基于三维扫描蜡模数据对大晟钟模型的修复方法

唐剑隐，胡耀佳，高力强，王为刚，陈世辉，黄年喜

(武汉工控艺术制造有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

武汉工控艺术制造有限公司原博物馆文物复制项目“宋徽宗大晟编钟”原始蜡模因放置年代较长，表面出现裂缝、纹饰淡化、开裂，如果不进行及时修复将造成蜡模无法继续使用，将对大晟钟的衍生文化产品的研究和生产造成严重损失。本文利用先进的三维扫描技术和专业软件对大晟钟原始蜡模进行抢救性修复，并建立三维实体模型，实体模型可直接输入3D打印机打印，从而达到永久保存的目的。

1 破损蜡模的修复方法

1.1 蜡模的原始数据三维扫描

三维扫描仪使用先进的德国蔡司COMET-L3D-2系列蓝光扫描仪。此扫描仪为非接触式光栅蓝光三维扫描仪，其工作原理为使用蓝光对输入对象进行三维扫描，使用CCD相机接收其反射光束，根据三角测距原理获得与拍摄物体之间的距离，并进行三维数据化处理，经过软件处理得到物体的坐标点(称点云)或者三角面，扫描精度可达0.008 mm。由于该仪器具有非接触式扫描方式和扫描精度高等优点，因此非常适用于文物修复相关行业，扫描仪如图1所示，扫描原始数据如图2所示。

图1 COMET L3D 25M扫描仪 图2 大晟钟扫描原始数据

1.2 扫描原始数据分析

1.2.1 整体分析

由于大晟钟蜡模放置时间太久，蜡模表面因气候、保存条件等原因出现较严重的表面脱落，形成较多的表面坑洼现象，需对坑洼处点云数据进行局部处理。

1.2.2 纹饰分析

因大晟钟纹饰精细，且蜡模损坏较严重，故细节纹饰损坏较严重，主要特点如下：①纹饰整体变浅，需修复加深；②正鼓纹饰出现局部断裂，需将裂缝填补后对连接处纹饰进行精修；③纹饰表面有较多坑洼现象，需进行局部处理。正鼓纹饰局部断裂、表面坑洼现象如图3所示。

图3 正鼓纹饰局部断裂、表面坑洼现象

1.3 原始数据修复方法

表面整体坑洼处理和纹饰坑洼使用Geomagic软件处理，正鼓纹饰精修和局部断裂使用Zbrush软件处理。

2 大晟钟蜡模的修复

2.1 基于Geomagic软件对数据的前期修复

先将大晟钟扫描点云数据导入Geomagic软件，由于初始点云数据量巨大，先使用Geomagic软件提供的“手动删除”和“自动删除”命令将多余或与大晟钟无关的扫描杂点删除处理。

在扫描杂点处理完成后，对大晟钟进行前期修复。前期修复主要包括选择断开点云连接、减少噪声、按曲面曲率修补坑洼表面、填充孔、表面光顺处理等。

在去掉扫描过程中产生的杂点、噪声点的过程中，需根据扫描数据整体情况合理设置相关参数。比如在选择非连接项的过程中，“分隔”的参数应设定为“低”，这样系统将会自动选择离主点云较近的部分而并不属于主点云的杂点。

在对数据表面坑洼处理时应使用套索和填充相结合的方式进行修补，先使用套索工具选取坑洼表面进行点云删除，之后使用填充工具，按照曲面曲率进行孔修补。

由于蜡模是手工雕刻而成，蜡模表面无法做到机器雕刻的光滑程度，故扫描后的数据整体表面显现出细微的凹凸状态。但是在实际要求中，希望数据整体光滑无凹凸。所以前期修复的最后一步需对数据进行表面光顺处理，表面光顺处理使用“消除”、“消除钉状物”和“砂纸”命令相结合的方式进行处理。采用“消除”和“消除钉状物”两个命令对整体表面进行光顺处理，对于局部粗糙使用“砂纸”命令处理。图4为同一局部使用Geomagic软件进行修复前后的对比图。

图4 同一局部使用Geomagic软件进行修复前后的对比图

2.2 基于Zbrush软件对数据精修处理

精修处理的主要目标有两个:①使用Zbrush软件将前期修复数据面片进一步平滑;②对正鼓断裂处纹饰进行修复。为了达到这两个目的我们主要使用软件的Smooth命令将面片平滑，再用slash3笔刷把模糊的边缘雕刻清晰。图5为同一局部使用Zbrush软件进行精修前后的对比图。

3 结论

本文探索利用三维扫描技术、专业三维处理软件及专业雕刻软件相结合的方式对大晟钟受损蜡模进行抢救性修复的方法，经试验证明该方法修复后的模型基本复原了破损前原始蜡模，在达到修复要求后，建立修复后的三维实体模型，并存入公司三维数据库，通过修复后的三维实体模型可直接输入3D打印设备进行打印，达到永久保存和使用的目的。

图5 同一局部使用Zbrush软件进行精修前后的对比

参考文献：

[1] 赵煦，周克勤，闫利.基于激光点云的大型文物景观三维重建方法[J].武汉大学学报(信息科学版)，2008,33(7)：684-687.

[2] 黄平.3D扫描技术在雕塑领域的应用[J].雕塑，2010(4):22-23.

[3] 张琛.计算机辅助设计(CAD)在文物修复中的应用[J].文物保护与考古科学，2002(2):36-38.

[4] 尤红建.激光三维遥感数据处理及建筑物重建[M].北京：测绘出版社，2006.

[5] 李文怡，张蜓，杨洁.三维扫描及快速成型技术在文物修复中的应用[J].文博，2012(6):78-81.