三维数字建模——唐代彩绘仕女俑。（西安博物院供图）一件青铜器的树脂模型和复仿制品。韩宏摄即将进行三维扫描的罗汉木雕。韩宏摄制图：冯晓瑜
手握“手持式三维扫描仪”，对着座椅上小朋友伸出的胳膊慢慢移动，在不同角度扫描，连线的计算机上就会实时显现出“绿色”的、“蓝色”的胳膊……这是记者近日在陕西历史博物馆文物修复室里看到的一幕。该馆在“文物修复季特展”第三季推出“孰制匠之——三维技术在文物保护中的应用”展，向公众展示如何将文物“搬”到电脑里，再用3D打印机打印出来。观众可以近距离体验文物的三维信息采集、模型处理、3D打印等程序，感受“科技+”文物修复的神奇魅力。
西安火伴艺术文化科技有限公司总经理韩博介绍说：“电脑里显示的绿色，是正采集的数据，蓝色是已经产生的数据，紫色表示已经偏离了位置。”现场几名幸运观众纷纷上前体验，“手或胳膊悬在空中，要稳定住姿势，不能晃动，”韩博一边操作一边介绍，“用这个‘手持扫描仪’扫描人手和人脸，要保持一个距离，人要缓慢地移动……”
文保修复，三维扫描仪显神奇
记者看到，展示现场除手持式三维扫描仪外，还有结构光和激光式两种固定式三维扫描仪，一台3D打印机正在工作。这是使用以光敏树脂为原材料的Objet3D打印机，层层固化输出文物模型。手持式扫描仪便于操作，可快速获取三维模型，但精度低，相较而言固定式扫描仪精度就很高。据介绍，结构光三维扫描仪适用于金银器、玉器和佛像等类文物，激光式三维扫描仪适用于陶器、石刻、木器等类文物。
工作台上展示着提梁卣和一件青铜器的树脂模型和复仿制品，墙上贴有12组罗汉木雕的模型照片，白色的是“灰模”，彩色的是渲染好的建模。灰模通过拍照生成照片叠加建立，建模则是通过结构光三维扫描仪扫描后获取。
文物修复师白璐说，手持式扫描仪和固定式扫描仪建立起来的都是白色的灰模，是不带色彩的。
工作台上，一个自动圆盘在缓慢转动，上面是一件明代的罗汉木雕，两架摄像仪正对着它拍摄。摄像仪可以调整高度拍摄，也可让罗汉趴下或躺着拍。
白璐告诉记者，“这是一种建模的过程，自动转盘跟摄像仪连在一起，当转盘转动一周时，摄像仪会以每秒固定频率的方式拍照，可收集三四百幅照片，电脑会将这些照片叠加处理后自动生成一个带彩色的模型（建模）。”
“这个通过摄像仪和图片叠压方式建的模型，本身带有原来的色彩，甚至文物表面原有的病害和缺失也不需要进行贴图和渲染。这是更加广泛应用的一种建模方式。”她说。
关于如何才能让那些灰模带上颜色，白璐介绍：“灰模施彩有两种方式，一是现有的素材包赋予模型色彩。馆里现有紫檀、黄花梨、石材、玉石、金、银素材包。二是对精度高的文物，先把文物信息拍摄下来，再把这些照片通过手动操作方式，通过贴图贴在模型上。
但是几百张照片叠加自动处理后，还不能直接打印，白璐说：“目前该技术还需要完善，比如说电脑自动处理，某些照不到角的会有一些缺失，或者说在这个地方重叠会有一些问题，就要在电脑里手动调整，然后才能打印完善的模型。”
对此韩博也告诉记者，扫描一件提梁卣，大概需要3小时左右，“打印的时间要看精度，精度很高的可能需要一天时间。还涉及到材质和层厚，层高是一个关键因素。像提梁卣这么高的东西，它的材料是一层层堆叠起来的，可以分成10000层、5000层去打。”
为文物留下高精度数字化档案
传统的文物档案很难将文物的细节和色彩完整保存下来。为保护文物，又不能对文物进行接触性的研究和复制。与普通的平面扫描或相机拍照相比，三维扫描仪准确、快速，并有多角度、精细化的特点，可以将真实世界中物体的三维信息更加完整地采集到计算机内。韩博说，新技术让文物修复工作如虎添翼，以往修复师需要花费10天时间建造模型，现在靠三维扫描技术1天就可完成。
