瓷器的数字化修复与3D打印——以斗彩莲纹双耳瓶为例

吕 杰

(安徽文达信息工程学院 新媒体艺术学院,安徽 合肥 230000)

0 引言

艺术文物是一个国家、一个民族在一定历史条件下的审美见证，科学且有效地保护艺术文物，就是保护人类自己的审美发展史。目前，由于瓷器的客观保存环境不断变化，加之我们保护能力的相对不足，文物保护工作，特别是对文物的颜色、纹理等信息的保护，正经受巨大的挑战。因此，在传统的文保工作之外，探索如何结合现代科技，对这些脆弱的遗产进行保护，已成目前学界必须面对的问题。

随着数字摄影技术、数字化修复和3D打印等技术的发展，文物的数字化保护技术，已进入文保工作的应用领域。目前，针对这一领域的研究，我国已有一定的成果积累，例如在“濒危珍贵文物信息的计算机存储与再现系统”项目中，敦煌研究院已经实现了对壁画等珍贵文物图像的数字化保存。浙江大学研究人员研发的壁画虚拟展示与复原系统，使人们在电脑上就可以浏览敦煌石窟的实景等。这些数字修复技术的研究成果，对我国文保工作的发展，起到了积极的推动作用。但是，上述案例的研究重点，多停留在数字图像的保存和虚拟展示上，文物保护中，更为重要的原始三维数据和纹理信息，却没有得到更为充足的重视。而在这方面，国外的一些科研单位，已有一定的科研成果，特别是在文物三维信息提取、高精度3D建模等文物数字化保护方面，已有一定的研究深度，例如斯坦福大学利用激光测距技术，提取了米开朗基罗雕像的数字信息；加拿大研究人员研发的NRC's 3D Imaging系统，可以对画廊的原始数据进行采集〔1〕。依靠传统文物修复方法，结合数字技术对文物进行模型搭建和3D打印，可以更好的保存文物的颜色、纹理信息，有效减少实际修复工作中对文物的频繁接触，避免不当修复对文物造成二次损害。

斗彩莲纹双耳瓶，是1974年安徽省安庆市出土的清代莲花瓷瓶，瓷瓶瓶身莲花纹饰分为9层。瓷瓶色泽光润，纹饰秀美，是清代景德镇窑出产的青花瓷精品。但是，非常可惜的是，该瓷瓶出土时，瓶口已经破裂，对瓷瓶器型造成了非常大的损失，为了更好的还原斗彩莲纹双耳瓶的本来面貌，安徽省文保部门于2019年初开始，对以斗彩莲纹双耳瓶为首的32件破损瓷器进行数字化修复，努力使这些珍贵的历史见证，重焕光彩。

1 斗彩莲纹双耳瓶数字搭建方案

提取双耳瓶的数字信息，最便捷的方式是利用激光测量技术，进行激光扫描，其优势是速度快、精度高，不会对文物造成二次伤害，可以最大程度的记录和保存文物的原始信息。本次研究以双耳瓶为对象，利用激光三维建模技术，提取三维模型，然后对其进行纹理信息映射，最后进行3D打印，从而实现对斗彩莲纹双耳瓶虚拟再现。利用激光数据加工软件，采集双耳瓶的纹理信息，再进行拼接、去噪，最终获得带有完整颜色纹理信息的高精度三维数据模型。

本次数据采集是利用地面激光扫描系统(TLS)，TLS的优势是易操作、精度高。但是，瓷器类文物直接扫描会反光，扫描仪不能获取均匀的点云数据，所以，三维数据获取过程，除了利用激光扫描技术外，还将利用三维软件进行后续数据降噪，去冗，最终获取相对准确的三维点云数据〔2〕。

双耳瓶的数据提取过程主要分为三个阶段，分别是采集、编辑、入库，具体流程如图1所示。

图1 数据采集流程图

1.1 三维数据采集

斗彩莲纹双耳瓶数据采集过程包括定期的设备调试、数据采集、点云数据预处理等三个方面。在数据采集部分，重中之重是要保证数据的完整性，数据采集不完整，会对后续工作造成巨大影响，所以，这一阶段花费时间长，存储内容杂，耗费精力高。

数据采录前，为保证采录数据的准确性，要提前对激光扫描仪和数字相机等采录设备进行调试，将误差值降到最低。在采录设备调试完成后，方可进行数据采集。采集双耳瓶的高密度激光数据并录入数据库主要依靠FreeScan X3扫描仪和NikonD850数字照相机进行。先搭建一个旋转平台，将双耳瓶放置于旋转平台上;根据双耳瓶的尺寸，调整镜头与文物的相对位置，分别按照平台转动的方向(R)和高度方向(H)进行采集数据，总计采集了76张照片，所得点数为286 578个，平均点间距约为0.2mm。如图2所示。

图2 扫描设备

为提高模型的精度，我们将采集多组数据，这些不同组的数据重合率越高，采集效率就会越低。反之，重合率低，点云数据的误差必然偏大，自然模型精度降低，后期点云数据计算错误高，导致模型可能出现大量破面。所以，数据采集需要兼顾质量与效率，针对性选择采集平均值。经过测试发现，角度为30时，效率和质量趋于平衡，所以，我们将本次实验的摄录角度设定为30°。在数据采集过程中，将双耳瓶垂直放置在转盘上，获取一站数据就旋转一个30°。双耳瓶旋转360°，则被定义为R，然后升降扫描仪获取360°被定义为H。R扫描只需转动转盘，由于不涉及扫描设备位置坐标的移动，所以提取图像重合率较高，H需要上下调整扫描设备的高度，同时移动扫描仪Y轴后，其X、Z轴的绝对位置也会产生改变，所以提取的图像重复率较低。最后通过数据比照发现，R≥75%，H≥45%的数据重合率即可满足模型需求。如图3所示。

