3D打印技術(shù)在古建筑紋飾復(fù)原中的應(yīng)用實現(xiàn)

劉新業(yè),申浩辰（沈陽大學(xué)音樂與傳媒學(xué)院,沈陽 110044）

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3D打印技術(shù)在古建筑紋飾復(fù)原中的應(yīng)用實現(xiàn)

劉新業(yè),申浩辰
（沈陽大學(xué)音樂與傳媒學(xué)院,沈陽 110044）

摘 要：近年來，隨著3D打印技術(shù)對模型表面處理、打印材料和幾何精度等技術(shù)的更新和發(fā)展，3D打印技術(shù)在古建筑紋飾復(fù)原修護(hù)方面有著巨大的發(fā)展空間。本文利用三維仿真技術(shù)將沈陽北塔紋飾進(jìn)行數(shù)字建模和修復(fù)，并通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)紋飾的復(fù)原，為我國古建筑的修復(fù)和保護(hù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：3D打印；古建筑；修復(fù)；應(yīng)用

3D打印是一種新型的快速成型技術(shù)，它以計算機(jī)的三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，由3D 打印機(jī)將絲狀金屬、塑料等材料逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型出實體產(chǎn)品。目前，隨著3D打印技術(shù)的不斷普及發(fā)展，各行業(yè)都開始挖掘3D打印在本領(lǐng)域的應(yīng)用價值，目前3D打印已經(jīng)在建筑、醫(yī)療、文化、航空等領(lǐng)域都得到了一定應(yīng)用。本文將研究3D打印技術(shù)在古建筑紋飾復(fù)原的應(yīng)用實現(xiàn)。

1 古建筑的復(fù)原保護(hù)

古建筑保護(hù)一直是一個世界性課題，尤其是在資金不足的情況下，有些瀕危古建筑隨時都有消失的可能，如何搶救性地存留這些文化遺產(chǎn)一直是學(xué)界探討的焦點。沈陽北塔是磚筑的中國藏式喇嘛塔，是沈陽四塔中保留最完整，歷史價值最高的，也是沈陽的標(biāo)志性古建筑之一，目前北塔記錄只是通過記錄影像、圖片和文字資料進(jìn)行記載。本項目擬開展的沈陽北塔紋飾三維復(fù)原以及3D打印實現(xiàn)的研究與實踐是數(shù)字技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，利用三維仿真技術(shù)可以把古建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化留存，在實現(xiàn)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化展示的同時對歷史文化遺址的保護(hù)具有重要的現(xiàn)實意義。另外，近幾年隨著3D打印技術(shù)的成熟，將仿真復(fù)原的古建筑等文化遺產(chǎn)通過3D打印技術(shù)呈現(xiàn)出來，對于展示地域歷史和文化，開發(fā)地區(qū)的旅游產(chǎn)品有較強(qiáng)的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

2 3D打印在沈陽北塔紋飾復(fù)原中的實現(xiàn)案例

2.1 實現(xiàn)沈陽北塔建筑紋飾復(fù)原的價值

北塔法輪寺建于清崇德八年（公元1643年）癸未仲春，順治二年（公元1645年）乙酉仲夏告竣，是當(dāng)時繞盛京城東、西、南、北四塔之一。據(jù)寺內(nèi)碑文記載：“盛京四面各建莊嚴(yán)寶寺，每寺大佛一尊，左右佛二尊，菩薩八尊，天王四位，浮圖一座，東為慧燈朗照，名曰永光寺；南為普安眾庶，名曰廣慈寺；西為虔祝圣壽，名曰延壽寺；北為流通正法，名曰法輪寺。”四塔寺象征四大金剛威震四方，護(hù)國安民。后來經(jīng)過政府的幾次維修，北塔法輪寺以自己獨特的文化內(nèi)涵和嶄新的面目呈現(xiàn)在世人面前，是目前沈陽四塔中保存最為完善的一座藏傳佛塔，相比于北京的白塔，它在修建時間上更早，因此具有更高的歷史價值和研究意義。

2.2 北塔紋飾的三維復(fù)原方法

三維仿真技術(shù)是多種技術(shù)的綜合，包括實時三維圖形技術(shù)，立體顯示技術(shù)等，對于三維仿真技術(shù)在古建筑中的復(fù)原，主要的思路是通過三維掃描構(gòu)建數(shù)字化模型，研究如何將古建筑中的紋飾通過高清數(shù)碼照相機(jī)進(jìn)行空間外形、結(jié)構(gòu)和色彩的拾取，以獲得紋飾的表面空間坐標(biāo)，再將紋飾的立體信息轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號，實現(xiàn)高清的數(shù)字化模型的構(gòu)建。

