新型立体分光采集技术在馆藏油画 3D数据采集中的应用研究
李 洋 赵丹丹
中国国家博物馆摘 要 以油画立体喷墨打印复制为需求，通过对不同数据采集方式的对比，选择一种新型立体分光技术对油画作品进行表面三维数据采集，该种技术在文博领域属于首次应用，根据实际工作案例研究该技术在馆藏油画作品表面三维数据采集过程中的应用效果、存在问题及解决方案。 为文博领域油画作品的数据信息采集、复制提供一种新的解决方案。
关键词 油画作品 立体分光技术 三维数据采集 立体打印
0 引言
油画作为现代意义上的“世界画种”，上承中华文化根源， 下立时代生活大地。 中国国家博物馆从1951 年开始，经历 1959 年、1964 年、1972 年，曾进行四次组织大规模的历史题材的美术创作， 创作了一大批在新中国美术史上占有重要地位的美术作品，书写了新中国美术史上的重要的篇章。 目前，中国国家博物馆“屹立东方———馆藏经典美术作品展”更是以油画为主， 以油画的形式纪录了从建党到建国这一历史阶段重大转折点和历史事件， 具有重要的历史和艺术价值。 但是，随着时间流逝，很多珍贵的油画受绘画技法、材料、保存环境等原因，在长时间保存或展览情况下，容易出现龟裂、起翘、变色等病害，油画艺术品的高品质信息的采集、复制保护极为重要和迫切。
本次油画的三维数据采集以油画复制需求为驱动， 通过首次尝试采用新型立体分光采集技术的方法，解决更加精准留存油画表面3D 数据、以及油画复制过程中紫外线固化数码喷墨（Uv curable digital ink-jet ink，以下简称：uv 喷墨）立体打印的问题。
1 研究背景
油画作为书画作品的一种形式， 其采集方式与书画类作品的采集方式类似， 常用的一般为高保真拍摄、高精度平面扫描、多光谱信息采集，但是由于油画作品本品会有笔触较为强烈的笔触凹凸感，因此为了采集得到的数据能够体现其立体的笔触信息， 在采集方式上也会利用三维采集技术进行三维数据采集。无论采用哪种采集方式，数据都能够满足油画的UV喷墨打印需求， 但是若需要对油画进行立体打印，则需要使用油画的三维数据才能够实现。本文以中国国家博物馆油画数据采集和复制工作为基础，以满足高精度油画喷墨与立体打印为需求，通过对多种采集方法的研究，根据数据最终复制效果，选择一种能够满足需求的最佳的油画3D 数据采集
方法。
1.1 油画数据采集技术现状
油画的数字化采集主要是指利用采集设备如数码相机、平面扫描仪、三维扫描仪等获取油画的数字图像，再通过计算机进行图像处理，色彩管理等，最终输出高质量的数字图像的过程。根据采集设备，数据类型的不同， 油画数据采集的方式一般为拍摄方式的数据采集、平面扫描方式的数据采集、三维方式的数据采集、多光谱成像方式的数据的采集等。数字技术的引入，为数字化保护带来了技术上的革新，数字化信息采集以其效率高、 信息采集更为准确和丰富、信息储存方便和普适性强等优点，可同时满足展览、保护研究和复制等各方面的应用需求。
1.2 油画主要采集方式简述及存在问题（1）数码相机高保真拍摄技术通过数码相机进行油画表面纹理信息的高精度拍摄，从而获取高保真油画二维影响数据。拍摄方法主要分为单次拍摄和多次拍摄拼接的方式。 随着数码技术的发展， 所用的采集设备一般为专业的高分辨率扫描式数码后背进行拍摄， 最高像素已经能够达到上亿像素。 该种技术方法被广泛应用国内外书画作品的高保真数据留存中， 例如英国的 MARC （艺术品彩色复制方法）项目利用扫描式数码后背完成了艺术书画作品从精确拍摄到精确打印的全流程复制工作。 英国伦敦通讯学院利用数码后背多次分块的拍摄拼接方式实现了对壁画的高保真数据留存， 故宫博物院曾采用2亿像素的扫描式数码后背对馆藏清代画家王鉴《山水册页》等多幅画作进行高保真数据的拍摄，并顺利完成了复制工作。