图3 文物数据采集示意图

最后是点云数据预处理。数据预处理是因为在前期采集过程中，为保证数据完整性而采集了过多的冗余数据，加之扫描过程中存在的必然缺漏，初步获得的面数据难免出现错误。点云数据的缺漏，反映在三维模型上便是模型的破面，为保证采集数据的完整性，在数据采集现场，对采集数据进行预处理，是十分必要的〔3〕。

对于获得的预处理后的三维点云数据，要进行精细化处理。三维扫描获得的初步点云数据往往比较粗糙，不利于对于瓷器等一些具有复杂纹饰的三维拼接，且由于采集的数据会出现部分重叠，必须通过人工校准的方式进行数据校准，之后才能将校准后的整体模型网格化。对于不同角度提取的点云数据，进行人工配准处理，合并临近两个重合数据或区域的连接点，再将点连接，构成空间变换方程，通过计算机自动结算，将点云数据转换为平面〔4〕

1.2 数字摄影测量

数字摄影测量，是通过对文物表面进行摄像，确定影像间的相互位置关系，再结合前期采集的双耳瓶三维数据，进行影像配准，从而获双耳瓶的纹理信息。摄像机通过色卡校正后，开始采集双耳瓶纹理信息。依据分辨率不低于300 dpi的要求，设定相机焦距，确定摄录位置，在保持焦距与摄录位置固定的前提下，确保摄录照片上下、左右相邻的重合率分别不低于45%和75%，然后对目标对象进行拍摄，最终提取了76张不低于300 dpi序列照片组成文物的纹理信息。考虑到环境光对双耳瓶的影响，接下来对所有影像进行匀色处理。同一区域的色度由于不同角度的光照，会产生不同效果，即文物网格模型的同一个顶点被赋予了不同的颜色值〔5〕。在这种情况下，将纹理信息直接映射，会出纹理信息计算不统一的现象，所以，纹理信息提取前，文物四周需布设统一亮度与饱和度的光源，营造色温均匀、亮度统一的光源后，再调整纹理图片。表1为一份光源与投射关系参考表，是本次数据采集过程中，纹理贴图数据精度和映射匹配度的参考。

表1 光源与投射关系参考表

通过数字摄影测量处理，会获得丰富的纹理信息数据，我们再将数据进行整合、二次检校，对文物模型纹理信息进行再补充，从而得到具有真实颜色纹理的数据模型〔6〕。

2 成果及意义

2.1 模型分级

模型建立后，可以根据不同的精度，将数据进行等级区分。L0级:为扫描获得的原始数据，是文物保管单位的原始数据和3D模型建立的根本，只做储存备份，不能直接使用。L1:为一般性三维模型，这一等级的模型，三维精度很好，但是主要针对参观者的一般性展示，所以，为了追求更好的展示效果，这一等级文物的纹理颜色数据，更多的贴近文物制作时的最初场景，一些损毁严重的部分，可以做适当修复。L2：为高精度三维数据模型，该数据是在L0级高密度三维数据的基础之上优化得到虚拟现实数据包。主要用于科学、教学研究，所有纹理信息全部按照出土时的原样进行修复。

2.2 执行3D打印

目前我国用于3D打印的陶瓷材料还十分有限，本次实验采用的是氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度、结构紧密、热稳定性好、耐腐蚀度强、耐磨性佳等优点，是目前产量最大、用途最广的陶瓷材料。陶瓷3D打印，省去了传统陶瓷生产工艺，如刻花、烧窑、彩绘等多个流程，只需将产品数字建模，即可开始3D打印，不需要传统的烧制、晾晒等多个步骤，即可得到所需的产品，所以，3D陶瓷打印具有很强的应用性。图4为瓷瓶打印过程。

将调整好的模型输入3D打印机，再将氧化铝陶瓷材料注入打印机，即可开始打印。此阶段分为3步，设置打印参数、准备适合的打印材料和执行打印任务。

图4 打印过程

由于执行的是高精度模型打印且打印机参数设置为高级，所以预计打印较长，打印过程需确保电源通畅，避免断电或者机器故障导致任务失败。打印任务执行过程中，切勿更改设置参数，否则容易出现打印故障，正确设置打印参数和打印材料后，最后得到了文物的模型，如图5所示。

图5 斗彩双耳瓶3D打印作品图

3 结语

斗彩莲纹双耳瓶的数字修复，充分利用了三维激光采集技术，降低了数字模型的误差值；在纹理信息配准过程中，采用数字摄影测量重构技术，保障了纹理位置的精度；最后通过数据整合，进行模型UV顶点对齐，实现高精双耳瓶三维模型的再现。该方法可有效提高三维模型和颜色纹理的配准精度，提升了数字模型的重建效率。斗彩莲纹双耳瓶的数字修复，不仅给文物展示提供了更为直观的立体视觉效果，同时，将极大地推动文物对象的数据保存、文物实体与数字修复及科学监测等领域工作，真正意义上实现了文物的数字化保护。