郭欢磊+王聪华

摘要：随着现代科技的日益进步与不断改良，3D打印技术已在生活中的多个领域有了应用，其中3D打印在文物保护方面利用颇广，该项技术主要是利用3D扫描仪和数字化软件来对文物进行保护。该文主要致力于将3D打印技术应用于文物的复制，并对这个过程进行详细的介绍，包括三维扫描和三维数据处理。以期该技术能为广大相关工作者提供一定的思路和参考。

关键词：3D打印技术；文物复制与修复；文物保护

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）29-0260-02

当今计算机软硬件技术发展迅速，带动了各种高科技技术的产生。3D打印和扫描技术也逐渐发挥着重要的作用。尤其是在国家对各种文物的保护措施下，3D打印和扫描技术也就发挥出了它独特的特点。通过利用高端三维扫描仪和高处理数据计算机软件将物体复杂的文物直接打印出来，3D打印技术不仅可被运用于文物复制，而且能以其与传统修复手法相比之下的无损、快速、精确等特点，在文物修复中发挥作用。这项技术的出现对我国的文物复制与修复有着重要的意义。该技术的发展也标志着计算机科技成果的不断进步。

1 3D打印技术的概念及应用

1） 3D打印的概念

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，利用3D打印机和特殊可粘合材料，通过3D打印机逐层打印的方式来构造物体模型的技术。3D打印技术能够在不直接接触文物自身的条件下，配合三维扫描技术，将物体复杂的形状直接打印出来，这项数字技术对形状特殊、复杂的珍贵文物保护和复制有着重要意义[1]。其实，3D打印技术并非一时兴起的新技术。早在80年代中期就出现了第一台打印设备，现在3D打印设备主要服务于大型公司企业，但在一些大学和专业机构也运用颇多。因为该技术的出现代替了原有传统刀具和其他的复杂用具，便可以快速制造出任意复杂形状的物体和模型。对于小型物体来说，其主要流程是：利用手持三维扫描仪对物体进行全方位的扫描得到原始数据，然后应用计算机软件对原始数据进行加工处理，最后得出立体的模型样式，然后通过特定打印设备和特殊材料逐层“打印”出产品。近年来，国内关于3D打印的科研团队的增加，科研水平的不断提高，为我国3D打印的发展做出了杰出的贡献[2]。

2） 3D打印的应用

从目前3D打印技术的发展来看，3D打印主要涉及于生物医学[3]、航天和国防、制造业与文物保护[4]等。在医疗服务上由于我国患者人数众多，在骨骼、牙齿、假肢、血管、皮肤等方面需求巨大，因此3D打印出来的各种骨骼和器官能够很好地作为补充，运用3D打印技术比传统的治疗方法更有优势，首先是材料来源广，例如：树脂、聚乳酸、聚乙烯醇等等。其次材料的硬度也能够很好地符合人体各种要求。在文物保护上，3D打印技术以其“个性化定制”和“采集数据信息无需实际接触文物”等特点，已经可以被运用到文物修复和复制中，成为文物保护意识下最大降低修复与复制中文物二次损坏的良好措施和手段之一[5]。事实上，3D技术已经被运用到文物保护方面了。例如：在小件文物、古代壁画、建筑等领域，就采用了三维扫描与3D打印技术相结合的使用方法。

2 三维扫描仪的使用和数据采集方法

2.1 手持式三维扫描仪的使用

需要打印复制一件文物主要有三个步骤：1）高精度三维数据的准确获取；2）三维软件的建模，也就是三维数据的处理；3）3D打印成型，也就是三维数据的输出[6]。笔者本次扫描使用的是手持式三维扫描仪Artec studio 10 professional，该设备有配套的处理软件，因此安装和使用起来非常方便。在对文物数据采集前，要将 Artec studio 10 professional扫描仪与电脑上配套的软件用USB接口连接好，这里需要注意的是，在电脑通电前要把所有的接口连接好以防止仪器的损害。连接好后，在软件上观看连接是否正常。按下扫描仪的第一个按钮进入预览状态，按第二下进入扫描工作模式。当扫描完成时，按下第二个按钮进行数据保存。该个扫描仪的特点是：采集点比较多、数据采集更加精准。

2.2 三维扫描仪数据采集方法

利用Artec studio 10 professional三维扫描仪主要是进行站立式及全方位无死角扫描，在对文物进行扫描时，需要左手拖住扫描仪底盘右手抓住把柄，然后对着文物慢慢地进行360度旋转移动，在移动过程中速度不能太快，如果太快会导致软件报警提示。为了使扫描的数据更加完整，我们需要扫描多组数据栈，为后面的数据处理工作做基础。需要注意的是在扫描过程中要注意物品的摆放位置，以便于在扫描一圈之后能把所有的数据采集到，当然，在扫描数据栈时，两两数据栈之间要有物体重合的点，以便后期处理拟合功能的需要。其次也要注意物品的凹凸面，在凹的一面要认真地来回扫描，以确保所有的数据都能采集到扫描仪里。扫描仪在使用的过程中光线也是一个重要因素，光线既不能太亮也不能太暗，太亮或者太暗都会导致扫描面纹理全黑或者全无等问题。在扫描到金属或者全黑的物品時，需要对物品粘贴标记点进行扫描，这时的效果是最好的。

