三維技術在文物修復中的實際應用

摘 要：三維技術作為文物修復輔助手段在目前文物修復工作中被廣泛應用，是文物修復工作的重要組成部分。文章通過文物修復項目，實踐應用三維技術，探討其應用的優劣性，為后續文物修復提供指導與參考。

關鍵詞：青銅器；三維技術；文物修復

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.12.007

三維技術是近些年先進的高精度無損傷式立體掃描技術及增材制造技術，在工業技術、人體醫學等諸多領域發揮出了巨大的作用。隨著我國文博領域信息化時代的來臨，三維技術也在文博領域得以大展身手。三維掃描技術通過發射對物體和接收物體反射的信號來采集數據，因為是非接觸性采集，所以可以更好地在傳統測量工具無法測量以及對文物的脆弱部位進行采集工作，同時也避免了傳統接觸性采集方式對脆弱的文物造成的傷害，具有安全性高、針對性強、傷害性小等特點。三維掃描效率高且準確性大，能夠在短時間內獲得目標范圍的空間信息，并采集高分辨的海量點云數據①。由于三維掃描儀是通過激光主動對物體發出信號，采集經物體反射后的信號，所以受環境光照、溫度、氣候等環境因素的影響較小，具有全天候作業的能力。而三維打印技術則是建立在掃描之后的三維虛擬模型上，通過使用粉末金屬或者其他材料形成所需的器物，這一技術在文物修復和文物復制品等方面發揮著巨大的作用。

1996—2001年，德國美因茨博物館、德國考古研究所和埃及博物館聯合對2件古埃及法老佩皮銅塑進行保護與修復，這是三維技術最早在文博考古領域使用，其中使用激光掃描了整個銅塑；除此之外，便是1999年對發現于意大利阿爾卑斯山脈奧茨山谷中著名的“奧茨人”頭骨的復制。在這兩次保護與修復的過程中，相比較傳統的測繪手段以及復制手段，三維技術都表現得極為出色。國內最早使用三維技術是德國美因茨博物館與陜西省考古研究院合作對一件中國陜西麟游慈善寺唐代菩薩頭像的復原②。從那時開始，三維技術逐漸地進入文物領域，越來越多的學者對其進行研究，對不同的文物材質使用方面進行研究，論證三維技術在文物中使用的可能性，如：潘云鶴等人研究的古代敦煌壁畫的數字化保護修復③；彭勇通過使用三維激光掃描技術研究其在石質文物保護修復中的作用④。或者從計算機領域利用三維技術進行了文物殘片修補研究，例如白佳璐進行了青銅器形變殘塊虛擬修復研究⑤。或者從博物館領域去開發數字化博物館，例如萬惠玲等人利用三維技術復制了蚌埠雙墩1號墓中部分器物形態，虛擬還原了墓中場景，并將其在博物館進行展示⑥。

結合資料來看，目前三維技術在文物修復方面的應用多停留在虛擬修復階段，而將虛擬修復應用于實際修復項目中的案例較少。本次甘泉縣博物館館藏青銅器修復項目以傳統修復方法為主，在修復過程中以三維技術作為輔助，參與修復工作可以提高修復效率及修復精度，同時在修復過程中，可以選擇合適文物，以三維技術為主導進行文物修復，與傳統方法進行對比，分析其優缺點。

1 項目背景

甘泉縣博物館此次修復項目包含1甗、4鼎、4簋等共計22件青銅器，還有器物出土時過篩獲得的100余片殘片。此批器物于2005年6月14日出土，出土地點位于甘泉縣下寺灣鎮閆家溝村，共出土文物70件，其中青銅器57件，其他13件，是截至目前陜北地區一個墓葬出土青銅器數量最多的一次，特別是其中出土的4件鼎和5件簋，4件銅鼎形制相似，大小遞減，似存在列鼎現象，這一現象在甘泉地區極為罕見⑦。4件無耳簋形制特點與陜北、晉西北特有的高圈足直線紋簋非常相似，具有鮮明的北方草原文化內涵。其多件食器為主的組合，尚屬該地區首次發現，它與中原地區商文化重酒器的傳統存在較大差異，反映出重食器現象在當時該地區的禮制文化中占據著重要地位。出土器物中還包含有一件鈴首匕、一件鈴首劍，結合地理位置及氣候來看，甘泉地區受草原文化影響較大，是中原文化與草原文化交叉融合的地區。

2 三維技術應用實例

2.1 所用儀器及參數

在本次使用三維技術修復青銅文物的過程中，使用了先臨公司生產的EinScan Pro 2X 2020型掃描儀，對殘缺青銅器進行三維模型信息采集，之后使用配套軟件對青銅器進行現狀模型的修整與矯形，并對青銅器進行了虛擬修復，最后使用Formlabs公司所生產的Formlab Form3型3D打印設備，采用光敏樹脂材料進行青銅器殘缺部位的打印制作（表1）。

