CN109941027A - 一种大型石窟类文物等比例复制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型石窟类文物等比例复制的方法，首先通过高精度三维信息留取技术构建待复制石窟文物的精细化三维模型，并对该三维模型进行区域划分处理；利用大型3D打印机将划分后的模型进行分块打印，并将各分块编号以便与钢结构进行组装；采用钢框架和轻质外皮的形式设计钢结构，将打印出的各分块模型作为轻质外皮与所述钢结构进行组合，以复制石窟整体结构；在组合成型的模型表面喷涂高保证专用涂料，还原待复制石窟文物的颜色和质感。上述方法将多种快速成型与制造技术相结合，大大提高了复制品成型效率，缩短了加工制造时间，较大幅度的降低了经济成本。

Description

一种大型石窟类文物等比例复制的方法

技术领域

本发明涉及文物保护技术领域，尤其涉及一种大型石窟类文物等比例复制的方法。

背景技术

文物作为祖先留下的智慧结晶，承载其本身蕴含着巨大的历史与文化价值。其中大型石质文物如石窟大型造像等在中国5000年的灿烂文化中占有很重要的地位。我国石质文物众多，第三次全国文物普查显示，我国拥有石窟寺及石刻24422处，其中不乏敦煌石窟、云冈石窟、龙门石窟、大足石刻等艺术精品，这些文物具有极高的艺术价值、研究价值和观赏价值，但是由于历史、自然或人为原因目前许多珍贵的文化遗产无时不刻的面临着被破坏的危险，文物复制是对文物的一种有效保护，研究大型石质文物复制关键技术研究具有重要的现实意义和应用价值。

翻模复制是现有技术对于造像复制的主要技术手段，经常运用于文物展陈和保护领域，翻模复制技术主要有以下两大步骤：

1、翻模。一般使用石膏类材料涂敷在被复制物体表面，待其凝固后剥离，形成被复制物体表面的反向模型。

2、模型制作。使用与被复制物体相同或相近材料灌注进翻好的模型当中，形成被复制物体的形状。

3、后期处理。人工进行做旧，喷涂和表面处理等工作。

上述现有技术的方案在实施过程中存在如下问题：

1.翻模时的物理接触会增加文物本体收到二次伤害的风险，翻模时留下的翻模材料和化学试剂也可能对文物表面的造成污染，如果不及时有效的处理甚至会对文物表面造成腐蚀。

2.针对结构复杂的文物仅仅依靠翻模工作也无法达到很高的还原度。

3.许多文物禁止直接在文物表面进行翻模，采用工匠用雕塑泥按照文物的样子先仿制一个，再用仿制品进行翻模，这样一来，工匠的技术水平就决定了仿制品的质量，在相似性上就大打折扣，采用这种方法复制出来的文物与原件的相似度最高才能达到70％。

4.复制的文物不能拆装运输，不利用文物复制品的巡展。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型石窟类文物等比例复制的方法，该方法将多种技术结合，大大提高了复制品成型效率，缩短了加工制造时间，较大幅度的降低了经济成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种大型石窟类文物等比例复制的方法，所述方法包括：