3 数据栈在软件中的导入与处理

1） 数据栈的导入

Artec studio 10 professional 可处理三维扫描仪扫描的数据栈，打开该软件进入工作界面，点击文件菜单，在其下找到导入子菜单并点击。找到扫描的数据栈并且打开，数据栈一般扫描十个左右为最佳。随后，我们就可以在工作区域看到我们扫描的数据了，然后进行一一处理。

2） 数据栈的处理

在把扫描数据导入软件后，就可以进行数据处理工作了。首先各栈数据需要进行删除杂点，处理冗余点，一一处理优化后保存即可。在此过程中需要注意的是，删除杂点时，务必小心仔细，既要删除多于数据，也要保护物体原有的数据。因为一旦删除了物体原有的数据信息会导致接下来的配准出现错误或者物体面缺失。endprint

基本操作如下。首先点击工作界面的编辑菜单，对不要的数据进行删除，在此可以利用擦除和旋转工具按钮操作。去除多余的数据可以防止最后对物品的原貌造成影响。随后进入拟合菜单，两两数据栈进行拟合，这样其实就能显现出物品的大概样貌了，这里需要注意的是两两拟合完成以后需要点击应用按钮以便保存，并且两两拟合时必须要依次进行。如果两栈数据之间的相似点相差太多的话就会导致拟合的失败，这时我们就需要进行手动拟合了，在两栈数据中找到物体的三个共同点进行手动拟合。最后选中所有的数据栈进行拟合以完成整个拟合操作。随后进入工具菜单，选中所有的数据栈进行配准，包括粗略配准、细微配准、整体配准。依次进行，然后进行合成部分，包括外围删除、快速合成、光顺形式合成、尖锐形式的合成等等。最后對其进行光滑中处理和纹理操作，这样我们就完成了全部的数据处理，最终生成一个和文物一模一样的数据模型。并生成一个名为Fast Fusion1 的文件。

由于文物年代久远，长期遭受来自外界环境的威胁，如大气污染、地质灾害、可溶盐的侵蚀等，这些因素都严重制约着文物保护工作的开展[7]。对于文物的另外一种更有效的保护方法是文物的修复。在文物保护的过程中往往需要对其残缺部位进行修复。因此我们也应当了解有关3D打印在文物修复中的可行性，而文物修复的应用一般是在数据的处理上，有了三维扫描数据，我们就可以对残缺的部分进行各种修补，比如在缺失面很大的地方我们就可以复制完整的花纹和纹理对残缺处进行补缺，这样就可以把所有的部位修补出来。比如在上述软件中完成快速合成以后，我们就可以对其进行修复操作，例如有小洞或者缺失，这时我们就需要对快速合成的数据进行小型对象过滤器、补洞等处理，需要注意的是补洞操作必须反复试验。补洞值太大会导致物体上所有凹点被填平，太小也就达不到补洞的效果了。

在上述操作完成以后，将数据导入3D打印机中进行打印。由于目前3D打印材料略显昂贵，笔者在此选择了一个汉代陶罐和藏式面具进行打印，该材料为树脂。该陶罐和面具打印出来以后是一个有纹理的白色面具，此后我们需要对照原件对3D打印件表面进行上色，以达到文物的复制。在此需要注意的是纹理上色方面需要经过手工复制专业人士的加工处理。图1图2为物品原物，图3图4为3D打印作品。

4 结束语

三维扫描技术与3D打印技术相结合，比传统的人工雕刻、手工制作方法速度更快，精度更高，使得3D打印出的模型更加逼真。本文主要探讨了利用三维扫描技术对文物复制的方法和流程。一定程度上为文物的复制与修复提供了技术支持。特别是对珍贵文物、壁画等的保存工作，大大减少了对文物造成破坏的可能性。希望该技术的出现能在以后的文物保护方面得到广泛应用。

参考文献：

[1] 张晓青.3D打印技术应用于文物复制的可行性研究[D].北京印刷学院，2014：08-10.

[2] 汪文娟.3D打印技术背景下社会化设计研究[D].华东理工大学，2014：2.

[3] 李晓燕，张曙.三维打印成形系统的开发[J].机械设计，2005（11）：59.

[4] 陈丽娜.关于“3D打印”技术及产业发展情况的研究[J].信息系统工程，2013（06）：106.

[5] 徐冰.3D打印何以再现千年文物[N].科技日报，2013-08-09（05）.

[6] 杨蕴.浅谈3D打印技术在陶瓷类文物修复和复制中的应用[J].文物保护与考古科学，2015（2）：112-113.

[7] 秦建华.三维数字技术在文物保护中的作用[J].美术大观，艺术与设计，2014（7）：106.endprint