三維掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

劉昭昭

摘 要：中華上下五千年，存留的文化瑰寶、歷史文物數(shù)不勝數(shù)，對于國家和人民來說這都是無價(jià)之寶。但是，受到人為與自然因素的影響，許多文物遭受了不同程度的損毀，對此，必須針對不同文物性質(zhì)采取保護(hù)措施，傳統(tǒng)的文物保護(hù)技術(shù)有許多需要改進(jìn)與創(chuàng)新的地方。本文將對此分析三維掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的運(yùn)用，從三維掃描技術(shù)的基本概念出發(fā)，闡述其用于文物保護(hù)中的優(yōu)勢，并探討實(shí)際運(yùn)用案例，為現(xiàn)代化數(shù)字博物館的建設(shè)夯實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三維掃描技術(shù)；文物保護(hù)；優(yōu)勢；應(yīng)用

歷史文化的積淀為我國創(chuàng)造了無數(shù)的文化財(cái)富，留下了許多獨(dú)一無二的文化遺產(chǎn)。文物具有極高的研究、欣賞以及歷史價(jià)值，代表著我國不同時(shí)代的發(fā)展歷程。文物具有不易接觸、紋理多樣、形狀各異的特點(diǎn)，因此有效獲取文物表面的數(shù)字模型是關(guān)鍵所在。鑒于文物的不易接觸性，同時(shí)無損檢測的高要求性，當(dāng)下，在文物保護(hù)中已經(jīng)運(yùn)用了無人機(jī)、三維掃描技術(shù)、近景攝影測量等信息采集技術(shù)。

1 三維掃描技術(shù)概述

1.1 無人機(jī)技術(shù)

作為科技時(shí)代的產(chǎn)物，無人機(jī)具有動力裝置、導(dǎo)航裝置，在設(shè)置范圍內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)設(shè)置或者遙控實(shí)現(xiàn)自由飛行。20世紀(jì)20年代，無人機(jī)出現(xiàn)，通過跨世紀(jì)的發(fā)展，技術(shù)的創(chuàng)新，無人機(jī)種類繁多。當(dāng)下，大多數(shù)國家都投入了300多種無人機(jī)的使用，無人機(jī)由于結(jié)構(gòu)、功率、重要、控制方法、飛機(jī)重量、使用途徑的不同而分成多種類型，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

1.2 激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)源于上世紀(jì)90年代，是全球定位系統(tǒng)問世之后一個(gè)群信的測繪技術(shù)。相比傳統(tǒng)技術(shù)，激光掃描技術(shù)具備信息獲取迅速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，同時(shí)在信息獲取過程中不會接觸文物，采用高速激光掃描的方法完成測量。該技術(shù)通過極高分辨率以及面積大的優(yōu)勢能夠迅速、準(zhǔn)確的定位文物體表的三維坐標(biāo)，保證空間信息搜集的準(zhǔn)確、迅速，為建立三維模型提供新興技術(shù)支持[1]。

1.3 近景攝影測量

該技術(shù)在測繪文物中得到了廣泛運(yùn)用，其原理在于通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像匹配和圖像處理，自行完成圖像坐標(biāo)區(qū)分，從而完成數(shù)字正交圖像、矢量線圖以及數(shù)字高程模型的構(gòu)建。該技術(shù)對于表面不平整的文物以及不規(guī)則的文物能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)測量，不論是立體的、靜態(tài)的，或者是三維景觀、影像圖都能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)測量。同時(shí)為能夠記錄物體運(yùn)行軌跡，并發(fā)揮數(shù)據(jù)提供的作用。

2 文物保護(hù)中運(yùn)用三維掃描技術(shù)的優(yōu)勢

文物是我國歷史發(fā)展過程中留下的文化遺產(chǎn)，對于現(xiàn)代化社會具有極高的歷史價(jià)值。因?yàn)楸４娌划?dāng)?shù)仍?，文物在代代傳承中受到了不同程度的破壞，甚至?xí)粡?fù)存在，因此，保護(hù)文物迫在眉睫。由于傳統(tǒng)文物保護(hù)措施暴露出來許多不足之處，所以在科技的迅速發(fā)展下，文物保護(hù)投入了三維掃描技術(shù)的運(yùn)用。

2.1 當(dāng)下文物保護(hù)中的不足之處

由于文物大小、規(guī)模、價(jià)值、保存環(huán)境等因素的而不同，需要采用最適合的方法進(jìn)行保護(hù)，避免自然因素、人為因素造成的影響。自然因素即是許多文物受到構(gòu)造、布局的影響，容易受到環(huán)境影響，例如空氣濕度、溫度，太陽直射情況以及空氣中的氣體等因素都會影響文物；人為因素即是在展覽、收藏、修復(fù)期間大量接觸人群，導(dǎo)致一些已經(jīng)收到損害的文物在此受損。對于需要修復(fù)的文物，以往的方法已然無法滿足當(dāng)下的需求，其中也存在許多的不足之處，例如，文物修復(fù)工作量大、耗時(shí)長，尤其是對于復(fù)雜的修復(fù)問題，修復(fù)期間難免會對文物造成二次損壞，再者就是已經(jīng)完成修復(fù)的文物在館藏展示中未得到良好的保護(hù)[2]。

