三维扫描技术在陶器修复工作中的应用*

晋 康

(山西机电职业技术学院，山西 长治 046000)

0 引言

三维扫描技术由于其精度高、使用灵活等特点发展迅猛，在文物修复中得到越来越广泛的应用[1]。结合三维重建技术使得其在陶瓷文物的修复中具有很大的应用前景，避免了因频繁手工操作给陶器碎片本身带来二次破坏问题。本文以兵马俑为例，探讨三维扫描技术在文物修复中的应用。首先利用扫描仪对兵马俑各个碎片扫描得到点云数据[2]；接着利用专业软件对点云数据进行剔除噪点和冗余点操作，并对碎片点云等进行对齐处理，获得正确的拼接方法，结合逆向建模技术对碎片进行复杂线条及曲面处理；最后获得修复后的IGS图，指导实际的兵马俑修复工作。

1 三维扫描

在文物保护方面，三维激光扫描仪提供了全新的工具和措施来协助我们更准确地采集数据、统计相关信息。其优点体现在：①数据采集快速，利用扫描仪的非接触式探头，在标记点及显影剂的帮助下能够准确快速地获得点云数据；②对于修复的瓷片不会产生二次破坏，扫描技术及数字建模技术可以直接在相关软件中方便地将获得的数据进行修改与调整，可以在保证文物绝对安全的情况下进行文物的模拟修复工作，充分保护文物本身[3]；③可以同时生成陶器数据库，对其进行数字化保存，建立数字文物博物馆。三维扫描文物具体流程如图1所示，常见的三维扫描仪如图2所示。

图1 三维扫描文物流程

2 数据采集

数据采集是指利用专业的扫描设备对待处理对象进行扫描后获取物体的三维点位数据，形成点云的过程[4]。常用的数据采集方式有集成式采集与非集成式采集两种[5]。集成式采集需要利用特殊硬件及配套软件实现；非集成式的数据采集则是通过预处理、配准、联合点对象与封装、抽稀、网格化等进行处理，具体的操作步骤如下：

(1) 预处理。由于扫描手法及技术原理的限制，会使得获取的点云数据产生多余的噪点，因此必须采用相应的手段对噪声进行处理，防止噪声点对后续的逆向处理产生干扰[6]。另外还需要对游离点进行删除处理，以对比扫描的方式筛选出明显错误的浮游点，对其进行消除孔洞处理，具体操作过程如图3所示。最后对过于密集的点云区域进行抽稀处理[7]。

图2 三维扫描仪 图3 多余噪点去除

(2) 配准。由于在扫描碎片时是通过旋转托盘来获得不同角度的点云数据，因此还需要将分散的云片进行配准处理，以便将它们转换到统一的坐标系下。

(3) 联合点对象与封装。由于在不同姿态下提取到的点云间还存在有重叠区域，且相互分离不是一个整体，因此合并的目的是使这些相互分离的点云合并成一个整体，避免后期建模产生过大的误差，封装过程如图4所示。

(4) 网格重建。该项操作是将离散的点云数据进行处理后形成网格模型，便于后续进行模拟工作，常用的方法是采用三角形网格构建方法。

(5) 网格修改。即在网格重建的基础上对网格重建时产生的孔洞及突刺进行处理，弥补由于兵马俑表面复杂造成的拼接错误与扫描数据的缺失。另外还需要对处理过程中形成的孔洞进行修补以使残片表面完整连续[8]，如图5所示。最后与实际形状进行对比修正，确保其接近实际形状。

3 逆向建模

在对点云数据处理完毕后还不能够直接用于修复工作，还需要在建模软件中对点云数据进行三维数字化建模处理，使其能够针对兵马俑碎片特征进行处理，具体操作步骤如下：

(1) 自动曲面创建。使用自动曲面创建功能将曲面片拟合到面片上，单击按钮即可创建曲面体。通过自动曲面创建功能创建的曲面体可以封装目标面片的整个几何形状。在此有两种不同的方法可供使用：①机械方法：通过符合特征的构造曲线网格，从目标面片创建曲面体；②有机方法：通过投影一个均匀分布的曲线网络，从目标面片创建曲面体。

(2) 纹理映射。通过对兵马俑碎片处理形成精确的几何模型后，还只是在几何角度上具备了相应的精度，在观感上与实际的碎片还有较大差距，所以还需要对几何模型进行纹理映射处理，目的是使创建出的模型能够更大程度地在外观上与实际陶瓷碎片保持一致，增加真实性，完整的兵马俑模型如图6所示。

图4 封装 图5 兵马俑网格修改 图6 完整兵马俑模型

4 结语

通过将三维扫描及逆向建模技术应用到文物修复工作中，可以在软件中方便地根据文物形状及大小对它们进行组合，很大程度上提高了文物工作者修复的效率；而且还可以在软件中对一些局部细小特征进行修形调整，故其适用于无法找到空缺碎片而进行补充处理的情况。同时还能够保存修复文物的三维电子数据，为后续建立文物数字博物馆提供支持。