浅析三维扫描及快速成型技术在文物修复中的运用

摘 要：修复受损文物是博物馆的一项重要任务。采用三维扫描与快速成型相结合的技术方法，做到了非接触、无损害、高精度修复受损文物，应用优势明显。文章首先对三维扫描和快速成型的原理与优势进行了简要概述。随后以黑龙江省博物馆的一件金代白瓷瓶为例，分别从表面清洗、局部加固以及缺失处三维模型的构建、打印和黏结等方面，对该文物的三维数字化修复过程展开了详细叙述。最后从数字博物馆发展角度，对未来文物修复领域三维扫描和快速成型技术的创新应用进行了展望。

关键词：三维扫描;快速成型;光敏树脂;文物修复

黑龙江省博物馆有一件金代白瓷瓶，通高18.4厘米，口徑7.6厘米，足径10.5厘米。瓶口处出现一块长约3.6厘米、宽约2.1厘米的缺失。在缺口下放有一处长约4.0厘米的裂纹，自上而下延伸。瓶口处壁厚2.3～2.7毫米。若采用传统的人工修复方式，一是无法保证补全材料在形状及尺寸上的精度，二是修复过程中很容易因为操作不当而导致文物受到二次损害。为了最大程度保证文物的艺术和历史价值，故决定采用先利用三维扫描仪获取数据、完成建模，然后用快速成型技术进行模型打印，最后进行黏结、补全的方案。结果表明，文物补全效果良好，还原了文物的原本面貌，为今后博物馆文物修复积累了经验并提供了技术支持。

1 文物修复中的三维扫描与快速成型技术

1.1 三维扫描技术原理

三维扫描技术的核心设备是三维扫描仪，将待修复的文物置于仪器的有效扫描区域内，通过扫描文物获取各个点的三维坐标。计算机中的建模软件根据获取到的数据，在虚拟环境下自动生成三维模型。整个过程不会与文物产生任何接触，避免了扫描过程中造成文物受到二次损坏的情况。而且，整个扫描过程在几秒钟内就可完成，效率极高;坐标参数的精度可以达到微米级，精度极高。在博物馆数字化程度越来越高的背景下，三维扫描技术在文物的复制和修复等方面展现出强大的应用优势。根据扫描方式的不同，目前主流的三维扫描仪器包括光栅型和激光型两种，后者又有点激光、面激光之分。

在本次文物修复作业中，使用的是美国Creaform公司生产的Handy SCAN 3D扫描仪，精度可达0.03毫米。工作原理为：启动仪器后，激光发射器发出条状激光，对有效范围内的文物进行扫描。在正方形扫描区域的4个顶点处分别有1台CCD相机，激光照射文物后产生的反射光束会被CCD相机精准捕捉。利用光电转换器将CCD相机采集到的光信号转化为计算机可识别电信号，利用三角测距原理将海量的数据转化成测点的三维坐标。扫描结束后，建模软件将所有三维坐标汇总起来，坐标的集合即为点云。根据点云得到文物的三维模型。

1.2 快速成型技术原理

快速成型技术最早应用于高端机械制造领域，近年来应用范围拓展，并且伴随着3D技术、精密伺服驱动技术的成熟，在文物修复中也开始展现出应用优势。在计算机上完成模型设计后，将CAD数据或者是3D数据直接导入加工设备，由计算机控制刀具对材料进行处理最终得到与预设模型一致的产品。从应用效果上来看，快速成型技术的优势主要体现在：一是成型速度快，由于设计与制造的高度集成，极大地缩短了加工制造的周期;二是成型精度高，只要保证数据准确、模型精确，即便是一些形状复杂的三维模型也能够快速加工并且保证精度达标;三是既支持单件制造，也能进行批量化生产，普适性较强。

在文物修复领域，该技术的原理为：在完成三维扫描的基础上，计算机中生成了待修复文件的三维模型。由软件对模型进行横向上的分层切片，从而得到了文物的轮廓数据。参考这些数据，计算机生成相应的控制指令，使喷嘴有选择性地喷出液态光敏树脂材料。这种液态材料与空气接触后会迅速固化，之后喷嘴持续喷出材料，最终得到三维实体。整个过程可以概括为“分层喷射，层层叠加”。当然，根据设备类型和成型材料的不同，在实际加工过程中也存在差异。例如，选择液态光敏材料制作三维模型，需要使用带有喷嘴的成型设备;选择粉末材料制作三维实体模型，则必须选择带有激光器的成型设备，通过激光层层灼烧最终获得所需的三维实体模型。本次修复作业中选择的是SLA立体光固化成型工艺，原料为液态光敏树脂。

