基于三維攝影技術(shù)的文物遺產(chǎn)信息化建設(shè)研究

摘 要：利用三維攝影技術(shù)建立文物立體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對文物進(jìn)行統(tǒng)一的信息化管理和應(yīng)用，全面實現(xiàn)文物資源的采集、分析、交流等多項功能，將文物的保護(hù)水平提升到了一個新的高度，實現(xiàn)文物數(shù)據(jù)查詢公開化、文物文化交流國際化，豐富人民群眾精神生活、傳播歷史聲音，具有一定的歷史意義和社會經(jīng)濟(jì)價值。

關(guān)鍵詞：三維攝影；信息化；文物保護(hù)

在科技高速發(fā)展的現(xiàn)代，隨著生活水平日益升高，人們越來越重視對文物遺產(chǎn)知識的學(xué)習(xí)，熱愛和保護(hù)文物意識逐漸加強(qiáng)。黨的十八大報告中提出2020 年全面建成小康社會要求“信息化水平大幅提升”，“信息化”在以前所未有的速度發(fā)展，且已經(jīng)突破了技術(shù)手段本身，并延伸之文物保護(hù)領(lǐng)域，文物信息化也開始相關(guān)的實踐和探索并穩(wěn)步前進(jìn)。國家文物局官方網(wǎng)站近日發(fā)布了由國家文物局、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、財政部共同編制的《“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明”三年行動計劃》政策。

湖北省具有深厚的歷史積淀，文物資源十分豐富，第三次全國文物普查各類不可移動文物點36473處、各級博物館197座、館藏文物和標(biāo)本178萬余套，為我國的文物強(qiáng)省。我省的文物信息化建設(shè)工作雖然有初期成果，但仍處于起步階段，2017年文物局為貫徹落實國家文物信息化《“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明”三年行動計劃》工作，相關(guān)單位加強(qiáng)了與相關(guān)高校、企業(yè)合作，利用現(xiàn)代科技手段全面提高文物信息化水平，為推進(jìn)湖北文物強(qiáng)省做出新的努力。2016年中國湖北咸豐縣政府采納湖北第二師范學(xué)院官彬同志的《咸豐唐崖土司遺址保護(hù)改進(jìn)策略》，并組織專家對唐崖土司進(jìn)行三維虛擬建模政策研究。本文結(jié)合湖北省咸豐縣唐崖土司文物資源信息化建設(shè)的實際狀況以及未來文物信息化發(fā)展趨勢，詳細(xì)描述三維攝影在文物信息化建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢和方案，增強(qiáng)全社會對三維攝影在文物信息化建設(shè)領(lǐng)域的認(rèn)知，從而將文物信息化建設(shè)提升到一個新的高度，具有一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

一、文物遺產(chǎn)信息化保護(hù)在國內(nèi)外進(jìn)展

文物信息化保護(hù)在國外發(fā)達(dá)國家早已經(jīng)開始，1986年法國美術(shù)聯(lián)盟利用數(shù)字化技術(shù)采集了50多萬幅美術(shù)文物，并且對盧浮宮進(jìn)行了數(shù)字虛擬重建，實現(xiàn)了盧浮宮里12萬個館藏文物互聯(lián)網(wǎng)再現(xiàn)；20世紀(jì)末，日本對鐮倉時期的大佛進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，對大佛進(jìn)行了虛擬修復(fù)和重建；美國IBM東京研究所與日本名族學(xué)博物館制定了著名的“全球數(shù)字博物館計劃”。與國外一樣，國內(nèi)文物保護(hù)工作也隨著科技的進(jìn)步逐步發(fā)展起來，2000年，北京故宮博物館采用三維成像技術(shù)實現(xiàn)了“數(shù)字故宮”；山東大學(xué)數(shù)字博物館，對5000多件文物進(jìn)行了三維信息化采集。

二、文物遺產(chǎn)三維信息化建設(shè)的方法

文物信息化建設(shè)是指綜合運(yùn)用三維采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等信息化手段建立起來的文物數(shù)據(jù)檔案，實現(xiàn)對文物的信息化保存、顯現(xiàn)、查詢、交流、分析、管理等等文物信息化工程。文物信息化建設(shè)應(yīng)以政府為主導(dǎo)，制定統(tǒng)一的文物信息采集、采集記錄、文字描述等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并以各縣、市、省博物館為基礎(chǔ)單位，建立統(tǒng)一的文物信息檢索系統(tǒng)，讓每一個文物都有詳細(xì)的“身份證書”；針對不能移動的大型文物，還需要建立文物的電子地址坐標(biāo)地圖。

