基于3D打印技术的傩戏面具逆向设计与保护

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　　摘  要：以贵州省铜仁市德江县傩戏面具为研究对象，利用三维激光扫描技术，采集傩戏面具三维点云数据。通过对模型进行点云去噪、修复等处理，获取傩戏面具完整清晰的三维原始数据，实现了160面德江傩面具的数字化保存。结合3D打印技术，对傩戏面具进行逆向设计，将具有历史文化价值的傩戏人物面具进行了实体复制，为傩面具文物的重现提供了借鉴。
　　关键词：傩戏面具  三维激光扫描  3D打印  逆向设计
　　中图分类号：TH16   文献标识码：A            文章编号：1672-3791（2019）06（c）-0012-02
　　贵州德江傩面具比较集中、系统、完整地保存了傩堂戏这一特殊的古老文化，其造型简练、古朴，呈現出独特的原生态艺术气息，是千百年来民间艺术智慧的结晶，形成了德江傩艺术和独特的民族文化[1]。然而，如今因为技术人员的年老、社会的科技化、技艺传承断层、手工技艺生产率低下等因素使得傩文化的保护传承受到制约;同时大众接受难、内容缺乏创新、宣传渠道有限等因素也影响了傩文化的挖掘和传播。利用现代化的三维激光扫描技术对傩戏文化进行数字化保护，能够长久地存储民间艺术品信息，避免人为因素或自然因素对少数民族民间艺术品的毁坏。3D打印技术记录还原了保护傩戏面具艺术并在此基础上设计发展，以科学的路线对其进行保护和发扬，让优秀的民间文化得以传承保留，蕴含着重要的历史意义。
　　1  采集数据
　　数据采集的方式各式各样，该项目采用三维数据采集方式。三维数据可以将面具模型更直观、比例更准确的还原[2]。通过捕捉照射在傩戏面具的激光线来侦测并分析傩戏面具的空间外形与结构，获得傩戏面具几何表面的点云数据。用这些点云构成数字化傩戏面具的表面形状，重构采样点三维坐标还原被扫描模型。获得点云的密集程度与扫描仪的精度紧密相连，提高仪器密度可以创建更加精准的数字化傩戏面具。
　　2  数据处理
　　在数据采集中，面具自身的破损和激光扫描仪的精度会导致数据产生较大误差，就像点云数据里如果包含噪声，重构模型的曲面就会失去真实性，为了进一步提高真实性，我们需要对采集到的原始数据做简单处理，数据处理是做逆向设计最为关键的一步，它的结果会直接影响到后续对模型重构部分的质量，同时也影响到其本身的观赏价值，所以需要对原始数据进行修复和填充。
　　主要有以下步骤：
　　（1）误差处理。载入傩戏面具的点云数据后可以通过网格医生命令按钮进行诊断和修复和诊断。网格医生可检测到尖状物、高度折射边、自相交等干扰点，系统会自动标记错误点，我们可以通过提示自动或手动删除钉状物，这样面具表面达到初步修复。其次是手动删除扫描数据中的无关点，由于面具表面光线的散射，测量环境的突然变化及测量设备分辨率等因素的影响，在面具边角、凹边等部位的测量结果容易产生较大的误差，故如若遇此情况可以把点云局部放大，然后旋转把与点云数据产生偏差的点删除。
　　（2）数据平滑处理。在不改变曲率并保持面具边界不变的情况下对数据进行简化，从而降低三角形的数目。用平面进行裁剪，3个点确定一个平面，在需要裁剪的平面上确定3个点，对齐这3个点所在的平面，操作界面点击平面界面，选中删除[3]，同时消除噪声影响。不断重复该操作直到无关平面清除成功。于是得到了较为完整的傩戏面具的数据。
　　（3）精简处理。在对数据进行初步处理后，通过数据点进行建模处理。如果三角形数量太多，可能会造成操作卡顿，并且影响设备的储存空间，在操作过程中并非所有的数据都是有效数据，故只要能保证有效数据足够多就可以对扫描数据进行精简处理。
