三维扫描及快速成型技术在文物修复中的运用

苏一飞 张怡晗

摘 要：博物馆的珍贵文物是全人类共同的财富。很多文物因为年代比较久远，或是受到保存条件的限制，出现了裂纹、褪色、局部缺失等各种形式的损坏，其观赏价值、艺术价值也大打折扣，开展这些破损文物的修复工作势在必行。在数字博物馆背景下，运用三维扫描、3D打印等技术，不仅可以加快修复速度，而且还能够提高其还原度。这些数字化技术除了可以用于文物修复外，在藏品管理、创意互动等方面也有显著的应用优势。本文重点就文物修复中三维扫描及快速成型技术的具体运用展开了简要分析。

关键词：三维扫描;快速成型;文物修复;CCD相机

2016年在央视播出的《我在故宫修文物》纪录片，向观众展示了故宫内一些珍贵文物的修复过程。随着数字化技术的不断成熟，以及在文物修复领域中的推广应用，文物修复也在逐渐实现“人工修复”向“智能修复”的转变。目前来看，博物馆数字化发展背景下的文物修复技术，仍然以三维扫描为主，通过扫描获取数据，在计算机上完成建模，再通过3D打印得到局部材料，最后将其粘接到原文物上，实现了快速修复。在一些陶瓷、漆器等文物修复中有着良好的应用效果。

1 博物馆数字化背景下文物保护的新技术

近年来，数字化技术在博物馆中得到了广泛运用，例如使用VR（虚拟现实）技术可以让这些流传了百年、千年的文物“活”起来，对游客产生了更强大的吸引力;通过全息成像技术，将一些珍贵文物的等比例影像投射出来，方便游客近距离、全方位观看;利用AR推拉屏让珍贵历史文物可触、可感。这些数字化技术除了带给游客更加丰富的观赏体验外，在文物保护、修复等方面也发挥了不可忽视的重要价值。对于博物馆的文物修复工作者来说，如果能够熟练的驾驭这些数字化技术，在文物修复中可以起到事半功倍的效果。

2 三维扫描及快速成型的技术原理

2.1 三维扫描技术

利用三维扫描仪对文物进行扫描后，可以得到文物各个点的精确坐标，同时还能获取其表面的图像信息。这种非接触式的测量，除了具有数据采集速度快、空间坐标精度高等特点外，还能够最大程度上避免对文物造成二次破坏。目前常见的三维扫描仪，根据发射激光的方式不同，又可以分为点激光扫描、线激光扫描等。当激光照射到文物表面时，会产生一个反射光束。CCD相机可以精準、全面的捕捉这些反射光束，然后将光信号转化为电子信号。这些电子信号经过计算机软件处理后，生成相应的坐标。利用特定的建模软件，输入坐标后在计算机中可以得到文物的三维模型。

2.2 快速成型技术

快速成型技术是建立在三维扫描技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术之上的一种可以快速制作特定形状材料的技术手段。首先在计算机中得到文物待修复区域的模型，然后选择一块与文物材质相同的材料，通过计算机指令控制，完成快速的切割、剥离，最终得到一块与模型待修复部位匹配的材料。对于常规大小的文物，整个立体打印过程只需要几分钟就可以完成，实现了快速成型。在得到成型的材料后，可以采用粘接方式，让材料填补到文物的缺失部位，让两者融为一体，完成对破损文物的修复。

3 基于三维扫描和快速成型技术的文物修复

对于不同类型、不同材质的文物，修复过程中采用的一些技术细节也有较大差异，本文以瓷器为例，对三维扫描和快速成型修复流程、技术要点展开分析。

3.1 文物的表面清洗

对破损文物进行修复时，首先需要做好文物内外表面的清洗工作，这样才能保证后续的粘接工序中，让修补材料和文物完美的粘接在一起。为了最大程度的保护文物不会受到二次破坏，清洗时应选择专门的试剂，且必须是无残留、不易渗透的试剂。文物表面清洗应当在特定的环境下进行，防止空气中的灰尘等造成交叉污染。如果文物表面灰尘较多，可以将宣纸浸湿之后，轻贴于瓷器表面，然后将其揭下，目的是将表面多余的灰尘吸附干净。然后使用干净的棉签，处理一些凹凸不平的位置，最后冷风吹干。

3.2 文物局部加固

瓷器破裂之后，除了有局部的缺失外，还极有可能沿着缺失部位出现不同程度的裂缝。这些裂缝如果不能及时处理，后期也会增加开裂、破损的概率。除此之外，为了避免在粘接和修复操作中，周边部位出现二次破裂，也需要提前进行加固。可以使用双组份透明环氧树脂，沿着裂缝方向注入，让其自然渗透进裂缝的深层。大约3分钟后，将表面残留的材料处理干净，取得较为理想的加固效果。

3.3 文物修复

1）采集数据，构建三维模型。完成上述准备工作后，取三维扫描仪，选择合适位置照射待修复瓷器。使用美能达VIVID9i激光扫描仪进行文物三维模型采集（扫描仪精度可达±50nm，能够很好的捕捉到文物表面的细节），之后采用Rapidform或者Geomagic Studio等逆向工程软件，构建出文物缺失处的三维模型。

2）3D打印得到补全材料。将制作的三维模型以“STL”格式保存后，通过Object Studio添加到三维层析系统的模型中。本次修复采用的是0bject30光敏树脂三维打印机，层积厚度为0.03mm，可打印尺寸为290×190×150mm。打印过程中，打印喷头喷出的材料有两种，一种是用于构成模型的模型材料，即光敏树脂，通过紫外光照射后固化形成所需的结构;另一种是用于填补模型中空白位置的支持材料，这部分材料通过紫外光照射后具有一定的强度，能在打印过程中对整个构建予以支持，并在打印结束后被高压水枪完全清除掉。通过喷头往复的喷涂、固化，最终打印出补全模型。

3）粘接修复文物。将打印所得的材料，与文物缺口处进行对比，观察是否能够完美的贴合。如果有一定的偏差，可以人工使用工具进行修整。然后将UV光敏树脂分别涂抹在文物断面和填补材料的断面上，将填补材料与文物对接，并轻压进行固定。完成两者的粘接后，使用400nm紫外灯进行照射。文物与紫外灯的距离控制在10-15cm之间，照射时间大约为90s。照射完毕后可以得到修复完好的瓷器。

4 文物三维扫描及快速成型技术的发展前景

新技术的出现和使用，在支持文物保护与修复方面带来了诸多的便利。将三维扫描技术与快速成型技术进行整合，可以极大的缩短文物修复周期。对于一些馆藏量较多，文物修复任务较重的博物馆，运用这类数字化技术可以极大的减轻文物修复工作者的压力，对文物的保护水平也会提升到一个新的档次。随着AI技术、数字化技术的不断成熟，以及一些新型材料的出现，都会支持文物的“智能修复”取得更好的发展。可以预见，未来的文物修复不仅可以实现破损文物的复原，还能够通过对材料的“做旧”处理，尽可能的提高整体完成度，让修复后的文物给人一种浑然天成之感。

5 结语

在文物修复中，首先利用三维扫描技术获取文物的三维坐标，确定出待修复区域的三维形状;然后使用快速成型技术，制作出立体材料;最后将材料与文物进行粘接，实现文物的修复。相比于以人工为主的修复措施，这种数字化、自动化的修复技术，无论是在工作效率、修复效果上，还是对于文物本身的保护上，都有了明显的提升，具有推广使用价值。

参考文献

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