其中三維信息采集是建立文物三維信息化中的重點工作。三維模型不僅能夠確切的記錄文物的全方位信息，并且以其逼真的效果能夠極好的對文物進(jìn)行宣傳，并滿足各個層面人民對文物的賞析、分析、保護(hù)交流工作，使之成為各個文物管理部門和社會大眾對文物知識了解的綜合平臺。譬如，中國貴州省已經(jīng)建立了大型三維文物空間數(shù)據(jù)庫，并成為了貴州省文物管理、宣傳、保護(hù)工作重要的組成部分；因此，文物遺存三維信息化的采集是建設(shè)文物遺產(chǎn)信息化的基礎(chǔ)工作，其主要方法有以下幾種：

（一）利用三維軟件對文物進(jìn)行人工建模

利用3DMAX、MAYA等三維建模軟件對文物進(jìn)行三維建模，在利用高清數(shù)碼相機(jī)對文物表面進(jìn)行紋理貼圖，其工作步驟復(fù)雜，對工作人員專業(yè)素質(zhì)要求較高，并且不能完成1：1的還原文物本身，存在誤差，在文物建模中運(yùn)用較少。

（二）利用序列影像技術(shù)對文物進(jìn)行三維模型

基于文物二維圖像對文物進(jìn)行快速三維重建，其方法操作簡單，不受空間和時間的影響、成本低，自動化程度高、效率快，但是數(shù)字化完成的文物三維模型數(shù)據(jù)獲取不完整，文物信息缺失較為嚴(yán)重，完成不能夠滿足文物三維重建的要求。

（三）利用激光掃描實現(xiàn)的文物三維重建

激光掃描技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)代已經(jīng)非常先進(jìn)，通過激光掃描儀建立出來的文物模型精準(zhǔn)度較高，且工作效率快。但是，激光掃描工作原理是利用激光在文物表面進(jìn)行接觸來獲取三維數(shù)據(jù)，直接的光接觸對文物本身是存在傷害的；并且激光掃描儀對文物深色部分或者高反光部分有一定的掃描障礙，需要在這些部分涂上顯影粉后再進(jìn)行激光掃描，顯影粉對文物將會造成直接的污染傷害；尤其在掃描一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的文物時，需要在文物表面直接添加人工標(biāo)志點，對文物也是極大的直接傷害，這些步驟在文物三維建模中都是不允許的。

（四）利用三維攝影技術(shù)完成文物三維重建

三維攝影是基于Photoscanshop計算機(jī)軟件技術(shù)、攝影相結(jié)合的三維建模系統(tǒng)，前期利用攝影方法全方位拍攝文物圖片數(shù)據(jù)，后期利用軟件自動化合成，具有速度快、成本低、精度高特點，采集技術(shù)遠(yuǎn)高于激光掃描。

三、三維攝影在文物信息化建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢

三維攝影是利用最少干預(yù)手段，高速準(zhǔn)確的對文物進(jìn)行數(shù)據(jù)三維可視化采集，直觀呈現(xiàn)文物三維特征。其主要優(yōu)勢如下：

（一）文物三維數(shù)據(jù)化快速采集

人們可以隨時利用手中數(shù)字影像設(shè)備對文物進(jìn)行資料采集，并將采集的數(shù)據(jù)利用軟件進(jìn)行自動化三維拼接，隨意將平面圖片資料轉(zhuǎn)換成三維數(shù)字信息，而不像以前需要用專業(yè)的攝影設(shè)備、攝影人員和三維軟件進(jìn)行圖片三維拼接制作，減少了很多步驟、程序和設(shè)備，基本可以隨心所欲的實現(xiàn)文物三維展示。

（二）文物資源整體性展示

現(xiàn)在大多數(shù)文物信息化展示基本以單獨(dú)圖片、文字記錄為主，此類信息展示不僅不完整，且大量的高質(zhì)量圖片耗費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，翻閱起來費(fèi)時費(fèi)力。三維攝影完成的文物三維數(shù)字化展示，能全方位的展示文物的完整細(xì)節(jié)，并且可以將文物置身于原始的環(huán)境，重造“體驗式文物”展示，讓觀眾在虛擬的三維空間中，真正感受文物的整體效果，設(shè)身處地的了解文物的歷史功能，達(dá)到以往信息化展示不能達(dá)到的展示和保真效果，充分發(fā)揮這些彌足珍貴文物的歷史教育作用。