该种拍摄方法优势主要在于不受作品尺幅限制，但是由于目前感光元件密度大大增加，会存在镜头失真，布光不均等问题，会影响数据的保真度。 而对于油画来说，其绘画材质本身具有反光性，会更加存在拍摄反光、光斑等问题，且油画本身都具有一定的笔触细节，最关键的问题是采用拍摄技术并不能获取油画表面的几何信息。 所获取的数据不能满足油画的立体喷墨打印复制需求。（2）高精度大幅面平面扫描仪平面扫描技术高精度大幅面平面扫描仪原理主要分为Cmos（complementary metal oxide semiconductor，
数码摄影中的图像传感器） 技术的线性光电图像传感器扫描和矩阵型CMOS扫描两种方式，线性光电图像传感器扫描仪使白色光线逐行扫描文档， 利用线性光电图像传感器来捕捉RGB 三色， 影像通过镜头，然后再呈现到线性光电图像传感器上，光源和线形光电图像传感器在扫描过程中相对静止， 扫描平台移动,且在移动中同步完成曝光操作。采用线性扫描的方式，在颜色失真，亮度失真，反光问题等方面可以做到很小。最高物理光学分辨率可达到2200 dp（i Dots per inch 每英寸范围内像素点数量）。
但是，由于扫描平台的尺寸原因，且实际扫描范围与分辨率会相互制约。 对于大幅面油画的高保真数据采集会受到限制。 目前此类扫描仪平台最大幅面为 150 cm × 250 cm。 由于该类设备拆卸难度较大、可移动性较低，一般需要将油画搬运至设备所在位置进行数据采集。
在文博领域对于书画类数据采集一般采用数码相机高保真拍摄或者平面扫描的方式进行， 但是由于大幅面平面扫描设备价格较为昂贵， 且扫描平台尺寸有限， 对于大尺幅的油画采集采用数码相机高保真拍摄方式会具有一定优势。但是，与拍摄采集技术一样， 平面扫描的方式获取的数据为二维图像数据，同样不能满足油画立体打印的需求。
（3）三维扫描仪或近景摄影测量方式进行三维数据采集技术
三维数据的获取在技术原理上不同于拍摄和平面扫描， 主要是通过利用特殊的技术获取物体表面数据并通过算法转换为物体对应的空间坐标， 其数据一般是一定数量的点的集合，称之为点云数据。随着市场上三维采集技术、3D打印技术、 虚拟现实技术的逐渐成熟， 近几年国内外博物馆在三维采集技术的应用也较为广泛。意大利 Gabriele guidi 等运用变频激光实现多纳泰罗的大卫像三维建模， 英国大英博物馆曾利用CT扫描仪对馆藏 120 具木乃伊层层进行了三维扫描，并结合虚拟技术，使研究人员能够层层剥离木乃伊，分析骨盆和牙齿。 在国内，中国国家博物馆、故宫博物院，首都博物馆，上海博物馆，广东省博物馆等众多博物馆均利用三维技术对馆藏文物进行三维数字化，并推出小程序或 APP 如“云端国博”“故宫多宝阁”等进行文物三维数据展示。
上述案例中，更多的是对遗址类、器物类采用三维数据采集技术，书画类作品由于属于平面类，进行三维数据采集的情况较少。 但是由于油画的绘画材料和绘画方式使得油画表面具有高低不平的笔触信息，有一定的凹凸感，同时油画框的制作工艺较为精美， 也有采用三维采集技术对油画作品进行三维数据采集。 但是，经实践研究，采用此种方法进行油画三维数据采集， 所得到的数据格式不能直接用于UV喷墨立体打印，需要进行格式转换，目前尚未有十分成熟的算法进行数据转换， 还需要进行进一步的研究和实验。
（4）多光谱成像方式采集技术
目前， 虽然采用数码拍摄和高精度平面扫描的方式已经能够成功实现油画色彩信息的高度还原，但是由于同色异谱的本质特性， 在不同的观察条件下和场景下， 采集所得到的颜色信息不能够高精度匹配，为减弱或消除同色异普色带来的负面影响，采用多光谱采集技术， 利用用光谱反射率而非色度值进行颜色信息的采集、处理、传输与再现，属于一种无条件配色的范畴， 从根本上保证了颜色数据处理与传输再现的唯一性。 多光谱成像数据采集可以最全面、最准确的保存油画颜色信息，对于颜色的复制具有重要的应用意义， 主要技术采集流程如图1 所示。英国国家美术馆、美国孟塞尔颜色科学实验室以及芬兰约恩苏大学等利用多光谱图像数据采集设备对多件艺术品原稿进行多光谱数据采集， 实现艺术原稿的高保真数字再现。但是与拍摄采集方式类似，利用多光谱技术采集所得到的油画的影像数据，不支持油画的立体喷墨打印需求。