基于三維掃描與3D打印的數字化博物館研究與應用

宋 新 張豫徽

（黃河水利職業技術學院，河南 開封 475004）

1 前言

電影《十二生肖》中，成龍扮演的杰克為了獲取鼠首的三維數據，穿戴有傳感器的手套對鼠首進行了三維掃描，并把鼠首數據同步傳給3D打印設備，完成鼠首仿制品的打印，挽救國寶，最終將尋回的獸首歸還中國。電影中近似科幻的場景，現如今已經走入了我們的生活，尤其在文化遺產保護領域，正在發揮著重要作用。

文化遺產是人類歷史發展中的遺跡，具有重要的藝術、文化、科技研究價值，有必要對其進行保護和傳承，便于后人對歷史文化的認知與學習。從古至今，各個時代的人們從未停止對文物的保存和傳播的努力。近些年來，隨著三維掃描技術，3D打印技術等數字化技術發展，博物館數字化可原色一比一保存數據，非常適合文化遺產的采集、保護、開發和再利用。特別是為保護文物，又不能對文物進行接觸性的研究和復制，三維掃描可以利用激光掃描非接觸采集數據信息，可以將文化遺產中的文物進行高精度數字化保存，研究和開發相關產業。同時建成后的數字博物館也便于觀眾交互式、遠程等多方式觀賞，這對我國文物保護和發展具有重要意義。

2 三維掃描在數字博物館建設方面應用前景分析

2.1 數字化及全彩3D打印技術日臻成熟

三維掃描具有速度快，精度高，掃描數據可結合計算機三維建模中正、逆向軟件編輯，重復使用，因此成為博物館數字化發展的主要方向。三維掃描技術的原理是利用激光三角測距原理，通過發射激光掃描物體，并采集掃描物體反射回的激光，并將其轉化為點云數據，用于下一步的三維建模。三維模型建立以后，可以貼圖，制作出文物的原色數字模型。該模型可利用VR技術，上傳網絡，便于遠程瀏覽，同時，隨著國內外全彩打印的發展，也可以1：1原色打印，用于文物保護和衍生品的開發。

2.2 強大的市場需求

近年來，博物館文物數字化正在全國范圍內如火如荼快速發展。國內諸如國家博物館、陜西省博物館，河南省博物館，龍門石窟、敦煌壁畫等均已開展三維掃描及建模工作。同時，文物因其珍貴性和稀有性，真品不宜移動。3D打印技術不僅可以復制文物，同時可以對受損文物進行修復，開發創意飾品等多種應用方向。

3 博物館數字化的技術路線

博物館數字化首先需要完成三維數據的采集，依據采集的點云數據依次完成數據處理－逆向建模－正向建模修復－拍照采集文物色彩紋理信息－貼圖映射－高逼真三維文物模型。

3.1 掃描前期準備

文物數字化，首先需要保證博物館的文物安全。三維掃描時需要注意以下幾點：1）文物搬運、掃描過程安全。2）確保文物可接受激光掃描。3）工作人員需通過嚴格培訓，作業時按操作規范認真執行。4）掃描數據保密，相關工作人員簽署保密協議。5）針對文物顏色、大小、紋理的不同，布置掃描現場環境，燈光、工作轉臺，掃描儀等。

圖1 技術路線及采用的軟硬件設備

3.2 掃描儀及鏡頭的選取－以蔡司ZEISS COMET拍照式掃描儀為例

ZEISS COMET三維掃描儀優勢：

1）憑借800萬像素的高分辨率，可捕捉更多細節和精細結構。

2）即使在惡劣的環境條件下，ZEISS COMET 8M通過自動識別振動和環境光線的變化可提供精確的3D數據。高速相機和高光強度可以更明顯地縮短測量時間。創新技術確保最高效率。

