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摘要：中国璀璨的文化长河里诞生了很多极具历史特色的文物、建筑、雕塑，而随着时间的流逝这些极具价值的瑰宝却因为风吹日晒雨淋失去了以往的风华，整体受损严重。本文基于三维扫描结合3D打印探讨其在雕塑修复领域的应用。采用现代三维激光扫描技术获取初始数据，对文物雕塑进行重建和修复，结合3D打印技术实物输出，为文物雕塑在实物修复、价值研究以及文化传承等方面做出有益尝试。

关键词：三维激光扫描;3D打印;雕塑;模型

引言

文物雕塑信息数字化近年已逐渐成为文物保护利用的一种有效手段，但综合来看以前的数字化采集水平较差，后续数字化应用水平形式有限。随着科学技术的进步，通过引入三维扫描技术和3D打印技术大幅提升了文物修复效率。三维扫描技术是实现物体信息化的有效技术手段，而3D打印技术属于增材制造技术可以精确化高度还原实体模型。本文着重探究三维扫描和3D打印在雕塑修复上的作用，促进三维扫描与3D打印技深度融合应用。

1技术概述

三维扫描仪技术原理及其特点分析

三维激光扫描技术是一种快速的立体测量技术，三维扫描是指集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，可以获得物体表面的空间坐标。工作原理是利用激光束对物体进行非接触式测量和数据采集，通过发射激光束并记录物体表面的反射，然后根据激光的时间和空间信息来计算出物体的三维坐标和形状。

三维扫描技术该技术具有巨大的优点，主要优势在于其具有测量速度快、高密度、高分辨率、高精度数据以及使用简便易操作等特点。三维激光扫描仪可以轻松采集各物体的三维点云数据，根据采集的数据快速合成数字模型。三维扫描仪的使用非常简单，使用时只需将物体放置在三维扫描仪的激光范围内，然后打开扫描仪对物体表面进行扫描，最后采集到点云数据会被自动转换为三维立体模型。其可以有效的保护被测量物体不被破坏，同时也减小了测量误差，除了空间几何特征以外，它的颜色特征也能够被采集。由于三维扫描仪有着诸多优点这类技术一经问世便在各行业得到广泛的应用，特别是在文物保护建筑测绘领域。很多因为角度或者环境问题导致物体几何数据难以测量的部分都可以使用三维激光扫描仪轻松解决，配合后期利用软件对受损部位尽可能地进行数字化的还原与修复，为后期实物的修缮与保护提供精准又详实的数据支撑。

1.2 3D打印技术定义与优势

3D打印技术是快速成型技术的一种又称增材制造技术，是基于数字模型运用粉末状金属或塑料等材料通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术可以根据模型数据快速精准的制造出各种形状的物体，能打印出结构复杂的几何物体，也减少了材料损耗与浪费。综合来看3D打印技术具有制造灵活性、时间与成本效益、定制化生产、快速原型制作和跨领域应用等特点与应用优势。

1.3三维激光扫描技术与3D打印技术结合原理

三维激光扫描技术与3D打印技术的结合俗称3D扫描打印技术，二者的深度融合，也是当下国内外比较热门的研究技术，是生产研发、模具制造、轨道交通、精准医疗、文物保护等领域重要辅助工具。特别是在文物保护方面，三维扫描技术依靠先进的算法技术和强大的数据处理能力，高效精准地捕捉物体的几何特征，可以为后期文物雕塑的实物输出提供精确的3D打印模型数据，相较于传统翻模手动修复具有无损、精确、高效等优势。不仅为文物雕塑的数字化重建和文创产品开提供了全新的思路，还进一步推动了3D打印技术的发展和应用。

2研究材料与研究方法

1.研究材料：雕塑（中小型）、手持式彩色三维扫描仪器（新潜Scan700）、旋转平台、计算机（inteli7处理器，16G内存） 、天远三维扫描FreeScan系统软件、zbrush软件、3d Max软件﹑Materialise Magics 21软件、创想三维CR-2020FDM3D打印机、工业级银泰LTTE450HD3D打印机。2.研究方法：通过查阅现存文献结合现有材料当中的技术路线，整合确定研究思路，再进入到实地作业部分，通过扫描实物雕塑结合3D打印设备形成研究成果。

3三维激光扫描技术的数据采集及处理过程

首先根据雕塑实际情况进行现场勘察，确定扫描方案，依次进行安装连接扫描仪等设备；然后进行扫描系统的标定与校准，输入扫描参数，确定扫描分辨率。在扫描过程中动态监测点云数据，根据当前雕塑的复杂情况对结构性遮挡部位及时补扫最终获得雕塑初始模型数据。

3.1扫描前处理

此次扫描对象为雕塑，日光光线充足无需要人工补光，将雕塑身体简单清理干净去除遮挡物和灰尘，在雕塑表面平整的地方贴上标志点。在地面铺好与雕塑颜色相差较大的纯色塑料布，将计算机与手持式彩色三维扫描仪器新潜Scan700连接好，待扫描仪预热结束后，在计算机中打开天远三维扫描FreeScan系统软件。