步骤1、通过高精度三维信息留取技术构建待复制石窟文物的精细化三维模型，并对该三维模型进行区域划分处理；

步骤2、利用大型3D打印机将划分后的子模型进行分块打印，并将各分块编号以便与钢结构进行组装；

步骤3、采用钢框架和轻质外皮的形式设计钢结构，将打印出的各分块模型与所述钢结构进行组合，以复制石窟整体结构；

步骤4、在组合成型的模型表面喷涂高保证专用涂料，还原待复制石窟文物的颜色和质感。

在步骤1中，构建待复制石窟文物的精细化三维模型的过程具体为：

首先利用三维激光扫描仪进行待复制石窟文物的数据采集，并用数码相机进行高清影像采集；

根据采集的点云数据构建待复制石窟文物的制作高精度几何模型，并且利用高分辨率的数码照片进行纹理映射，制作正射影像图。

在步骤1中，对三维模型进行区域划分处理的过程具体为：

首先采用手工判定的手段通过旋转模型与移动模型的方式对三维模型进行定向，使三维模型达到最佳观赏角度，并且确定合适的坐标原点建立笛卡尔坐标系；

然后对该三维模型进行分割，以合适的步长为长度进行体素分割，实现三维模型的区域划分，通过划分将模型划分为多块有序排列的子模型。

在步骤3中，所述采用钢框架和轻质外皮的形式设计钢结构的过程具体为：

以分割步长为长度，确定钢框架模块的边长，利用三维扫描数据提出等高线数据勾画出待复制石窟文物的骨架轮廓来建立钢框架，轻质外皮作为外挂荷载加在所述钢框架上。

所述轻质外皮与钢框架通过统一装配连接件实现连接处位置的自由调节，防止由于轻质外皮和钢框架的尺寸误差而导致的拼缝过大。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法将多种快速成型与制造技术相结合，大大提高了复制品成型效率，缩短了加工制造时间，较大幅度的降低了经济成本，同时保证可移动可装配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的大型石窟类文物等比例复制的方法流程示意图；

图2为本发明所述三维模型进行体素分割的示意图；

图3为本发明实施例所述单层组装的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的大型石窟类文物等比例复制的方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、通过高精度三维信息留取技术构建待复制石窟文物的精细化三维模型，并对该三维模型进行区域划分处理；

在该步骤中，构建待复制石窟文物的精细化三维模型的过程具体为：

首先利用三维激光扫描仪进行待复制石窟文物的数据采集，并用数码相机进行高清影像采集；具体实现中，影像以JPEG格式导出并储存，影像采集精度不低于200DPI；

根据采集的点云数据构建待复制石窟文物的制作高精度几何模型，并且利用高分辨率的数码照片进行纹理映射，制作正射影像图，为石窟复制及后续工作提供基础数据。

举例来说，首先由内业人员将采集得来的原始数据转换为内业工序使用的可处理格式，按照外业站位记录信息进行数据整理，完成后续一系列数据处理工作，主要包括坐标系转换、点云数据配准、降噪抽稀、影像数据的处理等。整体点云模型是由不规则的空间离散点构成的，不能作为实体模型表达石窟表面几何关系，通过使用geomagic软件将点云构建成高精度的不规则三角网三维模型，根据需要制作平面图、剖面图等其他图件。

具体实现中，对三维模型进行区域划分处理的过程具体为：

首先采用手工判定的手段通过旋转模型与移动模型的方式对三维模型进行定向，使三维模型达到最佳观赏角度，并且确定合适的坐标原点建立笛卡尔坐标系；

然后对该三维模型进行分割，以合适的步长(综合考虑运输、制作条件、复制对象体积)为长度进行体素分割，实现三维模型的区域划分，通过划分将模型划分为多块有序排列的子模型。如图2所示为本发明所述三维模型进行体素分割的示意图，图中将模型进行固定步长的划分(体素划分)，相同颜色代表同一块子模型，每块子模型将与钢结构组合。

步骤2、利用大型3D打印机将划分后的模型进行分块打印，并将各分块编号以便与钢结构进行组装；

举例来说，可以采用大型三角洲3D打印机对划分后的模型直接进行分块打印，并将各分块编号以便后继与钢结构进行组装。

步骤3、采用钢框架和轻质外皮的形式设计钢结构，将打印出的各分块模型作为轻质外皮与所述钢结构进行组合，以复制石窟整体结构；

在该步骤中，采用钢框架和轻质外皮的形式设计钢结构的过程具体为：

以分割步长为长度，确定钢框架模块的边长(保证划分的模型步长与钢框架边长一致)，再利用三维扫描数据提取等高线数据勾画出待复制石窟文物的骨架轮廓来建立钢框架，轻质外皮作为外挂荷载加在所述钢框架上。