2.2 GQ743-2銅鼎修復案例

此次修復項目包含了簡化獸面紋鼎3件，它們形制相似，大小遞減，但都處于殘缺狀態。利用三維技術進行修補研究的是編號GQ743-2殘存3/4的紋鼎（圖1∶1）。這件紋鼎高24.12厘米，口沿厚1.28厘米，足高11.10厘米。在碎片補配完成之后，這件紋鼎上仍存在兩處缺損部位要進行修補，分別是一耳和耳邊緣口沿處殘缺以及鼎正面上腹部和口沿處（圖1∶2）。該鼎上腹部有一圈寬4厘米的凸起帶，其上與雙足之間的對應處飾3組由扉棱與乳釘所組成的簡化獸面紋。根據對稱性原理并對比其余兩件紋鼎，其缺損部位不僅具有一定的紋飾，修補之后的器耳還要與原耳相對稱。若使用傳統修復手段，不論是打制法還是編織法，在其修復步驟中都會進行矯形、焊鑄、打磨等操作，對青銅器本體損壞比較大，不僅會耗費巨大的時間和精力，還著重依賴于文物保護修復師的技能水平，極易造成修復的失敗，使青銅器受到保護性損害。同時，這件紋鼎本身殘損嚴重，殘損部位有少量裂縫，器體本身輕微變形，足底有少量粉狀銹，不便于使用傳統修復方法，但其尺寸大小合適，殘缺處均可從殘存自身找到對稱部位證明其修復形狀，且預估補配面積等都十分符合三維技術的使用。因此，使用三維掃描技術和打印技術對其進行修復處理可能會取得較好的效果。

在修復工作開始之前，對文物尺寸、銹蝕情況進行詳細記錄，同時對器物包裹土、銹蝕產物等進行取樣，留作樣品后續檢驗。之后使用蒸餾水對器物進行清洗及除氯工作，需多次清洗并檢測水中含氯量，洗至水中含氯量降至無害標準，即使器物體內氯含量降至可控范圍，讓器物整體狀態達到穩定，避免其進一步腐蝕。修復準備工作結束后，使用三維掃描技術對文物進行全方位的掃描，記錄文物修復前的保存情況，之后利用便攜式XRF對器物及殘片進行金屬成分含量檢測，根據所得數據對碎片和器物進行聚類分析，提高補配效率，依據三維掃描得到的虛擬立體圖形，輔助修復師進行矯形及補配工作。補配結束后，對仍殘缺的兩處使用虛擬修復和三維打印技術，打印缺塊，并將打印出的缺塊回補到器物本體上，殘缺部位補配結束之后，再由修復師對補配部分進行著色，最終完成器物修復的全過程。

從修復前后的對比圖中可以看到，通過三維技術打印出的樹脂殘片與青銅本體結合緊密，契合度良好，證明了三維打印技術的準確性（圖1∶3）。左耳殘片與本體右耳具有良好的對稱性，右側腰部至口沿殘片上的乳釘與扉棱清晰可見，基本符合青銅器的本體原有紋飾，保證了銅鼎的原貌性。最后通過修復師作色，得到修復后完整的器物（圖1∶4）。同時，在補配時我們放棄了傳統的錫焊焊接方式，采用卡扣的方式連接器物（圖2∶1、圖2∶2）。根據卡扣及殘片自身形狀，利用力學原理使其固定，減少了傳統錫焊引入新錫的弊端。

此銅鼎的修復過程：一是使器物的完整形態得以復原，遵循了恢復原狀原則；二是相比較傳統方法引入大量新錫而言，遵循了最小干預原則；三是可以直觀地看到文物修復的部位與痕跡，遵循了可識別原則；四是卡扣的連接方式具有可逆性，連接點均在樹脂配件上，將來有更好的修復方法時，可以在沒有任何損傷的情況下拆卸，進行后續修復。

同時補配模型的可拆卸特性，在博物館的展陳中，能夠提供更多的銅鼎展陳內容，更好地從觀感上讓觀眾了解到文物背后更多的深意。三維掃描全程參與器物修復過程，保留了器物修復過程中每一階段的變化，通過整合掃描結果，制作三維掃描動畫在博物館進行數字化展示，可以讓觀眾更加直觀地了解文物修復的過程，帶來參與感，提升文物與觀眾之間的交互性，如三維動畫截圖（圖3）。

2.3 修復結果討論分析

在本次的修復實踐中，三維技術作為輔助的修復方法，優化了傳統修復方法過去在矯形和打磨工藝中存在的問題。根據三維掃描技術構建虛擬立體圖形，預算矯形修復程度，讓修復師在矯形過程中做到心中有數，極大地降低了失誤率；而在打磨工藝方面，隨著三維掃描對器物矯形的輔助作用，在器物本身碎片回補的過程中，降低了打磨次數與打磨程度，最大化保存了文物的完整性；對于缺失部分，三維打印出的碎片與器物本身契合度極高，完全避免了打磨工序，另外使用卡扣連接方式，也遵循了最小干預和可逆性的修復原則。

