概 述

　　看过电影《十二生肖》的人应该知道,在这部电影中,成龙扮演的文物贩子在用一双三维扫描手套对兽首完成扫描后,他的同伙很快的用三维打印的方法复制出了一个一模一样的复制品.或许很多人以为这只是电影的夸张桥段.但事实上,这项技术名为三维扫描打印技术,早在20世纪就已经出现,发展到现在更是已经有了长足的进步.该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用.近年来,三维打印制造出了汽车、飞机甚至人造肝脏组织.在文物保护的方面,这项技术也有着广泛的运用,其中在文物的复制、文物修复、虚拟展示、大型文物测绘等许多方面正大放异彩.

　　1、文物扫描复制

　　由于博物馆的灯光等环境因素对文物的伤害以及在搬运过程中的意外等因素,博物馆并不会经常将文物的真迹进行展出.通常情况下,博物馆里会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害,同时也借助复制品将文物的影响传递给更多的人.而传统的文物复制方法大多是对文物进行翻模处理.不过,专家称这些复制方法会造成两种不利影响,首先是翻模后留下的翻模材料会对文物造成污染,难以去除;再者,翻模塑形出来的文物与原文物的相似度无法达到很高.

　　1.1立体文物的复制

　　三维扫描打印技术的出现为这个问题提供了一个很好的解决方法.首先使用三维扫描技术获得复制文物的三维模型,然后使用3D打印获得复制品,再在复制品上翻模复制,就可以批量制作.利用这项技术获得的复制品将会拥有和原文物一模一样的外形,并且由于三维扫描技术的特性,整个扫描的过程中跟原文物能做到"零接触",从根本上排除翻模队原文物的损伤.由于原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览,所以史密森尼博物馆就用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置,取得了很好的观赏效果.

　　1.2油画的复制

　　3D扫描打印技术发展至今,不只是能复制立体的雕塑等文物,甚至连油画都能完整的复制下来.荷兰阿姆斯特丹的梵高博物馆就利用三维扫描与打印技术,成功的复制出了梵高的画作.据称,利用3D打印技术复制出来的油画,相比于一般的临摹作品,不仅在画面和颜色上更为相似,连每一笔的笔触和油画的质地都与原画几乎无异.目前,该博物馆已经复制出了《向日葵》《、麦田》《、杏花》等名作,接下来还有更多的复制计划.

　　不过,这种仿真度极高的复制品价格不菲,达到每张2.2万英镑.但根据这种复制品的精细程度,这个价格应该也能让人接受.据称,这种利用3D打印技术复制的作品被称作"活现作品".首先要利用"浮雕体层摄影术",将油画的3D扫描与高分辨率打印技术结合起来,复制出优秀的油画作品.还必须利用高质量的照相技术捕捉油画的每一个细节,再通过3D扫描将作品中每一点细微的变化,每一处的高低起伏都一一记录下来.得益于3D打印技术,画家每一笔的笔触都能复制下来,使得复制品与原作品具有相同的纹理与质感,自然两幅作品的相似度就会惊人的高了.不仅如此,通过"浮雕体层摄影术",原作的画框也能得到复制,作品背面的信息也能得以保留.同时,由于这种方式制作出来的仿真品相似度过高,研究油画的专家都很难能鉴别.因此,为了防止3D打印的复制品与真品混杂造成市场混乱,博物馆在每幅复制品上打印了特殊的标记用于防伪.

　　2、文物修复

　　我国是一个具有悠久历史的文明古国,各种各样的文物是对中国古代文明的见证,是中华民族的瑰宝.而这些文物由于存放的时间过长,由于风吹日晒等各种各样的原因,会出现不同程度的毁坏,这时候就需要对文物进行修复.而传统的文物修复往往是通过在原文物上覆盖上泥模,然后再做腊模,或多或少会对文物造成损伤.而利用三维扫描技术可以零接触的精确记录下文物的各项数据,并能通过三维打印技术将缺失部分打印出来.

　　以陕西历史博物馆中的隋代白瓷高足杯为例,此件高足杯通高11cm,胎质纯净细腻,釉色光亮温润,由于此件文物在历史、工艺美术等方面都极具研究意义,被定为一级文物.此高足杯口沿处有一长约5cm高1.8cm的缺失;腹部有一处炸纹,其中一条裂纹延伸至口沿处形成约0.5mm的裂隙;釉面出现片纹;胎极薄,从缺失处测量,平均壁厚约1.6mm.在修复过程中,专家首先用三维扫描技术对其进行了文物三维模型数据采集,然后应用Geomagic Studio等逆向工程软件,构建出文物缺失处的三维模型.接着采用Object30光敏树脂三维打印机对残缺部分进行三维打印,得到补全模型,最后将补全模型和文物进行粘接.应用这种方法进行文物修复,虽然需要较高的计算机软件使用能力,和专业的三维扫描打印硬件,但其优势也是显而易见的.在三维扫描获取文物三维数据时,不需要与文物进行直接接触,减少了对文物造成损害的可能性.三维打印制造出的补全模型与原文物契合度高,粘接后修复的效果好,更能展示文物的原貌.

