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1、研究三维激光扫描在文物保护中的特殊应用,职称论文内容摘要：利用三维激光扫描和3D打印技术相结合可助力文物保卫及修复。激光扫描具有非接触快速获取海量目的外表点云数据的先天优势，可弥补常规文物数字化方式方法的局限性。以赵州桥为例，具体阐述利用激光扫描加3D打印技术在文物保卫中的基本工艺流程，解决传统文物数字化信息留存及精准复原的难题，以研究三维激光扫描在文物保卫中的特殊应用。 本文关键词语：激光扫描； 3D打印； 文物保卫； 数字化； Abstract: Laser scanning and 3 Dprinting could be used in the protection and resto
2、ration of cultural relics.Considering the limitations of the traditional digital methods of cultural relics,the non-contact and rapid acquisition of massive target surface data by laser scanning has outstanding advantages.Taking the Zhaozhou Bridge as an example,the basic technological process of us
3、ing laser scanning and 3 Dprinting technology in cultural relics preservation is elaborated,and the problem of digital information retention and accurate restoration of traditional cultural relics is solved.The special application of laser scanning and 3 Dprinting in cultural relics preservation is
4、studied. Keyword:laser scanning; 3D printing; cultural relics protection; digitization; 目录 0引言 1 1工作原理 2 2技术优势分析 3 3基本工艺流程 4 3.1标靶布设 5 3.2数据获取 5 3.3模型拼接 5 3.4模型处理 5 3.5模型切片及3D打印 5 3.6数据补充修复 5 4结论与瞻望 6 4.1结论 7 4.2瞻望 7 文内图表 8 图1空间点位坐标计算原理图 8 图2基本工艺流程图 8 图3基本工艺分阶段成果图 8 图4赵州桥三维模型数据修复前 8 图5赵州桥三维模型数据修复后 8
5、 以下为参考文献 9 0 引言 文物是国家难得珍贵的历史财富，对历史研究、科学指导等方面具有特别重要的意义。然而随着时间的推移，文物的损坏往往不可避免，华而不实既包括文物本身的自然风化，也包括意外损毁。2022年4月，法国巴黎圣母院遭碰到有史以来最严重的火灾，教堂顶部的木质构造被全部摧毁，只留下石质的残垣断壁，损失宏大。值得庆幸的是，在被损毁之前，巴黎圣母院的数字化三维点云模型已经被电子存档，为巴黎圣母院损毁部分的重建提供充足且精准的数据支撑，根据现有数据，可逐一对被损毁部分进行修复复原。激光扫描及数字化三维存档模型可助力文物保卫及修复，并保证修复复原的真实度和精度。吴育华等1、马宏毓等2从技
