宋代古船的三維激光掃描技術重建與模型3D打印

何原榮， 潘火平， 陳鑒知， 鄭淵茂

(1. 廈門理工學院 計算機與信息工程學院， 福建 廈門361024；2. 中國科學院 城市環境與健康重點實驗室， 福建 廈門361024；3. 中國科學院 城市環境研究所， 福建 廈門361024；4. 貴州財經大學 管理科學學院， 貴州 貴陽 550025)

宋代古船的三維激光掃描技術重建與模型3D打印

何原榮1，2，3， 潘火平1， 陳鑒知4， 鄭淵茂1

(1. 廈門理工學院 計算機與信息工程學院， 福建 廈門361024；2. 中國科學院 城市環境與健康重點實驗室， 福建 廈門361024；3. 中國科學院 城市環境研究所， 福建 廈門361024；4. 貴州財經大學 管理科學學院， 貴州 貴陽 550025)

針對古文物的完整有效保存，文物研究、修復，以及其可能造成的毀損，提出采用三維激光掃描技術對文物進行數字化重建.構建文物真實三維模型，并通過3D打印技術制作文物的高精度實體復原模型.以宋代古船實體模型重建為例，對所提出的方法進行驗證，研究結果表明：三維激光掃描技術和3D 打印技術可以提高文物歷史信息的保存和修復效率，避免接觸式測量文物造成的表面損壞，提高研究人員對文物分析研究的參與度.但是，對于表面紋理比較復雜的文物，這項技術依然存在精度上的缺陷. 關鍵詞： 三維激光掃描技術； 文物保護； 3D打印技術； 點云數據； 宋代古船

文物是古人生活的一個縮影，蘊含著豐富的歷史文化信息，是研究古人生活和社會發展進程的重要資料[1].盡可能地保護好古文物上面存有的歷史信息，同時,使得古文物上的歷史信息可以更好地服務于現代社會，成了現在考古學亟待解決的一個問題.三維激光掃描系統是一種集成了多種高新技術的三維坐標測量儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式快速獲取被測對象表面的陣列式幾何圖形的單位數據.它可以將珍貴古文物的幾何、顏色、紋理等信息記錄下來，構建虛擬的三維模型，大大降低數據采集、建模的時間成本和人工成本，為古代文物的保護提供革命性的新途徑[2].國內外很多學者已經把三維激光技術應用到文物保護中，劉旭春等[3]把三維激光技術運用到古建筑的建模中.白成軍等[4]把三維激光技術和傳統測繪技術相結合，對古建筑進行測繪.曹力等[5]把機載、地面三維激光技術與高分辨數碼影像相結合，建立了山海關長城的三維模型.雖然目前三維激光技術在考古學中已經應用得相當廣泛，但是利用三維激光技術建立三維模型，并制作實體模型的研究還是相對較少[6-7].本文應用三維激光掃描技術建立宋代古船的虛擬數字化三維模型，并用3D打印技術制作了古船的實體模型.

圖1 數據采集流程Fig.1 Data acquisition scheme

1 外業數據采集

數據采集流程主要包括控制測量、掃描站布測、標靶布測、設站掃描、紋理圖像采集、外業數據檢查、數據導出備份，如圖1所示.控制測量主要應用于需要精確確定目標地理坐標，文中研究不需要絕對地理坐標，故忽略此步驟.

1.1 古船典型特征

圖2 宋代古船實體Fig.2 Song Dynasty ancient ship entity

1974年8月，在中國的首次大型海灣考古發掘工程中，在福建泉州港發現了一艘宋代的古船，如圖2所示.古船一經發現，便引起了海內外考古界的轟動，被譽為“世界考古珍聞”.該古船殘長為24.4 m，殘寬為9.15 m，排水量近400 t，載量200 t，是一艘首部尖、尾部寬、高尾尖底“福船”類型的海船.這艘古船采取水密隔倉技術，即用隔艙板將古船艙體分成13個獨立艙區.當沉船被打撈上岸后，該船令在場所有的專家都嘆為觀止.重新面世時，這艘船滿載著珍貴的歷史文物.這批文物共計14類69項，包括香料藥物、陶瓷器、銅鐵器等， 泉州灣發掘的古船具有重要的研究價值和歷史意義.因此,對該文物的研究和保護提出了新的課題.傳統上利用相機獲取文物的照片，進行保存，但是利用照片無法精確地獲取到文物的幾何紋理等信息，更無法捕獲周圍的信息，在文物細節還原方面更是沒有可行性.所以,傳統的測量方式無法對古船的全部信息進行高精度提取，阻礙了人們對古船的研究進度，也阻礙對古船進行數字化保護[3].鑒于古船不允許上船架設儀器設備進行測量，文中以宋代古船為研究對象，利用三維激光掃描技術對船體進行了掃描，然后使用了FAROScene和Geomagic等專業軟件對掃描點云進行數據處理，并進行三維建模.