　　（4）给模型添加支撑。此时已有较完整的模型数据，但是不能保证在后续的3D打印过程中不受损，安全起见，我们给已有模型添加支撑进行保护。首先是自动放置，此步骤中零件的摆放是为了便于后续操作。其次是自动修复，选择“支柱生成”用软件的自动修复功进行修复.STL文件。然后自动生成支撑，利用Magics自动生成支撑。支撑形状有圆形和长方形两种，在模型需要加支撑的位置点击一下，拖动则会出现支撑模型，以白色柱状标示。再在底面点击一下，则支撑添加初步完成。
　　而后是手动修改支撑，有些自动生成的有欠缺，需要手动修复。在自动生成支撑后，对零件上所有的支撑进行修改，把所有支撑变为最合适的支撑，合理安排和利用每一个支撑及其支撑类型。修复完整轮廓的支撑面，最后删除不必要的支撑。
　　3  实施打印
　　3D打印凭借成熟的技艺和强大的推广度，在我们的生活中已经用得越来越广泛，在文物发掘与保护方面也有推行。我们利用3D打印的先进技术，通过数据采集还原文物原有的外观特点，最大程度上实现了实体物的真实性。这也在一定程度上能解决了许多民间文物随着年代久远而流逝的问题。
　　3D打印利用激光固化技术可以制造出实体的树脂模型，它利用光束，根据三维模型固化光敏树脂表面扫描出的模型截面图案一次叠加固化成体来获取实体模型[3]。其过程是从点的移动叠加，到线的移动叠加，通过一层一层叠加的方式得到三维立体的模型，每一层的打印针头释放液体的剂量很少，1cm的厚度高度大概需要2.5h的时间。在打印过程中尽可能地不受任何外力的干扰，如果受到其他因素干扰而造成打印间断的话，不仅会影响到最终的打印成品效果，也会造成树脂的浪费[4]。
　　首先把模型切片导入3D打印机里，再观察设备内液体的高度，判断是否需要加树脂，如果需要，将机器调至进入准备加树脂状态，在加树脂时，把液体慢慢地倒进树脂槽里，然后观察液体的位置，通常情况下其范围在1.5～5.5之间为正常取值。如果液体超过正常范围系统会自动报警提示。开启激光器，预热10min，打开Zero软件加载预处理得到的slc切片数据，之前预处理得到的两个.SLC文件，拷贝至3D打印机的控制计算机内，运行在编辑窗口设定打印模型的位置，一般放置于工作台中央位置，机器开始自动打印，等待制作完成，取出打印完成的模型，清除网板上的的残渣，关闭控制激光、加热功能，关闭电源。
　　打印机完成打印工作后还需要进行一些简单的处理。首先准备胶手套、模型托盘、铲刀以及清洗模型的无水酒精和软毛刷。先用铲刀把模型从打印平台上铲断，而后用胶手套取出模型放到事先准备好的托盘上，处理模型上残留的支撑杂质和树脂。最后一步是清洗模型环节，把模型放在无水酒精中浸泡3～5min，一直到支撑变软能用小铲刀去除支撑，去除支撑时注意不要破坏模型结构，然后用软毛刷子洗刷洗模型表面，直至面具模型表面清理干净。
　　4  结语
　　该项目将德江县傩文化与三维激光扫描技术、3D打印技术结合起来，让更多的人理解德江傩文化渊源流传下来的美感，成为德江傩文化的承载者和传播者。这体现了开发非物质文化遗产价值与意义，既可促进民间手工艺的创新发展，又对技艺文化的保护具有重要的现实意义， 改善了傩文化技艺断层的现状。
　　参考文献
　　[1] 王兰英.国家非物质文化遗产德江傩堂戏面具的造型艺术探析[D].贵阳学院，2012.
　　[2] 赵麒凯.基于三维激光扫描技术的民居建筑保护系统设计与应用[J].信息与信息化，2018，222（9）：24-26.
　　[3] 刘姣.德江县傩戏面具的数字化保护[D].北方民族大学，2018.
　　[4] 卜卫民.3D打印技术在古代早期陶器复制中的应用[J].工业设计，2018（5）：130-132.
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