6、术发展、工作原理和成果等方面总结了三维激光扫描仪在我们国家文物保卫领域的应用。张晓青等从三维激光扫描和建模的相关技术等方面研究了3D打印在文物重建中的应用3.本文从三维激光扫描和3D打印两种技术结合的角度来阐述文物保卫数字化基本工艺流程，以解决传统文物数字化信息留存及精准复原的难题。 1 工作原理 激光扫描采用非接触扫描的方式，能够快速获取目的外表的海量数据，在文物保卫工作方面具有突出优势。三维激光扫描主要通过高速激光扫描测量的方式方法，以点云形式获取物体外表的阵列式几何图像数据。由传统测量获取的数据最终都是二维形式，通过图纸呈现。不同于传统测量，由三维激光扫描最终获取三维形式的数据，不仅包含
7、平面位置和高程的信息，也同时包含RGB颜色以及被测对象的反射率信息。因而，三维激光扫描所获取的信息非常全面。 三维激光扫描仪利用激光作为发射光源，对物体按照一定的水平和竖直扫描分辨率来测量，采用非接触方式来获取被测量物体的外表数据。空间点位坐标计算的原理如此图1所示，利用激光获取被测物体至扫描中心的距离S,然后利用内置在设备内部的精致细密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值 和纵向扫描角度观测值 ，被测点的空间三维坐标则能够通过空间三维几何关系利用一个线元素和两个角元从来计算空间点位的X、Y、Z坐标。通过三维激光扫描获取的数据通常采用设备内的独立坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y
8、轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。 图1 空间点位坐标计算原理图 3D打印技术就是打印三维物体，利用切片后重建复原轨迹的方式，高温熔化原材料跟随轨迹堆积的原理来复原数字化模型。3D打印技术出如今20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置4.它与普通打印工作原理基本一样，打印机利用金属、陶瓷、塑料、砂等不同材质的原材料，与计算机连接后，通过计算机控制切片轨迹，把原材料逐层按轨迹自下而上叠置，最终把计算机上的扫描数字化三维电子模型变成实物。 2 技术优势分析 三维激光扫描具有速度快每秒近100万个点、不需接触目的非接触测量、数据量大、精度高等特点。华而
9、不实，非接触测量能够获取被测物体外表海量数据，有效地避免了文物数字化经过中对文物造成接触式损害。同时，无论被测目的构造多么复杂，都能够根据原貌进行采集。三维激光扫描的测量精度可达毫米级甚至亚毫米级，能够精准记录文物原貌并获取高精度的三维数字化模型进行存档。利用3D打印技术，能够对扫描后已经存档的高精度数字化文物进行适当调整与修改，利用3D打印机将模型打印，再对模型进行抛光、着色等后期处理，获得文物的副本。3D打印技术的优势在于成模速度快，模型复原精度高，能够和激光扫描无缝对接5.因而，将三维激光扫描和3D打印技术相结合应用于文物的数字化及复原具有独特的优势。 3 基本工艺流程 利用三维激光扫描
10、和3D打印相结合的方式助力文物数字化及复原领域是当前主流的发展趋势。被测目的具有距离短、精度需求高等特点，应用于文物保卫的三维激光扫描通常选取手持式或者站载式且以相位差原理获取目的的仪器设备。基本工艺主要包括标靶布设、数据获取、模型拼接、模型处理、模型切片、3D打印等多个环节，如此图2所示。以赵州桥为例，阐述不同阶段相关工艺流程。 图2 基本工艺流程图 3.1 标靶布设 在桥体周围均匀布设球形标靶，每相邻两测站之间布设不少于3对。3对球形标靶位于高低不同的位置，错落有致，避免安置到同一条直线上，以避免后期找不到相邻数据同名点配准根据。 3.2 数据获取 选取适宜角度，架设站载式三维激光扫描仪，
11、在设备上设置好扫描的分辨率以及相机拍摄的方式，控制扫描时间，对目的进行360 无定向扫描。目的扫描完成，查看标靶球扫描的精度，确认能否知足利用外表点云拟合出球心坐标的条件，如若精度不够，需要对球形标靶进行高分辨率定向扫描。反复查看，直到知足拟合球心条件为止。 3.3 模型拼接 根据激光扫描工作原理，相邻测站获取的数据都处于不同的独立坐标系下。需要利用ICP等相关算法原理进行多站数据的坐标系统一，即通过计算出相邻测站点云数据之间的旋转矩阵来完成模型配准，得到完好的桥体点云模型。 3.4 模型处理 对配准后得到的桥体点云模型进行去噪、精简、分割、特征提取处理后，对外表数据进行模型重建6,7,对曲面