1.2 掃描現場踏勘

圖3 宋代古船掃描站布設現場Fig.3 Scanning station distribution of Song Dynasty ancient ship

在對目標進行掃描之前，需要對目標進行現場踏勘.觀察目標的地理位置和掃描環境，從而制定掃描計劃確保掃描工作順利進行.掃描的古船位于泉州市開元寺內的古船博物館中，船身使用鐵架架起，高度在2.5 m左右.場館共有兩層，從二樓可以掃描到船體內部.初步預計掃描站數為9站，一層布設5站，二層布設4站，如圖3所示.具體的掃描站數可能會增加或者減少，在一些細節的獲取方面需要更多的點云數據.

1.3 外業掃描

外業掃描主要分為測站與標靶布設、設站掃描.Farofocus 3D地面三維激光掃描儀對標靶(靶球)的精確識別距離約為15 m，所以在布設時要注意靶球和測站之間的距離.標靶布設應符合如下3點要求：1) 標靶應在掃描范圍內均勻布置且高低錯落；2) 每一掃描站的標靶個數不少于4個，相鄰兩掃描站的公共標靶個數不少于3個；3) 明顯特征點可作為標靶使用.

合理布設靶球后，即可進行設站掃描.掃描站的布設應符合如下4點要求：1) 掃描站應設置在視野開闊、地面穩定的安全區域；2) 掃描站掃描范圍應覆蓋整個掃描目標物，均勻布設，盡量減少設站數目；3) 目標物結構復雜、通視困難或線路有拐角的情況應適當增加掃描站；4) 需要搭設平臺時，應保證平臺穩定和儀器、人身安全.

點云數據采集時，要將儀器放置在觀測環境中30 min以上，再開始作業.掃描站點布設要滿足相鄰站間有效點云重疊度不低于30%，困難區域不低于15%的要求.設有標靶的測站應進行標靶的識別與精確掃描，確保點云數據精確拼接.掃描作業結束后，應將掃描數據導入電腦，檢查點云數據覆蓋范圍完整性、標靶數據完整性和可用性.對缺失和異常數據，應及時補掃.

紋理圖像采集可根據應用需要選取，采集時應注意以下5點要求：1) 圖像的拍攝角度應保持鏡頭正對目標面，無法正面拍攝全景時，先拍攝部分全景，再逐個正對拍攝，后期再合成；2) 宜選擇光線較為柔和、均勻的天氣進行拍攝，避免逆光拍攝，能見度過低或光線過暗時不宜拍攝；3) 相鄰圖像之間應保證有不小于30%的重疊區域；4) 采集圖像時，應繪制圖像采集分布圖；5) 紋理顏色有特殊要求時可使用色卡配合拍攝.

2 點云數據預處理

數據預處理流程包括點云數據配準、坐標系轉換、降噪與抽稀、圖像數據處理、彩色點云制作等.經過外業掃描，得到了古船的點云數據.但是，這些點云數據還不能用于建模，還要對點云數據進行進一步處理.即需要經過靶球識別、點云配準和降噪抽稀等步驟之后，才能得到古船的點云模型，如圖4所示.

圖4 宋代古船的點云模型Fig.4 Point cloud model of Song Dynasty ancient ship

3 古船三維建模

古船完整的點云數據經預處理后，接下來進行古船三維建模.該古船船體不規則，需采用Geomagic軟件輔助建模.將拼接去噪的點云數據再進行一次點云數據優化[8]，即通過統一采樣、減少噪音等操作方法對點云數據再次細化去噪，處理后的點云進行封裝、建模.因為是根據點云數據進行自動建模，所以在曲面復雜而點云稀少或缺失的地方構建的模型會出現錯誤或者實體面缺失，此時，需要對模型進行人工修復.

首先,調整模型法向.由于點云數據的缺失會導致封裝后的模型有些地方會內外相反，在模型修復階段，法向相反的兩部分進行搭橋時會出現擬合三角面扭曲的現象，導致無法進行漏洞填補，會讓模型的修復工作開展困難.因此,要對法向相反的地方進行法向的旋轉.在旋轉之前將要進行法向旋轉的部分與整體進行分割，否則,會導致整體法向也隨之旋轉[9].