結合修復實際來看，三維技術在文物修復行業中存在其技術優勢，但同時也存在明顯缺點。便攜三維掃描設備雖然便于攜帶，但對于大件文物、紋飾精美文物的掃描，在掃描精度上難以達到修復要求，而小部分便攜設備可以保證掃描精度的設備，卻體積龐大，其便攜也只是針對不可移動設備而言，且對掃描的硬件條件也有很高的要求。就甘泉縣博物館實際操作而言，使用龐大的掃描設備時，因其掃描需無死角對文物進行掃描，首先其對掃描空間及高度具有一定的要求，甘泉縣博物館建于20世紀90年代，博物館房間挑高較低，達不到掃描設備架設所需高度，因此只能在室外進行掃描，同時龐大的設備對供電也有一定要求，甘泉縣博物館線路老化，所提供電壓無法使設備順利運行，最后通過外加變壓器才得以運行，雖然這些并不是很高的要求，但目前很多縣區博物館都難以滿足，更不用說偏遠地區的戶外文物了，其露天環境更難以滿足三維技術的開展。其次，目前三維打印材料大部分為樹脂、紙材及一些高分子粉末材料，在金屬三維打印方面目前主要集中為不銹鋼、鈦、鋁等材料，像銅、金、鎳等其他的金屬三維打印材料還處在研發試用階段，且價格昂貴⑧，若不考慮補配材質，就可以完美契合殘缺尺寸進行補配，倘若希望以相同材質補配，目前三維打印技術并不能做到。并且，即使三維打印在將來可以進行金屬打印，但合金文物修復時還存在金屬成分比例及含量多少的問題，三維掃描并不能掃描出文物自身金屬含量比例，需要通過其他檢測方法，比如XRF輔助，對文物進行成分測定，才能得到其組成信息。最后，三維技術目前的價格并不便宜，國內大部分博物館并無創收，僅靠博物館自身難以負擔昂貴的技術費用。

3 結論

三維技術提供了新的修復理念及修復選擇，大大豐富了修復手段，與傳統修復相輔相成。三維技術作為現代科學發展的產物，在修復精度、修復效率上有傳統方法無法比擬的優勢，但科技的發展只能為我們的實踐提供參考和指導，作為輔助工具參與實踐，而不能以它的結果主導我們的實踐過程，畢竟文物修復的方式有很多，不能在科技的參與下，就將修復制定出一個格式化的統一標準。一些文物殘損嚴重，在我們不能百分百確定其器型時，是不能通過自身臆斷來決定如何修復它，只能盡量保留其現存狀態，在后續可以確定其器型之后，再進行修復。只有將三維技術和傳統方法相結合，才能發揮出相得益彰的效果。

因文物自身的特殊性，決定了修復文物對三維打印材料需求的廣泛性，合金、陶瓷等文物材質都為目前三維打印技術帶來了考驗，特別是對屬于合金的青銅器類文物而言，單一材質的打印材料不能滿足其修復需求，因此，三維打印在材料多樣性方面還有很大的發展空間。

目前三維掃描技術著重關注對掃描對象的掃描效率及完整程度，而對掃描對象的化學組成、腐蝕產物及銹蝕程度等尚未納入掃描內容，若今后可在掃描同時進行掃描對象化學組成測定、識別銹蝕產物以及對銹蝕程度進行基本的判斷，就可以大大拓展其技術的應用面，提供更加全面的數據信息，結合打印技術，達到相輔相成、共同進步的目的。

三維技術發展迅速，包括在網絡上參觀的虛擬博物館、VR技術等，突破實地參觀局限性的參觀模式正在逐漸完善，不過目前僅能以全景視角觀看展覽的器物及其基本信息，若能在發展掃描內容多樣化的同時，兼顧數字信息展示數據庫的建立，就可以使虛擬參觀達到和實地參觀一樣的效果，博物館可以將因實地局限無法更多展示的藏品通過虛擬博物館進行展示，在展廳內設置可以讓觀眾觸摸或體驗的互動設備，豐富參觀內容，多方面、多層次地使文物“活”起來。三維技術以其優越的性能及工作特點決定了其在文博行業擁有獨特優勢，隨著時代的進步，三維技術廣泛應用于文物修復是大勢所趨，其必將作出更大的貢獻，帶來更加杰出的成果。

注釋

①李麗紅，王家鑫.淺談三維激光掃描技術與3D打印技術在云岡石窟復制中的應用[J].經緯天地，2020（5）：88-92.

②侯改玲，Guido Heinz.博物館計算機技術虛擬修復與復制文物方法初探：以德國美因茨博物館為例[J].華夏考古，2021（1）：114-121.

③潘云鶴，魯東明.古代敦煌壁畫的數字化保護與修復[J].系統仿真學報，2003（3）：310-314.

④彭勇.三維激光掃描技術在石質文物保護中的應用研究[D].西安：長安大學，2015.

⑤白佳璐.青銅器形變殘塊虛擬修復技術研究[D].太原：中北大學，2019.

⑥萬惠玲.3D虛擬技術文物虛擬還原展示：以蚌埠雙墩1號墓器物修復為例[J].湖北經濟學院學報（人文社會科學版），2013，10（1）：29-30.

⑦王永剛，崔風光，李延麗.陜西甘泉縣出土晚商青銅器[J].考古與文物，2007（3）：11-22.

⑧段宣政，趙菲，王淑丹，等.國內外金屬3D打印材料現狀與發展[J].焊接，2020（2）：49-55，68.