3.2雕塑扫描

1.扫描系统标定：为了提升扫描仪扫描系统精度使用前进行标定。2.新建项目：标定结束后在天远三维扫描FreeScan系统软件当中并新建一个工作项目，调整扫描距离、调整相机参数。3.采集数据：平稳持着新潜Scan700三维扫描仪使其对准雕塑并调节至适当距离，即使工作成像窗口的距离框显示为绿色且色块位于中段，此时可按下扫描仪“开始”键进行扫描，如果在扫描过程中相机距离较大或者较近，会导致距离框色块变红应当立即调整扫描仪位置使距离框转为绿色且色块位置居中。如果雕塑本身存在空腔、较深的凹陷、复杂的结构，扫描这些部位的时候应当提高激光亮度，并从不同角度和方向对雕塑进行扫描。完成全方位扫描后显示视窗中会显示数据模型自动拼接后的三维效果图，点击软件界面上方的“数据保存”将扫描数据以“.asc”格式保存在电脑指定位置，以免数据丢失。

3.3点云后处理

利用新潜Scan700扫描仪的配套软件可在扫描后对点云数据直接进行后处理，去除掉扫描过程中产生的杂点、噪音点，将点云文件三角面片化（封装），进行三角面片数据进行平滑、光顺、简易和完整化处理，将项目数据以文件类型为stl的格式保存。

4完整三维模型构建

通过对雕塑数据三维信息的采集与处理后，可以为模拟其三维模型或者为其破损部位修补提供高精度数据和建模素材。将由点云拼接获得的模型数据—stl文件导入在Zbrush 软件中进行建模修复，建模思路采用先对破损严重的部位进行建模，得到缺失部位的三维模型，接着在软件中里对剩下的雕塑部位进行优化处理，再将破损部位的三维模型与雕塑本体进行虚拟拼合，完成模型的建模拼接。在细节上由于雕塑在经历多年风雨侵蚀后，其表面富含纹样的地方变得相对光滑，图案细节和文字显得模糊不清晰，这里原本应该棱角分明、对比强烈，为了复原效果可以使用Zbrush 软件内置的雕刻工具进行浮雕效果制作，通过调节笔刷工具的笔触设置，适当调整笔触大小、形状、强度等参数，利用笔刷工具复原砖雕的凹凸效果，完成对雕塑最大限度的修复。还可以利用3d Max软件中的渲染贴图功能，为雕塑模型组件赋予纹理图案输出数字化模型，助力于文物雕塑的保护，为日后的项目研究、学术交流提供更多的便利。

5三维模型实体输出

三维模型实体输出需要通过专业软件进行检测、修复使之适合于3D打印制作。通过打印机配套切片软件处理，输出代码文件，3D打印技术的会根据STL文件切片生成的代码逐层打印，层层堆积，最终完成模型实物制件。

5.1 三维模型修复、优化、切片处理

通过将雕塑完整的三维模型stl文件导入到Materialise Magics21中，使用“修复向导”完成3D模型中的几何缺陷和错误的筛查，点击“自动修复”命令让软件自动修复筛查出的错误，无法自动修复的错误通过手动修复完善。将检测修复好的stl模型文件导入打印设备配套切片软件当中，根据打印需求自定义最优化的打印参数。点击“保存”指令输出后缀为“.gcode”的代码文件。

5.2三维模型打印

实现3D打印的工艺技术有很多种，不同的3D打印工艺技术在文物雕塑修复领域的适用性也不同，常见的打印工艺有：1.FDM熔融沉积制造技术：FDM打印通过将标准的丝材送入喷头中，经过加热融化挤出熔融的聚合物丝后在外界低温环境下固化型，再由面成体构成实物。FDM打印设备维护相对简单打印耗材价格低，但打印精度不高，适合于结构简单的模型打印。2.SLS选择性激光烧结技术：SLS通过高能激光作用将粉体熔化，一体成型。这种方法不需要支撑结构，能够制作复杂零件，但粉末成型容易形成孔隙，应用于雕塑修复比较少。3.SLA光固化成型技术通过将激光点照射到液态树脂中迅速发生光聚合反应，将其从液态转变成固态构成制件。SLA是当今最成熟的3d打印技术，打印精度高、速度快的优点，但设备造价高、使用及维护成本很高，且树脂难以长期保存。SLA适用于对表面精度要求较高的雕塑修复领域。通过上述几种3D打印工艺比对，确定本次研究所用的3D打印设备分别是采用熔融沉积制造技术（FDM）的桌面级创想三维CR-2020打印机和采用光固化成型技术（SLA）的工业级银泰LTTE450HD打印机。

将完成切片的代码文件，放入到SD卡或U盘当中，再将SD卡或U盘插入到打印设备当中启动打印设备开始打印模型。打印成功以后将打印的雕塑模型从平台取下，去除支撑结构，再进行打印后处理，包括清洁、打磨和固化等过程。

6结论

本次基于三维数字化采集的关于3D打印技术在雕塑修复中的应用的研究，重点在于前期对雕塑进行三维激光扫描获取初始数据采集，并以此为依据全方位重构完整的三维数字模型，将模型原始样貌最大化还原，既可以实现文物雕塑数字化呈现，也为雕塑破损部位的修缮提供数据依据。后期结合3D打印技术对雕塑破损部位修复，不仅提高了修复的精确度和效率，同时也减少了修复人员的工作量。本文将雕塑修复全程整理建档形成了系统化的理论依据，可为以后的文物雕塑的保护提供可靠的数据资料和研究思路。

参考文献：

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[4]刘江豪.基于逆向工程和3D打印技术的骨骼重建研究[D].南昌大学，2021

[5]魏旭廷.基于3D激光扫描技术的吉林省传统村落保护研究[D].吉林建筑大学，2021

基金项目：2021文物、雕塑等数字化采集与数据应用研究项目（项目编号：2021KJB02）

作者简介：洪叶（1997-），女，学士，助教，研究方向：工业设计