三維掃描技術(shù)在陶器修復(fù)工作中的應(yīng)用*

晉 康

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

三維掃描技術(shù)由于其精度高、使用靈活等特點(diǎn)發(fā)展迅猛，在文物修復(fù)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。結(jié)合三維重建技術(shù)使得其在陶瓷文物的修復(fù)中具有很大的應(yīng)用前景，避免了因頻繁手工操作給陶器碎片本身帶來(lái)二次破壞問(wèn)題。本文以兵馬俑為例，探討三維掃描技術(shù)在文物修復(fù)中的應(yīng)用。首先利用掃描儀對(duì)兵馬俑各個(gè)碎片掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]；接著利用專業(yè)軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除噪點(diǎn)和冗余點(diǎn)操作，并對(duì)碎片點(diǎn)云等進(jìn)行對(duì)齊處理，獲得正確的拼接方法，結(jié)合逆向建模技術(shù)對(duì)碎片進(jìn)行復(fù)雜線條及曲面處理；最后獲得修復(fù)后的IGS圖，指導(dǎo)實(shí)際的兵馬俑修復(fù)工作。

1 三維掃描

在文物保護(hù)方面，三維激光掃描儀提供了全新的工具和措施來(lái)協(xié)助我們更準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)相關(guān)信息。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：①數(shù)據(jù)采集快速，利用掃描儀的非接觸式探頭，在標(biāo)記點(diǎn)及顯影劑的幫助下能夠準(zhǔn)確快速地獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)；②對(duì)于修復(fù)的瓷片不會(huì)產(chǎn)生二次破壞，掃描技術(shù)及數(shù)字建模技術(shù)可以直接在相關(guān)軟件中方便地將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改與調(diào)整，可以在保證文物絕對(duì)安全的情況下進(jìn)行文物的模擬修復(fù)工作，充分保護(hù)文物本身[3]；③可以同時(shí)生成陶器數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化保存，建立數(shù)字文物博物館。三維掃描文物具體流程如圖1所示，常見(jiàn)的三維掃描儀如圖2所示。

圖1 三維掃描文物流程

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是指利用專業(yè)的掃描設(shè)備對(duì)待處理對(duì)象進(jìn)行掃描后獲取物體的三維點(diǎn)位數(shù)據(jù)，形成點(diǎn)云的過(guò)程[4]。常用的數(shù)據(jù)采集方式有集成式采集與非集成式采集兩種[5]。集成式采集需要利用特殊硬件及配套軟件實(shí)現(xiàn)；非集成式的數(shù)據(jù)采集則是通過(guò)預(yù)處理、配準(zhǔn)、聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象與封裝、抽稀、網(wǎng)格化等進(jìn)行處理，具體的操作步驟如下：

(1) 預(yù)處理。由于掃描手法及技術(shù)原理的限制，會(huì)使得獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生多余的噪點(diǎn)，因此必須采用相應(yīng)的手段對(duì)噪聲進(jìn)行處理，防止噪聲點(diǎn)對(duì)后續(xù)的逆向處理產(chǎn)生干擾[6]。另外還需要對(duì)游離點(diǎn)進(jìn)行刪除處理，以對(duì)比掃描的方式篩選出明顯錯(cuò)誤的浮游點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行消除孔洞處理，具體操作過(guò)程如圖3所示。最后對(duì)過(guò)于密集的點(diǎn)云區(qū)域進(jìn)行抽稀處理[7]。

圖2 三維掃描儀 圖3 多余噪點(diǎn)去除

(2) 配準(zhǔn)。由于在掃描碎片時(shí)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)托盤來(lái)獲得不同角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此還需要將分散的云片進(jìn)行配準(zhǔn)處理，以便將它們轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。

(3) 聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象與封裝。由于在不同姿態(tài)下提取到的點(diǎn)云間還存在有重疊區(qū)域，且相互分離不是一個(gè)整體，因此合并的目的是使這些相互分離的點(diǎn)云合并成一個(gè)整體，避免后期建模產(chǎn)生過(guò)大的誤差，封裝過(guò)程如圖4所示。

(4) 網(wǎng)格重建。該項(xiàng)操作是將離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后形成網(wǎng)格模型，便于后續(xù)進(jìn)行模擬工作，常用的方法是采用三角形網(wǎng)格構(gòu)建方法。

(5) 網(wǎng)格修改。即在網(wǎng)格重建的基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)格重建時(shí)產(chǎn)生的孔洞及突刺進(jìn)行處理，彌補(bǔ)由于兵馬俑表面復(fù)雜造成的拼接錯(cuò)誤與掃描數(shù)據(jù)的缺失。另外還需要對(duì)處理過(guò)程中形成的孔洞進(jìn)行修補(bǔ)以使殘片表面完整連續(xù)[8]，如圖5所示。最后與實(shí)際形狀進(jìn)行對(duì)比修正，確保其接近實(shí)際形狀。

3 逆向建模

在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完畢后還不能夠直接用于修復(fù)工作，還需要在建模軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)字化建模處理，使其能夠針對(duì)兵馬俑碎片特征進(jìn)行處理，具體操作步驟如下：

(1) 自動(dòng)曲面創(chuàng)建。使用自動(dòng)曲面創(chuàng)建功能將曲面片擬合到面片上，單擊按鈕即可創(chuàng)建曲面體。通過(guò)自動(dòng)曲面創(chuàng)建功能創(chuàng)建的曲面體可以封裝目標(biāo)面片的整個(gè)幾何形狀。在此有兩種不同的方法可供使用：①機(jī)械方法：通過(guò)符合特征的構(gòu)造曲線網(wǎng)格，從目標(biāo)面片創(chuàng)建曲面體；②有機(jī)方法：通過(guò)投影一個(gè)均勻分布的曲線網(wǎng)絡(luò)，從目標(biāo)面片創(chuàng)建曲面體。

(2) 紋理映射。通過(guò)對(duì)兵馬俑碎片處理形成精確的幾何模型后，還只是在幾何角度上具備了相應(yīng)的精度，在觀感上與實(shí)際的碎片還有較大差距，所以還需要對(duì)幾何模型進(jìn)行紋理映射處理，目的是使創(chuàng)建出的模型能夠更大程度地在外觀上與實(shí)際陶瓷碎片保持一致，增加真實(shí)性，完整的兵馬俑模型如圖6所示。

圖4 封裝 圖5 兵馬俑網(wǎng)格修改 圖6 完整兵馬俑模型

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將三維掃描及逆向建模技術(shù)應(yīng)用到文物修復(fù)工作中，可以在軟件中方便地根據(jù)文物形狀及大小對(duì)它們進(jìn)行組合，很大程度上提高了文物工作者修復(fù)的效率；而且還可以在軟件中對(duì)一些局部細(xì)小特征進(jìn)行修形調(diào)整，故其適用于無(wú)法找到空缺碎片而進(jìn)行補(bǔ)充處理的情況。同時(shí)還能夠保存修復(fù)文物的三維電子數(shù)據(jù)，為后續(xù)建立文物數(shù)字博物館提供支持。