质家具与工艺品三维数字模型纵向坐标获取缺失，Handheld 3D扫描透雕试件N2纵向坐标几乎全部缺失，无法进行精度较高的数字模型修补。HandyScan300获取的N2试件透雕模型数字信息浮雕部分精度较高，纵向坐标部分缺失，通过Geomigic软件逆向修补后可得到与实物较一致的数字模型。

CT扫描获取的透雕试件N3、N4模型精度极佳，浮雕部分精度较高，纵向数字信息完整精准，且通过体绘制可获取木质试件内部纹理组织信息，可获得任意位置的虚拟分割图。在Handheld 3D、HandyScan300、Philips16排CT 3种扫描设备获取的木质雕饰家具与工艺品三维数字信息中，CT扫描仪的数字化精度最高、效果最理想。激光扫描与CT扫描获取的三维木质雕饰家具数字模型信息均可导入多款软件，有较好的兼容性，例如可导入CAD、CAM用于仿古家具生产，有效节省相关工序工作量，降低经济成本。