首先是影像數(shù)據(jù)庫采集。想要復(fù)原北塔紋飾先要了解北塔紋飾背后所蘊(yùn)含的文化和含義，為了復(fù)原北塔紋飾，我們通過查閱歷史文獻(xiàn)，書籍和實際調(diào)查，尋找紋飾資料。然后現(xiàn)場采集并測量和拍攝數(shù)據(jù)，將北塔紋飾通過多臺高清的數(shù)碼照相機(jī)進(jìn)行同步立體拍攝，將紋飾實體通過影像數(shù)據(jù)采集手段，建立起紋飾的構(gòu)造、樣貌、色彩等全方位、多角度的實物影像數(shù)據(jù)庫。

其次建立三維模型數(shù)據(jù)庫。以實地拍攝的照片和測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用計算機(jī)程序進(jìn)行逆向計算，得到紋飾的基本點云坐標(biāo)。以計算所得的基本點云坐標(biāo)為基礎(chǔ)，應(yīng)用三維建模軟件按照紋飾的結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行三維數(shù)字模型的復(fù)原創(chuàng)建，構(gòu)建起三維模型數(shù)據(jù)庫。

最后對構(gòu)建的北塔紋飾的三維數(shù)字化模型進(jìn)行技術(shù)上的細(xì)節(jié)修復(fù)。在得到數(shù)字模型后以照片數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用圖像繪制軟件對紋飾的數(shù)字模型制作模型貼圖，以便能夠更好的表現(xiàn)北塔紋飾的細(xì)節(jié)。然后利用三維軟件工具以實際紋飾為基礎(chǔ)，根據(jù)材質(zhì)的不同和粗糙程度對數(shù)字模型進(jìn)行不同程度材質(zhì)的賦予。同時可以對數(shù)字模型進(jìn)行燈光調(diào)節(jié)，建立一個模擬太陽光為總光源，個別地方可以建立補(bǔ)光。最后進(jìn)行場景渲染，達(dá)到最大程度上的紋飾復(fù)原效果。

2.3 數(shù)字化模型的3D打印實現(xiàn)

在構(gòu)建完成北塔紋飾的數(shù)字模型后，使用計算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)字模型的運算，轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)所能識別的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用3D打印技術(shù)將北塔紋飾的數(shù)字模型打印完成，將北塔紋飾的三維數(shù)字化模型打印為成品，形成實物成果。

3 3D打印在古建筑紋飾復(fù)原中的可行性應(yīng)用

古建筑由于長期的自然侵蝕也一些破壞，常會造成古建筑紋飾的局部脫落，此時需進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓沤ㄖy飾的重塑，使其保持結(jié)構(gòu)的完整性。但由于古建筑紋飾的歷史價值和藝術(shù)價值，自然侵蝕和環(huán)境破壞所造成的損壞具有不規(guī)則形狀，因此對古建筑的保護(hù)和修復(fù)需要耗時大量的人力和財力。利用3D打印技術(shù)，可以首先利用三維仿真技術(shù)，實現(xiàn)對古建筑的三維建模，搶救性的實現(xiàn)古建筑的立體三維檔案存留。對于古建筑中紋飾的缺失，利用3D打印可以完美地實現(xiàn)匹配，較傳統(tǒng)的古建筑修復(fù)不僅能實現(xiàn)完美的紋飾細(xì)節(jié)修復(fù)，而且還能節(jié)省大量的人工成本和時間成本。通過對沈陽北塔紋飾復(fù)原的3D打印成功實現(xiàn)，已經(jīng)延伸到其他古建筑紋飾復(fù)原，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到古建筑紋飾的復(fù)原中具有一定的可行性。

隨著我國文化的對外開放交流，文化遺產(chǎn)也得到各地政府的高度重視，古建筑的修復(fù)和再利用已經(jīng)成為一個新的研究領(lǐng)域。而隨著3D打印技術(shù)的研究和應(yīng)用，一方面對于藝術(shù)價值更高的古建筑紋飾細(xì)節(jié)，可以進(jìn)行完美地逼真還原，體現(xiàn)古建筑紋飾所帶來的歷史價值和藝術(shù)價值，另一方面可以進(jìn)行整體的數(shù)字化建模復(fù)原，將仿真復(fù)原的古建筑等文化遺產(chǎn)通過3D打印技術(shù)呈現(xiàn)出來，對于展示地域歷史和文化，開發(fā)地區(qū)的旅游產(chǎn)品有較強(qiáng)的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景，為增強(qiáng)區(qū)域文化帶來全新的可行性發(fā)展新模式。

成果：本文系遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于三維仿真技術(shù)的沈陽北塔紋飾復(fù)原3D打印實現(xiàn)”階段性成果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.202

作者簡介：劉新業(yè)（1971-），女，漢，碩士，副教授。