（三）文物虛擬修復(fù)和重現(xiàn)

文物是歷史長河留給人們的一筆寶貴的財富，但是由于歷史發(fā)展的過程中自然風(fēng)化的侵蝕、事故火災(zāi)、人為的原因，使得很多文物受到不可逆轉(zhuǎn)的損壞，無法還原文物本來的原貌。利用三維攝影的方式，將文物現(xiàn)存的三維數(shù)據(jù)錄入電腦，再進(jìn)一步對文物損壞部分進(jìn)行虛擬重建，讓觀者通過電子屏幕感受文物昔日的輝煌，并且如果重建過程中出現(xiàn)錯誤，能隨時更改糾正，避免了因為資料不足帶來的錯誤重建。

（四）零損傷的開發(fā)文物的歷史經(jīng)濟(jì)價值

文物信息化的保護(hù)與開發(fā)往往處于矛盾之中，傳統(tǒng)的激光掃描方式提取文物三維數(shù)據(jù)，或多或少的對文物都會產(chǎn)生光污染，隨著非接觸式三維數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的發(fā)展，這一難題日益將解開。三維攝影以最小損害的方式建立文物立體數(shù)字化展示，可以在對文物零損傷的狀態(tài)下，大力開發(fā)文物的文化價值和經(jīng)濟(jì)價值。三維攝影技術(shù)不僅有利于其保護(hù)傳承，而且有利于立體、浸入式、完整性的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)鏈的開發(fā)，形成相對應(yīng)的3D電影、數(shù)字博物館、動漫、游戲等文化產(chǎn)業(yè)，推動文物文化事業(yè)的發(fā)展，將文物保護(hù)力轉(zhuǎn)化為文化生產(chǎn)力，產(chǎn)生一定的文化經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步調(diào)動廣大民眾對文物傳承和保護(hù)的積極性。

利用三維攝影技術(shù)建立的文物立體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對文物進(jìn)行統(tǒng)一的信息化管理和應(yīng)用，全面實現(xiàn)文物資源的采集、分析、交流等多項功能，將文物的保護(hù)水平提升到了一個新的高度，實現(xiàn)文物數(shù)據(jù)查詢公開化、文物文化交流國際化，豐富人民群眾精神生活、傳播歷史聲音，具有一定的歷史意義和社會經(jīng)濟(jì)價值。

四、文物三維信息化方案

（一）數(shù)據(jù)獲取

文物從外觀形狀上大致可分為規(guī)則文物和不規(guī)則文物，規(guī)則文物表面數(shù)據(jù)的獲取相對容易，主要在于文物主體的光線，不能用均勻的光線，均勻光線下的規(guī)則文物出來的圖片信息內(nèi)容相同，軟件無法識別機(jī)位，所以盡量使用45°光線對文物打光，這樣可以提高后期電腦軟件的機(jī)位辨析度，否則容易形成軟件錯誤的單一機(jī)位定位（如圖一）。不規(guī)則文物表面信息的獲取較為困難，尤其是文物表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、出現(xiàn)病害、顏色較深的情況下，為了精準(zhǔn)的獲得文物的表面信息，需要精確設(shè)定好機(jī)位，機(jī)位的分布要根據(jù)文物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行均勻的變化，保持在同一坐標(biāo)系上，然后在統(tǒng)一的時間、色溫、技術(shù)參數(shù)的要求下，對文物進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。其數(shù)據(jù)捕捉的過程分為三步：

（圖一）

1.前期準(zhǔn)備工作

首先現(xiàn)場對文物進(jìn)行布光，確定光源位置后，再調(diào)整光源色溫，將光源色溫穩(wěn)定在4500K左右，然后確定拍攝位置和軌跡，保證每張照片最少有20%的重疊。

2.拍攝工作

拍攝時照片的清晰度是關(guān)鍵，為了保證焦點清晰，需要用三腳架或者拍攝軌道進(jìn)行穩(wěn)定拍攝，盡量避免手持相機(jī)拍攝。拍攝時應(yīng)該保持相機(jī)在計算機(jī)的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用計算機(jī)屏幕能更好的觀察拍攝出來的實際效果，便于及時的調(diào)整拍攝現(xiàn)場條件。

3.照片選擇

由于拍攝的時候，相機(jī)的自然抖動和人為因素，都會照成拍攝照片重復(fù)和缺失，這些都會造成后期三維成型的障礙，因此需要對照片進(jìn)行查漏補(bǔ)缺的篩選。