这里，轻质外皮与钢框架通过统一装配连接件实现连接处位置的自由调节，防止由于轻质外皮和钢框架的尺寸误差而导致的拼缝过大，而影响复制效果。

具体实现中，根据模型划分的步长可以将骨架杆件长度统一设置为2m；同时考虑复制石窟在室外展出时，可能遇到大风，可以按30m/s风速考虑风荷载，计算钢框架在风力作用下的结构反应，建立有限元模型。

另外，分块模型与钢框架通过悬挑连接，作为一个组装模块，方便进行拆装和运输，如图3所示为本发明实施例所述单层组装的示意图，图中曲线为3D打印的石窟模型外轮廓线、带交叉线的正方形为钢结构模块、之间的线段为连接用的悬挑。组装过程中，将组装模块以层为单位进行组装，然后从下至上，通过吊车或其他机械设备逐层吊装，多层叠加完成整体组装。

举例来说，以有限元分析软件SAP2000为工具，导入待复制石窟文物的三维测绘数据，并通过验证相关设计的合理性，进行结构体系调研分析，考虑到复制文物的反复拆装及便于海外运输，需满足轻质、耐久、方便拆装要求，为此用钢框架+轻质外皮的形式来设计，以保证整体美观与复制效果，所有骨架均不外露，上述模型的主体模块均为工厂流水线生产加工，模块之间采用孔位六向对接，尺寸误差<2毫米，从而可以快速进行拆装。

步骤4、在组合成型的模型表面喷涂高保证专用涂料，还原待复制石窟文物的颜色和质感。

在该步骤中，根据正射影像图配置、喷涂高保证专用涂料可以达到还原表面材质，使模型颜色与待复制石窟文物相似，且质感更加真实，并增加模型表面耐久性，防火防水耐高温。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法采用积木式框架装配结构，不仅为石窟展览提供稳定的骨架支撑，同时满足石窟复制品快速拆装要求；同时将多种快速成型与制造技术相结合，大大提高了复制品成型效率，缩短了加工制造时间，较大幅度的降低了经济成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种大型石窟类文物等比例复制的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、通过高精度三维信息留取技术构建待复制石窟文物的精细化三维模型，并对该三维模型进行区域划分处理；

步骤2、利用大型3D打印机将划分后的模型进行分块打印，并将各分块编号以便与钢结构进行组装；

步骤3、采用钢框架和轻质外皮的形式设计钢结构，将打印出的各分块模型作为轻质外皮与所述钢结构进行组合，以复制石窟整体结构；

步骤4、在组合成型的模型表面喷涂高保证专用涂料，还原待复制石窟文物的颜色和质感。

2.根据权利要求1所述大型石窟类文物等比例复制的方法，其特征在于，在步骤1中，构建待复制石窟文物的精细化三维模型的过程具体为：

首先利用三维激光扫描仪进行待复制石窟文物的数据采集，并用数码相机进行高清影像采集；

根据采集的点云数据构建待复制石窟文物的制作高精度几何模型，并且利用高分辨率的数码照片进行纹理映射，制作正射影像图。

3.根据权利要求1所述大型石窟类文物等比例复制的方法，其特征在于，在步骤1中，对三维模型进行区域划分处理的过程具体为：

首先采用手工判定的手段通过旋转模型与移动模型的方式对三维模型进行定向，使三维模型达到最佳观赏角度，并且确定合适的坐标原点建立笛卡尔坐标系；

然后对该三维模型进行分割，以合适的步长为长度进行体素分割，实现三维模型的区域划分。

4.根据权利要求1所述大型石窟类文物等比例复制的方法，其特征在于，在步骤3中，所述采用钢框架和轻质外皮的形式设计钢结构的过程具体为：

以分割步长为长度，确定钢框架模块的边长，再利用三维扫描数据提取等高线数据勾画出待复制石窟文物的骨架轮廓来建立钢框架，轻质外皮作为外挂荷载加在所述钢框架上。

5.根据权利要求4所述大型石窟类文物等比例复制的方法，其特征在于，

所述轻质外皮与钢框架通过统一装配连接件实现连接处位置的自由调节，防止由于轻质外皮和钢框架的尺寸误差而导致的拼缝过大。