2 三维扫描及快速成型技术在文物修复中的优势

博物馆常用的文物修复方式有多种，综合对比来看，基于三维扫描与快速成型两种技术融合修复方法，其优势体现在以下方面。

其一，精度更高。如上文所述，目前很多主流的三维扫描设备，获取的点云数据进度可以达到微米级。这样就保证了立体打印出来的三维实体模型，具有极高精度。经过修复后的文物仅凭肉眼基本上无法观察到修复痕迹。经过修复后的文物在博物馆可以进行正常的陈列和展览，不影响其观赏价值的发挥。

其二，非接触更安全。除了后期黏结三维实体模型外，整个修复过程中不存在人或仪器与文物接触的情况。这样就避免了接触过程中可能出现划痕等二次破坏的问题，提高了文物的安全性。

其三，自动化更高效。三维扫描与快速成型两道工序之间实现无缝衔接，从扫描获取数据，到生成三维模型，再到立体打印得到实体模型，整个过程全自动完成，效率极高。除此之外，还具有环境要求低、适用范围广等特点。

3 三维扫描及快速成型技术在文物修复中的运用

在这次利用三维扫描及快速成型技术修复黑龙江省博物馆馆藏的这件金代白瓷瓶的过程中，可以总结出这两项技术在文物修复中的运用。

3.1 清洗文物表面灰尘

观察金代白瓷瓶表面，在缺口部位以及裂缝处有尘土分布及污染情况。灰尘清理的难点有二：其一是瓶口缺失部位参差不齐，普通清洗无法保证灰尘完全处理干净;其二是胎体极薄，加上表面片纹的存在，裂缝内部灰尘难以清理出来。因此，选用清洗试剂时，不应选择易残留或易渗透的类型。在实际修复时操作如下：首先，选择一张干净的宣纸，使用喷壶用喷雾将宣纸打湿，然后将湿润的宣纸轻轻贴在瓶口处，用手轻压保证宣纸与瓷器完全贴合，不留气泡或褶皱。将其重新揭开后，瓶口表面灰尘被吸附掉。继续进行缺口处灰尘的处理，将一根干净的棉签放入纯净水后迅速拿出，沿着缺口轻轻滚拭，除掉灰尘。若观察到缺口的坑洼处有水珠，则使用冷风吹干。

3.2 文物坏损处的局部加固

待修复的金代白瓷瓶在缺口下方有一处4.0厘米的裂缝，自上而下延伸至瓶腹。如果不做处理，很有可能在后期黏结三维实体模型时导致裂缝扩大，对文物产生危害。应通过局部加固的方式避免裂缝发育，为后续的瓶口补全操作创造良好条件。实际操作中分两步对该处裂缝进行加固。第一步，从裂缝顶部向下3厘米左右的裂缝明显，选择透明的环氧树脂材料从缺口处灌入，材料沿着裂缝向下流动，充填到缝隙中，达到黏结、加固效果。第二步，裂缝根部1厘米处的裂缝较细，环氧树脂材料无法继续渗透。因此该用8%的B72丙酮溶液充填该部位，待液体材料干燥、固化后，也能够达到加固效果。若局部加固时有液体材料溢出，需要及时清理干净。放置约20分钟，等到加固材料发挥作用后再开展下一步的修复工作。

3.3 文物缺失部分的补全

完成上述准备工作后，正式开始文物修复工作。整个流程大体上包含3个阶段，分别是：基于三维扫描技术获取点云，构建三维模型;基于快速成型技术立体打印实体模型;将三维实体模型黏结到待修复文物上。

3.3.1 建立缺失部分三维模型

构建缺口部位补全材料的三维模型，是此次文物修复的关键环节之一。首先，使用Handy SCAN 3D扫描仪对金代白瓷瓶进行扫描并采集缺口部位的详细参数。对于首次扫描得到的数据，先在数据库中建立一个临时的文件夹进行存储。之后利用系统自带的数据筛选功能，对该文件夹中的海量数据进行检测、对比，如果发现有精度不达标的，一律将其剔除;如果有个别点位未采集到坐标信息，则进行二次扫描将数据补全。完成处理之后，将所得数据存储到一个单独的文件夹中。之后启用计算机中的Geomagic Studio软件，经过数据处理后得到缺口部位的高精度三维模型。技术人员可以拖动鼠标的方式，观察三维模型的边缘细节，滚动鼠标滑轮以查看某个部位，核对参数精度。