（二）數(shù)據(jù)調(diào)整

由于色溫、曝光、拍攝不穩(wěn)定的因素，相機(jī)拍攝出來的圖像都需要進(jìn)行嚴(yán)格的色彩管理和大小調(diào)整，利用專業(yè)的色彩管理系統(tǒng)，做到每張照片的色彩盡量還原，大小尺寸也達(dá)到相應(yīng)的要求，以免影響后期三維合成的效果和速度。

（三）三維建模

三維攝影建立的模型主要是依靠軟件Photoscan軟件自動化完成點云建模、三角網(wǎng)格建模、三維表面建模、三維實體渲染四個步驟，該過程需要統(tǒng)一調(diào)整建模數(shù)據(jù)信息，操作簡便、快速，節(jié)約了人力、物力和時間（圖二）。

（圖二）

（四）文物三維信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計

文物三維信息其精度較高、數(shù)據(jù)量大、在數(shù)據(jù)庫處理過程中，面對如此海量的數(shù)據(jù)處理，很容易造成系統(tǒng)的崩潰，針對如此海量的信息處理，普遍的作法是將這些數(shù)據(jù)利用文件夾分類，完成數(shù)據(jù)庫檢索，并建立索引文件，以便快速的查詢出結(jié)果。

五、文物三維信息化中面臨的問題

三維攝影完成的文物三維信息化建設(shè)，從目前來看主要存在以下幾個問題：①色彩還原，在利用數(shù)碼相機(jī)對文物表面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，由于光線、拍攝角度、拍攝時間和拍攝器材的區(qū)別，拍攝出來的圖片不能完全還原對文物表面的色彩，因此在進(jìn)行三維軟件合成之前，則需要專業(yè)的色彩管理團(tuán)隊完成色彩還原這一步驟。②雖然文物三維信息化可以社會公開化，但并不代表所有的文物信息都可以隨時隨地的共享，應(yīng)該保證部分文物的隱私權(quán)，分階段，分層次，分領(lǐng)域、分地域的公開文物信息，既要保證文物的安全性又要保證文物的社會教育意義。③隨著科技的發(fā)達(dá)，影像信息成為了衍生于實體資源的無形資源，文物的三維信息在傳播和應(yīng)用過程會造成一定的文物信息泄露，對于文物資源的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題需要放在工作的重中之重。④文物三維信息化是歷史發(fā)展的需要，任重道遠(yuǎn)，當(dāng)今對于文物和計（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）算機(jī)知識全面了解的人才頗為稀有，國家教育部門應(yīng)加大專項人才的培養(yǎng)，爭取早日全面實現(xiàn)文物三維信息化。

六、結(jié)語

利用三維攝影提取的文物信息，可以在對文物最小傷害的前提下將文物資源進(jìn)行保護(hù)和開發(fā)，從而解決了歷史文物保護(hù)和開發(fā)之間的主要矛盾，大規(guī)模的利用三維攝影建立文物信息化工程，符合現(xiàn)代黨和國家的文物保護(hù)方針政策，是信息化時代文物保護(hù)和開發(fā)的必然選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]Levoy M， Pulli K，Curless B，et al.The digital michelangelo project： 3Dscanning of large statues[C]. Siggraph 2000. ACM Press，2000.

[2]Fabio B，Stefano B，Giovanna D S.From 3 D reconstruction to virtualreality： A complete methodology for digital archaeological exhibition[J]. Cult Herit，2010.

[3]婁方吉，楊廣斌，王茂洋，劉天財.貴州省文物空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)研究[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（10）.

[4]王兆萍，薛麗.基于復(fù)合系統(tǒng)的信息化與文化產(chǎn)業(yè)互動關(guān)系的實證研究[J].科技管理研究，2010（9）.

[5]李忻悅.信息化技術(shù)在博物館文物保護(hù)中的發(fā)展與應(yīng)用[J].江蘇科技信息，2015（2）.

[6]趙東.數(shù)字化生存下的歷史文化資源保護(hù)與開發(fā)研究[D].山東：山東大學(xué)，2014.

作者簡介：官彬（1981—），女，湖北武漢人，副教授，湖北文化產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究中心研究員，主要研究方向：三維攝影。

基金項目：本文為2014教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項目“《3D高清攝影在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究》項目批準(zhǔn)號：14YJC760014”成果之一。