3）高速相機和高光強度可以更明顯地縮短測量時間。一個測頭系統實現多種應用，立即為新項目更換測量區域：鏡頭方便更換和直接進行現場校準。

4）測頭系統輕便、結構緊湊，便于運輸，并且可以輕松改變測量范圍。

3.3 鏡頭的選擇

COMET測量頭的測量場通常由攝像機鏡頭和投影儀鏡頭組合構成。每組的測量場是不同的，根據不同模型的大小選取對應的鏡頭，這意味著任何時候在變更測量場時，攝像機鏡頭和投影儀鏡頭應成對更換。更換鏡頭后，應始終采用校準板進行校準。

3.4 掃描過程

圖2 平面剪裁雜點

打開掃描軟件ZEISS conlin3D，軟件將顯示上一次掃描任務。如需開始新的掃描，則點擊“新建”命令。觀察第一幅掃描出的數據質量，若數據完整則使用平面剪切將雜點刪除，點擊“下一步”進行下一幀數據掃描。若數據不完整，則需要點擊“取消”刪除該幀數據后重新選擇合適參數繼續掃描，直至獲得滿意數據。

第一序列數據掃描完成后，轉動工作臺或者掃描儀，開始下一序列的掃描。視圖數據掃描完整后，保存源文件。

3.5 網格處理

掃描數據首先選擇“全局優化”命令，完成智能優化。隨后使用“網格處理”命令對點云進行封裝處理，先選擇“無”進行處理，再選擇“質量控制” 輸出“OBJ”和“STL”在其他軟件中進行進一步優化處理。

3.6 掃描點云數據處理

Geomagic 是一家世界級的軟件及服務公司，在眾多工業領域如汽車、航空、醫療設備和消費產品得到廣泛應用。公司旗下主 要產品為 Geomagic Wrap、Geomagic Control 和 Geomagic Piano。其中Geomagic Wrap 是被廣泛應用的逆向工程軟件，可以幫助用戶從點云數據中創建優化的多邊形網格、表面或CAD 模型。數據處理階段所使用的主要是Geomagic Wrap 軟件。

3.6.1 點階段處理

掃描數據由幾何點位置組成，采集足夠的點來表達一個掃描項目來形成一個完整外形。這些數據是由掃描儀采集的，數據可以由掃描儀直接輸出，點云是通用的數據類型，由單獨的點位置組成，在Geomagic Wrap軟件中，點云可以直接通過一個文件導入。點處理階段可以完成雜點刪除、減少噪音、光順等優化處理。

3.6.2 多邊形階段處理

多邊形對象——多邊形對象或者網格是三角形的一個集合，三角形的定點相互連接，這些定點和原始對象是一樣的。在Geomsgic中，如果多邊形結構變化，原始點云的結果也會隨著變化。在多邊形階段，可實現面片光順處理、平滑、補洞、精簡。

3.6.3 數據存儲

處理好的、對好坐標系的完整模型數據導出，以指定的STL、OBJ等格式進行保存。

3.7 二維拍攝

利用高清數碼相機二維拍攝文物外觀，然后將其與三維掃描結果合成，即可獲得一件效果出眾，細節豐富，可任意旋轉放大縮小的三維文物模型。二維拍攝作為整個制作流程中不可或缺的一步，利用高清數碼相機即可完成。拍攝具體要求有：

3.7.1 圖像清晰

圖像清晰是拍攝最基本要求，是圖像采集拍攝的底線。所有照片均需通過使用三腳架拍攝，確保拍攝過程穩定，以此來達到最佳清晰度。

3.7.2 角度全面

拍攝時，需要根據后期的需求，把文物角度拍攝全面，以供后期貼圖使用。可自定義轉臺角度來協助拍攝。

3.7.3 光線均勻

圖像采集不同于一般靜物攝影，無需通過光影來表現物體，只需要光線柔和均勻，無明顯暗影及反光即可。必要時可通過使用柔光棚及常明燈來協助拍攝。

3.7.4 色彩準確

拍攝前，需要使用色卡來對相機進行白平衡校準，因拍攝環境，燈光的不同，會使拍攝圖像產生色差，校準白平衡，可使照片色彩盡可能還原、準確，也可以通過拍攝色板后期統一校準照片色彩。