其次，對模型的爛面或重疊面現象，通過三角形刪除、曲面光滑、孔填充和邊修補技術等進行人工修復.在修復時要順著模型本身的紋理和紋路去修復，以免人為破壞模型，導致模型失真.在修補缺口較大的漏洞時要遵循由大到小的原則，利用填補功能中的搭橋操作將大缺口隔離成為一個個小型缺口，然后再進行全部填補的操作.

最后，使用網格醫生功能對整個填補完的模型進行全面的修復[10]，該功能會對一些自相交的三角面和未填補的微小漏洞進行修復，在修復完成后就可以得到所需要的最終成果，如圖5所示.模型在建完之后，可以通過軟件將模型導出，GEOMagic支持多種的三維格式輸出，輸出后可用于3D打印和貼圖展示等.

圖5 宋代古船的三維重建模型Fig.5 3D reconstruction model of Song Dynasty ancient ship

4 古船模型3D打印

3D打印技術是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術.在模型應用方面，3D打印技術使模型有了更加廣泛的用途.

為文物安全性和永久保存考慮，可以利用3D打印技術，通過工業級3D打印機將文物按1∶1比例打印文物的3D模型進行展覽.展品色彩、模型體積與實物高度吻合，達到逼真效果.文物愛好者也可以通過3D打印技術打印成品，購置回家欣賞.

4.1 模型完整性檢查

在打印之前首先要對模型的完整性進行檢查.不完整的模型打印機是無法進行工作的.打印前模型有必備的如下4個條件.1) 數據模型必須是由封閉的幾何體構成.2) 將模型調到原點坐標(0，0，0).3) 將模型縮放到打印輸出尺寸.4) 將單位修改為英寸或者毫米.

模型完整性檢查可以借助軟件，也可以進行人工操作.隨著3D打印技術的發展，出現了許多可以對模型進行檢查的軟件，如Mini Magics可以幫助檢查模型是否符合打印標準.在軟件中，不符合規范的地方會以紅色提示.發現問題所在后，可以在Geomagic軟件中對模型出現紅色的地方進行再修復.

4.2 模型曲面化操作

在打印大型的3D展品時，需要對模型進行曲面化操作[11].大型3D打印機所匹配的軟件為SolidWorks軟件.逆向工程軟件Geomagic Studio與CAD軟件、SolidWorks之間的數據轉換和共享也需要對模型進行處理.

SolidWorks軟件較好地支持和匹配的格式為stp和igs模型.當模型是由曲面片組成的時候才能保存為這兩種格式，所以要在Geomagic軟件中對模型進行曲面處理.首先，對整個對象進行“探測曲率”操作，如果細節要求較高，則可考慮將敏感性參數設為“0”，然后進入曲面片編輯過程.

在曲面片編輯過程中，應結合“構造網格”命令進行檢查.對于檢查出來的相交區域或相交路徑[12]，可使用“編輯曲面片”、“移動面板”及“繪制曲面片布局圖”命令來解決.如果經檢查后沒有相交區域，就可以進入“網格階段”命令.一般情況下，通過曲面片編輯處理后，網格階段不必進行修整即可直接進入“擬合曲面”命令.在擬合曲面過程中，建議使用“常數”選項.該選項允許修改擬合后的曲面，為了追求最好的細節，可將表面張力調到最小，控制點數目調到最大.在進行完上述步驟后,即可將模型保存為stp或igs格式.

4.3 模型3D打印

將模型輸入到3D打印機之后就可以開始打印，打印大概分為3個步驟：設置打印參數、清理原來的打印材料和執行打印任務[13].

打印時間取決于模型大小、打印質量及模型復雜度等參數.打印過程中要確保電源接通，如果出現斷電或者機器故障使得打印停止，那么打印任務失敗.在打印過程中，仍然可以操作控制屏幕查看參數，但是最好不要修改參數，否則,容易出現打印故障；如果要停止本次打印，可以回主菜單選擇打印暫停(打印進度會被保存，重新開始打印后，可以接上原來的進度，但是會在暫停處形成一個熔化點，接著打印下去，模型銜接不上，可能會成為廢品) 或停止打印(此時，正在打印的數據會清零，下一次開始打印的時候，上一次打印的進度不會被保存)，所以無論停止打印或者是暫停打印效果是一樣的.正確設置打印參數和打印材料后，最后得到了古船的模型，如圖6所示.

圖6 古船3D打印成品Fig.6 3D printing product of ancient ship

5 結論

通過對古船的掃描、建模和3D打印，可以清楚地看到三維激光掃描技術和3D打印技術在文物保護和考古工作方面的優勢[14]，不僅可以迅速地存儲文物蘊藏的歷史信息，還可以使該歷史信息反復利用，并減少文物表面的破壞.相關的工作人員不但可以利用這兩項技術對古文物進行快速的復制和相關信息的存儲[15]，更可以將該手段運用到古文物的復原和仿真中.盡管這兩項技術在各方面的應用已經日趨成熟和廣泛，但在文物保護和考古工作中依然存在著一定的局限性，表現在以下4點結論.