　　3、文物的虚拟展示

　　现在许多的博物馆开始推出数字博物馆,让文物爱好者们能够足不出户的对观赏文物.但传统的照片展示不能满足爱好者们对文物整体造型和各个细节观赏的需要,而如果利用三维扫描技术将文物的空间尺寸数据和色彩数据进行扫描,通过这些全面的信息,能够完整而又真实的对文物形状、尺寸进行准确的采集和记录,甚至连细节部位也可以清晰表达,再经过三维软件进行细节加工后的模型能做到与原文物几乎没有差别.同时也能满足爱好者们三百六十度全方面观赏的需求.将这些文物模型进行归档后,可以为文物建立永久翔实的三维数字档案,为三维数字博物馆的建立提供了最好的数据来源.建立数字博物馆后,还能利用虚拟现实技术实现虚拟漫游.这种足不出户就能感受文物魅力的形式相信在将来会越来越流行.

　　最为典型的例子就是最近云冈石窟推出的云冈石窟虚拟漫游.在虚拟漫游时,置身其中的人们通过独特的视点移动,感受只有数字化技术才能实现的新型沟通空间.得益于虚拟现实技术,观赏者可以在这个虚拟场景中自由漫游,随心所欲的进行观赏,真正的感受到"身临其境"的感觉.这种方式弥补了出于文物保护等原因无法观赏没有开放的石窟等遗憾.而对于文物来说,再好的保护也只能延缓它们渐渐消逝的步伐,不能彻底进行阻止.用数字技术记录这些历史文物,就像为文物拍摄了一部精彩绝伦的电影,具有极高的珍藏价值.

　　4、大型文物数据测绘和监测

　　4.1文物的测绘

　　由于以往测绘工具等条件的不足,许多文物特别是大件文物或者文物的精细部分的测绘十分的不方便.并且由于许多大型文物比如岩土文物(石窟寺、石塔、墓葬等)多在室外环境,不可避免的会长期受到风吹日晒等自然因素和部分人为因素的影响,久而久之许多文物就被破坏了,其自身所带的珍贵数据也随之流失.因此,对这类文物进行测绘是这类文物保护工作中十分重要的一项工作.而对于文物的测绘一直是贯彻文物最小干预原则,尽量避免在文物本体上进行测绘,以免造成意外损害.因此三维扫描技术其测绘过程与原文物"零接触"的特性,就成为了进行大型文物测绘的不二选择.

　　比如全国重点文物保护单位--广元千佛崖摩崖造像长期以来由于自然风化、雨水冲刷和人为破坏等原因,特别是由于身处"5·12"汶川特大地震的影响范围,致使其遭到了程度较大的破坏.因此,对造像的修复工作迫在眉睫,但是以往制定维修方案,无非就是照片与文字进行记录,无法全方位得呈现造像的损害之处,但是利用三维扫描技术,造像每一个细节的形状,每一处的破损,每一点的风化状况与受侵害程度都得以呈现,这将大大有利于对造像的修复工作.

　　4.2文物的监测

　　文物监测是文物保护中的又一样基础而重要的工作.它是保护和管理好文物的重要保护措施,是进行科学保护的重要依据②.一方面,通过对文物监测能够及时发现问题,提前指导抢险加固等保护工作;另一方面,通过对经保护处理文物进行监测,可以评估保护的效果,为今后的保护工作提供借鉴.传统的监测手段不能体现出文物不同部分的破损状况及趋势,而定期利用三维扫描技术进行全面测绘可以解决这一问题.利用这种监测手段,文物保护的专家们可以清楚的知道文物各个部分的受损情况以及演变的趋势,从而有的放矢的对文物进行针对性的保护.

　　5、三维扫描打印技术的局限性

　　虽然三维扫描与打印技术在文物保护方面有着多方面的运用,但是现阶段,该项技术还是有着它的局限性.

　　5.1材料的限制

　　首先,三维打印的打印材料有着较大的局限性,虽然随着技术的发展,三维打印的材料已经由单一的塑料向金属等多样材料进行转变,但是许多特殊的材料是无法进行打印的.在运用于文物复制时,只能依靠相似材料和后期的上色等工作进行弥补.

　　5.2硬件及成本的限制

　　3D打印技术所用的3D打印机成本高昂,市面上一台大型的三维打印仪器动辄需要几十甚至上百万,这使得这项技术运用成本高,普及难度大.

　　5.3技术人才的限制

　　3D扫描及打印技术需要操作者具有较高的计算机运用能力,比如进行文物修复时需要利用逆向工程软件以及其它三维软件进行破损面的修复.对于操作者的高要求也是造成这项技术运用门槛高的一大原因.

　　5.4道德和知识产权的限制

　　由于3D扫描及打印技术复刻出来的物品还原度高,与真品差异小,很难辨别真假,因此三维扫描及打印技术的运用会带来知识产权方面的重大问题.近年,科学家已经成功研制出打印活体细胞的技术,这也同克隆人一样,带来了道德上面的挑战.

　　因此,现阶段三维扫描与打印技术只能是文物保护中的一项手段,不能完全替代传统的文物修复方法.

　　结 语

　　三维扫描与打印技术凭借其对文物损害少,对文物还原度高,数据记录精准等优点,在文物复制、文物修复、文物的虚拟展示、大型文物的测绘和监测等方面起到了巨大的作用,为文物保护工作提供了新的思路.但也因为其对操作人员技术要求高,设备昂贵,制造材料单一等等局限性,使得其在文物保护方面未能大放异彩.

　　参考文献:

　　[1]李文怡,张蜓,杨洁.三维扫描及快速成型技术在文物修复中的应用[J].陕西历史博物馆,陕西 西安 710061.

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　　[4]吴玉涵,周明全.三维扫描技术在文物保护中的应用[J].计算机技术与发展,2009, 9: 049.

　　[5]石宜辉,鲁东明.敦煌石窟彩塑漫游技术[J].计算机应用研究,2002,19(6):69-71.