12、类文物而言，模型重建通常采取利用点云构建格网的方式。该方式方法精度高，曲面贴合性好，自动化程度高。对重建后的桥体格网模型进行磨皮、补洞、网格修复、平滑、锐化、纹理映射等处理，得到桥体的数字化三维电子模型并进行存档，保存到数据库中。 3.5 模型切片及3D打印 利用3D打印技术，将已存档的高精度数字化电子文物模型进行适当调整与修改，利用计算机进行模型切片，计算打印复原轨迹，生成G代码。根据文物的材质类型选取相应的3D打印机和原材料，将G代码输入到3D打印机中，打印机利用喷头高温熔化原材料跟随轨迹进行逐层堆积的原理将数字化模型复原为实物。该实物能够用于真实文物损坏部分的修复，可以以代替真实文物用于
13、参观展览。 赵州桥分阶段工艺成果如此图3所示。 图3 基本工艺分阶段成果图 3.6 数据补充修复 在利用站载式三维激光扫描仪进行扫描时，难免会产生数据漏洞，而数据的缺失会对数字化模型的建立及3D打印带来困难。可通过两种手段解决此类问题。一种是除了单一使用站载式扫描之外，配合手持三维激光扫描同步进行，扫描角度问题造成的数据漏洞可通过手持式扫描仪来补充，灵敏方便。另一种是在数据处理经过中，对缺失的数据进行补充修复，包括网格优化、孔洞填充、平滑锐化等手段。华而不实，孔洞填充最为关键，包括曲率、切线、平面、内部孔、边界孔、搭桥等多种方式方法。 与传统的修复方式方法相比，通过三维激光扫描获取高精度的数据
14、，能够建立愈加逼真的数字三维模型，利用软件进行虚拟修复，提供多种修复效果比选，以此为根据来完善真实修复方案。虚拟修复主要包含文物材料体补缺、彩绘修复、纹理复原等。 经过修复，模型变得平滑光顺且轮廓清楚明晰见图4、图5。 图4 赵州桥三维模型数据修复前 图5 赵州桥三维模型数据修复后 4 结论与瞻望 4.1 结论 通过三维激光扫描与3D打印技术相结合，阐述了文物保卫及修复的现在状况、工作原理、基本工艺及其优势。三维激光扫描修复文物不仅复原的精度高，而且能在文物数字化经过中有效避免对文物造成二次伤害。该工艺在文物保卫及修复领域具有独特优势，能够解决传统文物数字化信息留存及精准复原的难题。当前，敦煌
15、莫高窟雕塑相继利用激光扫描以及3D打印技术实现了文物的数字化存档及文物再现，技术正在逐步成熟，工艺的多样化正在逐步完善。 4.2 瞻望 当前需要进一步解决的问题是3D打印原材料的多样化、3D打印机的喷头数量以及3D打印的体量，进一步提高3D打印的效率和实用性。与此同时，能够在激光扫描结合3D打印技术的基础上融入高光谱技术，将激光扫描得到的高精度模型和近景摄影测量获得的高精度纹理相融合，能够实现文物模型及色彩的高精度双重复原及修复，这对文物保卫及修复具有特别重要的实践意义。经过扫描数字化存档的电子点云文物模型能够存储到数据库中，通过互联网及云存储技术，结合虚拟现实VR技术，构建网上数字博物馆，使
16、游客足不出户即可实现网上参观阅读。3D打印后的文物副品，可以以用于实际展览及相关行业的主题教育。该技术的推广应用具有特别重要的意义。 以下为参考文献 1 吴育华，王晏民，胡云岗，等。大足石刻千手观音三维测绘与信息留取C/大足石刻国际学术讨论会论文集保卫篇，2018:84-91. 2马宏毓，赵新。三维激光扫描技术及BIM技术在建筑保卫测绘中的应用J.岩土工程技术，2022,334：222-225. 3张晓青。3D打印技术应用于文物复制的可行性研究D.北京：北京印刷学院，2021. 4林楠。3D打印的前世与今生J.设计，202118：94-95. 5韩文泉，胡伍生，陈昕，等。地下空间激光扫描点云精度比照分析J.测绘通报，202112：72-76. 6宗立成。文物三维数字化设计及其实验方式方法研究J.文物保卫与考古科学，2021,303：127-132. 7宋德闻，赵培洲，沈耀成，等。在文物考古部门开展的近景摄影测量工程J.测绘通报，19866：24-28.