3.3.2 三维打印补全模型

经过查看确定所得三维立体模型不存在问题之后，点击Geomagic Studio软件菜单栏中保存选项，并在弹出的对话框中，选择“STL”格式将该模型保存起来。从计算机中选择Objet Studio软件并双击运行，从该软件的菜单栏中找到“打开文件”的选项，在弹出的对话框中选择刚刚保存的“三维立体模型.stl”文件，完成文件导入。启动Stratasys三维打印机，所用打印材料为液态光敏树脂，层积厚度为0.02毫米，可以完美匹配Handy SCAN 3D扫描仪的数据精度。该三维打印机的内部有2种喷嘴，虽然喷出的材料都是液态光敏树脂，但是功能不同：1#喷嘴打印三维实体模型;2#喷嘴填补模型中空白位置。喷出液态材料之后，在紫外线的照射下使其瞬间固化，防止出现液态材料流挂、变形的情况。

3.3.3 补全模型的黏结

首次完成三维实体模型的打印后，并不直接将其取出，而是重新启动打印程序，利用Objet Studio软件对所得模型进行检验，确保细节精度符合要求后再将其取出。若检验过程中发现局部精度不達标，则修正偏差，继续进行精度检测，重复上述步骤，直到系统不再发现问题。取出三维实体模型之后，技术人员用毛刷蘸取少量的UV光敏树脂材料，并沿着该模型的下方边缘进行均匀涂刷，保证三维实体模型与待修复文物契合后，两者连接处能够完美对接。小心地将补全模型放到金代白瓷瓶的缺口处，两者完全对齐之后，将一台波长为400纳米的紫外线灯放于补全模型的正前方，连续照射90秒。在紫外线灯的辅助下，结合处的液态材料迅速固化，保证补全材料与文物能够牢固地黏结在一起。至此，金代白瓷瓶缺口补全修复工作结束。

4 文物修复中三维扫描及快速成型技术的发展前景

虽然近年来博物馆数字化进程明显加快，但是三维扫描和快速成型技术多用于文物的1∶1复制，对文物保护有积极作用。而对于那些因为各种原因已经遭到损坏的文物，现阶段运用这一技术进行修复的情况并不多见。究其原因，一方面是可以支持高精度三维建模的逆向工程软件较少，由于生成的三维立体模型精度达不到标准，故而影响了最终的修复效果;另一方面则是修复成本较高，博物馆通常只选择那些价值较高、损坏程度并不严重的文物进行简单修复。随着三维扫描技术的发展，以及配套的仪器设备、软件系统和高性能材料的推广使用，为文物修复提供了支持。

下一步，应重点从以下几个方面创新这一技术：其一就是建模软件的开发。目前三维建模常用的软件有Objet Studio等，国内技术成熟的软件较少。今后我国需要自主研发适用于文物建模的逆向工程软件，为文物修复提供技术支持。其二是依托技术创新降低修复成本。近年来国内3D打印技术突飞猛进，国内一些公司制造的三维打印设备在国际上也处于技术领先地位，随着这一市场走向成熟，设备价格有所降低。但是用于三维打印的材料，如光敏树脂、钴铬合金粉末等价格仍然较为昂贵。今后应研究和开发更多新型的、高性能的以及价格适中的三维打印材料，这也是保证快速成型技术能够在文物修复领域得到进一步推广的必要条件。

5 结语

技术创新让博物馆的文物修复工作取得长足进步，在文物保护、传承等方面发挥了显著作用。近年来，国内许多博物馆在应用三维扫描和快速成型技术方面进行了探索，在文物复制、修复等方面均有成功案例。基于三维扫描和快速成型技术相结合的文物修复工作，既有其独特的技术优势，当然也因为材料价格、加工精度等原因，还存在亟须改进和优化的地方。下一步博物馆应密切关注相关技术的发展动态，通过引进和创新技术，让更多遭到损坏的珍贵文物得以修复，让其艺术价值、文化价值得以重现。

参考文献

[1]任镤，周明全，孙爱军，等.三维扫描技术在古建油饰地仗修缮中的应用[J].北京印刷学院学报，2020（4）：128-134.

[2]白冰.热塑自由树脂在文物保护与修复中与传统翻模材料的对比[J].文物鉴定与鉴赏，2020（19）：114-115.

[3]王麟.三维激光扫描测绘技术在宁波不可移动文物保护利用中的探索与实践[J].自然与文化遗产研究，2019（8）：56-60.

[4]马宏毓，赵新.三维激光扫描技术及BIM技术在古建筑保护测绘中的应用[J].岩土工程技术，2019（4）：222-225.

[5]林祥清.现代科学技术在馆藏文物修复与保护中的应用探索[J].文物鉴定与鉴赏，2020（2）：71-73.

【作者简介】李强，男，汉族，黑龙江哈尔滨人，助理馆员，研究方向：博物馆学和文物修复。