三维扫描技术、3D打印技术是文物数据采集和修复的新手段，通过三维数字化技术手段，在不对文物造成损伤和破坏的情况下，能够将采集到的文物信息转换为数据模型，更准确、更完整地为文物留下高精度的永久数字化档案，通过快速获取物体三维几何数据，与逆向工程技术结合，完成对文物的虚拟修复。
陕西历史博物馆自2011年引入三维扫描与3D打印技术至今，一直在尝试从文物实体修复到虚拟修复、从文物实体翻模到利用模型翻模等工作，致力于将三维扫描技术与传统修复工艺结合起来。记者获悉，该馆运用三维技术，已对罗汉、鎏金铜蚕、龙纹空心砖、白瓷杯、青铜簋、提梁卣和明代罗汉木雕塑等文物，进行了信息提取、三维打印、虚拟修复和复仿制，并获取了四臂观音、龙纹空心砖、三足壶、宰兽簋盖铭文等数字拓片。
今年以来，陕西历史博物馆开展了“文物保护修复季”展览工作，通过书画、金属、陶瓷、杂项4个单元，向观众展示不同类别、不同材质文物的修复过程，把文物保护的理念、过程展示给观众，让观众通过精细的文物修复方法和技艺，感受文物保护修复的艰辛与匠心，让文物“活”起来、“动”起来、“亮”起来。
相关阅读：数字技术在文物行业将被广泛运用
“三维测绘技术已经普遍应用在各个行业了，在文物和文化遗产保护行业，现状是不断创新，采用新的设备与技术来采集数据，各省的应用程度不一。现在的考古发掘现场均已用上了三维扫描测绘技术，全部完整立体地记录工作全过程。”
陕西省文物保护研究院前副院长、陕西文物传媒与科技勘探中心主任王保平告诉记者：“三维扫描测绘技术，一是能够真实地记录文物信息，建立文物的数字档案，用数字记录文物的变化；二是运用数字手段，也就是虚拟现实技术，再现历史上的各类建筑和文物，依据相关资料，对其进行复原和呈现。”
“我更看重虚拟现实技术，它也是一种保护、展示、弘扬中华传统文化的手段，确实好！它不仅可360°旋转，还能720°旋转，左右旋转一圈，上下旋转一圈，720°就能采集文物的相关信息，利用这些数据三维建模，做出一个可以720°旋转的数字文物来，包括器物的里里外外。”王保平告诉记者，几年前，他对法门寺景区、秦公一号大墓和新疆北庭古城遗址区都进行过高空多角度测量，效果很好。近几年，在国家文物局和陕西省文物局的主持下，陕西省对10座博物馆运用这项技术建成了“智慧博物馆”。
“三维扫描测绘技术能够准确地记录文物的信息，在文化遗产的保护和展示领域将发挥很好作用，在文物考古和保护修复领域应用前景广阔，未来将发挥巨大的作用。”
王保平认为，欧美国家地面上的石质建筑较多，中国的大遗址、大型宫殿、宗庙、礼制建筑均为土木结构，大都被埋在土里，就关中地区的地层而言，史前时期的遗址被埋2米多深、西周的1.8米以下，汉代的1.5米以下。发掘出来的宫殿遗址土木结构都腐朽了。通过钻探发掘，建筑遗址的布局模规出来后，能通过数字手段把它们复原和呈现出来。他认为，关中地区咸阳塬上有9座汉代帝王陵墓，大量的礼制建筑在地下埋着，探明的遗址不一定都需要发掘，可以用数字手段把它们复原出来，进行展示。
此外，近年来越来越多的数字化技术应用到博物馆中，如故宫博物院与日本凸版印刷株式会社合作的“数字故宫”项目、浙江大学开发的敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原系统、秦兵马俑博物馆与西安四维航测遥感中心合作的“秦俑博物馆二号坑遗址三维数字建模”项目等。这些项目的共同之处在于它们都使用了三维数字技术。
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