1) 單獨的三維激光掃描只能提供精確的物體空間幾何信息，對于文物表面細微紋理和色彩信息的提取仍有所欠缺[16].雖然現在部分掃描儀已可以提取掃描對象表面的色彩信息，但其精度還達不到要求，對于表面圖案紋理要求較高的工作來說，還是需要和其他的測繪技術和信息采集手段相結合.

2) 三維激光掃描因其射線不具有穿透性，掃描對象表面反射率將會嚴重影響掃描的效果.比如在古船復原工作中，由于船上有多個倉，而每個倉的內部又有許多凹凸以及細小紋理，因此,必然會出現陰影和遮擋等.這些現象給后期數據處理工作帶來了一定困難.

3) 掃描數據處理過程專業化程度較高，雖然現在相關數據處理軟件的自動化程度較高，但只能針對普遍常見的問題進行處理.面對昂貴的儀器和軟件，以及龐大復雜的點云數據，依然需要專門的數據處理人員來完成相關的工作.由于模型制作人員和數據處理人員知識背景的差異，使得數據在雙方之間的傳遞產生脫節，造成誤差，也因此增大了工作的難度.

4) 3D打印成本現階段還較高，3D打印材料的市場價格還較貴，即使是打印一個較小的模型都需要幾千元的費用，而小的模型無論是仿真效果、研究價值還是信息的存儲價值都要比等比例的模型效果差.其次，目前大型3D打印機在市場上并不多見，無論購置還是租用該設備都存在一定的難度.該技術成本上的劣勢，也使得該項技術在考古學中的廣泛應用受到了一定限制.

傳統的測繪方法不能迅速地精確地復制還原文物真實三維信息，也會不可避免地損壞文物本身.盡管目前三維激光掃描技術和3D打印技術在考古學中的推廣還存在一定的難度，但隨著三維激光掃描技術和3D打印技術的進一步發展和成熟，這兩項技術在考古和文物保護方面的運用也越來越普遍，這些技術將會突破考古和文物保護方面的瓶頸.文中提出利用三維激光掃描技術對文物的三維幾何信息進行數字化采集、存儲，并進行建模，大大減少了文物信息采集存儲的時間，用3D打印技術把構建的三維模型打印出來，使得文物的歷史信息可以反復利用.利用三維激光掃描技術和3D打印技術非接觸、主動性和快速性等優勢，可以永久性地保存文物的數字信息，對恢復和傳承其文化和藝術價值在世界范圍內的應用和研究都具有重要意義.在實際工作中，這兩項技術在文物保護方面的應用還存在一定的缺陷，要完全普及還需要在技術和成本等方面的創新.

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(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 吳逢鐵)

Reconstruction of Song Dynasty Ancient Ship Based on 3D Laser Scanning Technology and Model 3D Printing

HE Yuanrong1,2,3， PAN Huoping1，CHEN Jianzhi4， ZHENG Yuanmao1

(1. School of Computer and Imformation Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China；2. Key Laboratory of Urban Environment and Health， Chinese Academy of Sciences， Xiamen 361024， China；3. Institute of Urban Environment， Chinese Academy of Sciences， Xiamen 361024， China；4. School of Management Science， Guizhou University of Finance and Economics， Guiyang 550025， China)

In view of the present archaeological research in cultural relics information storage and replication is not accurate rapid aspects， this paper puts forward the relics replication using 3D laser scanning technology，then establishing the 3D model， and producing solid model by 3D printing technology. The Song Dynasty ancient ship entity model is reconstructed as an example， to validate the effectiveness of the technology. The results show that the 3D laser scanning technology and 3D printing technology can improve the efficiency of storage and replication of historical relics， reduce the damage to the surface of the cultural relics due to the touching detection， and enhance researcher′s participation in cultural studies. But in view of the complex surface texture artifacts， this technology still has some defects in accuracy. Keywords： 3D laser scanning technology； cultural relics conservation； point cloud； 3D printing technology； point cloud data； Song Dynasty ancient ship

10.11830/ISSN.1000-5013.201702021

2017-02-14

何原榮(1977-)，男，副教授，博士后，主要從事地圖制圖學與地理信息工程的研究.E-mail:heyuanrong@126.com.

福建省自然基金面上資助項目(2016J01199)； 福建省測繪地理信息科技創新項目(2015J14)

P 234.4； G 264

A

1000-5013(2017)02-0245-06