3.7.5 構圖得當

拍攝時，盡量將文物放置畫面中央，讓文物充滿畫面并適當留白，使被拍攝物品畫面占比盡量高。慎重使用廣角，因為廣角會使被拍攝物品產生變形，給后期貼圖增加困難。

3.8 數據模型貼圖－以貼圖大師為例

3.8.1 紋理

第一步：識別前后背景。可以將模型大致放在一個準確的位置，點擊識別。也可以手動選取前后背景的種子點，點擊識別。識別之后還可以加選前后背景種子點，剔除誤選部分。

3.8.2 虛擬相機映射

第二步：前后背景準確識別之后，點擊調整位置按鈕，軟件會自動調整模型的位置使模型邊界和前后背景邊界一致。此過程之前可以調整“參數設置”里面的FOV大小，該參數和拍攝圖像的相機參數有關。

圖3 模型與圖片的對齊

3.8.3 控制點映射

激活即將映射的圖像。圖像管理面板區中左鍵雙擊即將映射圖像，該圖像將出現在圖像工作區。打開控制點映射模塊。紋理－ 控制點映射。

選擇同名控制點。“Ctrl+左鍵”在模型和圖片相同位置各自選點，均勻分布。

選擇映射方式。在“映射類型”下選擇適合的映射方式。

計算控制點誤差，操作區域-選擇計算。可選擇刪除誤差較大的控制點，控制點映射區域-選擇要刪除的控制點-右擊-刪除控制點。

映射。點擊面板上方的映射按鈕。

圖4 控制點映射貼圖

3.8.4 紋理模型導出

文件－導出模型。導出時，可以設置導出屬性，是否移動到原點、是否交換Y軸和Z軸，是否導出為一張紋理。導出為一張紋理時需要選擇展UV的OBJ文件。完成三維模型貼圖，至此，原色1：1三維數據建立完畢。

4 實例－以開封市博物館文物編鐘數字化過程為例

編鐘紋理精美，復雜，顏色較暗，尺寸約為480*240*200mm，針對以上特點，為了采光等需求，工作組搭建了拍照棚進行二維數碼拍攝。掃描儀選擇蔡司ZEISS COMET M8，鏡頭選擇M8-75如下圖所示。

圖5 蔡司ZEISS COMET M8、掃描鏡頭

三維數據的掃描

搭建合適掃描環境，掃描轉盤進行編鐘的三維掃描，如下圖。

圖6 編鐘數據掃描

二維圖片拍攝

搭建拍攝棚，完成編鐘各個角度拍攝，用于后期貼圖處理。

圖7 不同角度拍攝編鐘數碼相片

數據處理與貼圖

分別采用 Geomagic Wrap 點云數據處理軟件和貼圖大師完成掃描數據的處理，建立完整的三維模型數據和貼圖。

圖8 數據完整的編鐘模型及貼圖模型

全彩1:1原色3D打印編鐘

采用珠海賽納sailner J501系列直噴式全彩色3D打印機，該打印機支持貼圖打印、打印尺寸范圍為500*400*300mm，材料為全彩光敏樹脂，最大分辨率高達14μm和1800dpi的打印精度，可確保獲得光滑、精致細節的卓越的文物仿制模型，滿足打印要求。打印機及打印產品如下圖：

圖9 sailner J501系列直噴式全彩色3D打印機及打印編鐘

5 結語

三維掃描是指集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。三維掃描技術能實現非接觸測量，且具有速度快、精度高的優點。而且其測量結果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術應用日益普及的今天很受歡迎。在博物館數字化方向發揮著越來越重要的作用。

但現有掃描技術也有一定的局限性，根據掃描原理，掃描儀采集的是掃描反射數據，對于透明，激光不易達到的孔、窄縫等還存在一定難度，這就需要進一步提高掃描技術和其它傳統技術和先進的3D打印技術等相結合解決以上問題。隨著先進采集技術的不斷發展及文物數字化保護需求的不斷增加，我們相信文物必將得到更好的保護，歷史數據必將得到更好的儲存。