2.2 文物保護(hù)中運(yùn)用三維掃描技術(shù)的優(yōu)勢

社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，科技水平的進(jìn)步，使得三維掃描技術(shù)的運(yùn)用范圍得到全面擴(kuò)充，在保護(hù)文物的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于三維掃描技術(shù)的之上，該技術(shù)的運(yùn)用具有直觀展現(xiàn)文物的優(yōu)勢，主要原因在于該技術(shù)具有精度和點(diǎn)位分布均勻、非接觸測量、迅速掃描等特點(diǎn)。文物保護(hù)過程中，無論應(yīng)用掃描手段，都要以文物受到干預(yù)最小的狀態(tài)下獲取信息為原則，保護(hù)文物的原始狀態(tài)，使得文物壽命得以延長。

2.2.1 在不破壞文物的前提下迅速獲取信息

有效獲取信息是保護(hù)文物的基礎(chǔ)，只有充分了解文物信息才能實(shí)現(xiàn)有效模擬。三維掃描在運(yùn)用過程中不會直接接觸文物，有利于保護(hù)易碎文物以及表面信息易破壞的文物。對于大型文物而言，掃描技術(shù)的優(yōu)勢十分突出，能夠有效完成信息采集工作。例如，有效獲取并重現(xiàn)莫高窟壁畫，該技術(shù)的運(yùn)用有效提高了工作效率，通過完整的保護(hù)了壁畫，并且補(bǔ)充了二維拍攝的不足之處。

2.2.2 對于文物復(fù)制發(fā)揮了巨大的作用

傳統(tǒng)文物復(fù)制都是在實(shí)物的基礎(chǔ)上完成，難免會對文物造成損壞，對于易碎的瓷器文物更甚，極有可能在復(fù)制過程中造成無法挽回的損失。三維掃描技術(shù)無需接觸實(shí)物便能夠采集數(shù)據(jù)，并且搭建數(shù)字模型，最后采用復(fù)制技術(shù)構(gòu)建精度準(zhǔn)確的復(fù)制作品，不僅優(yōu)化了復(fù)制文物的步驟，還減少了對文物的破壞，給文物復(fù)原提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

3 實(shí)際運(yùn)用案例

在秦兵馬俑的保護(hù)中，采用三維掃描技術(shù)中Inspeck實(shí)行兵馬俑頭部掃描，予以文物保護(hù)處理。具體操作過程：掃描采用彩色掃描設(shè)備，促使成像之后的兵馬俑更加逼真。由于彩色掃描折射出來的光源偏向于黃色，同時(shí)對于掃描處理的結(jié)果要求非常高，因此，掃描之前必須對設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新，首先處理自帶光照，避免直接使用。同時(shí)，Inspeck完成一次掃描只能獲取一個(gè)側(cè)面圖像，鑒于頭部掃描后期取像需要三維數(shù)據(jù)，因此在掃描過程中進(jìn)行的反復(fù)掃描（10次），并且頭部上下均掃描1次，側(cè)面完成8次掃描[3]。此外，掃描臨近部位是，選擇了重疊數(shù)據(jù)的運(yùn)用，促使后期取像時(shí)技術(shù)處理更方便。然后，掃描完成后，使用Faps系統(tǒng)進(jìn)行建模處理，刪除其中與頭部無關(guān)的數(shù)據(jù)，通過將建模圖像置入Em系統(tǒng)，便于之后圖像拼湊以及圖像生成。在拼湊過程中，主要整合優(yōu)化兵馬俑的建模數(shù)據(jù)，同時(shí)Em系統(tǒng)用于處理拼接時(shí)，首先要手工在建模上設(shè)置3-6個(gè)標(biāo)注點(diǎn)，通過標(biāo)注點(diǎn)完成最后的拼接處理以及校對工作。

完成頭部掃描后，就要開始圖像掃描生成和采編工作，一般使用Em系統(tǒng)中的兩種方法完成， 其一是Cylindrical，其二是cubic。第一種用于圓柱形文物中，獲得效果甚佳，同時(shí)在上述兵馬俑技術(shù)處理中獲取精準(zhǔn)的信息數(shù)據(jù)，但是難以即是展現(xiàn)兵馬俑頭表紋路，因此，就投入了第二中方法的運(yùn)用，cubic法，不僅能夠精準(zhǔn)、切實(shí)的獲取頭表紋路，還能避免第一種方法的不足之處，精確反映文物的原始面貌，促進(jìn)文物保護(hù)的開展。但是，Em系統(tǒng)在運(yùn)用中也凸顯出了一些問題，即是導(dǎo)出頭部紋路信息時(shí)，不能即是實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)上的保存，需要二次處理才能保證掃描信息的完整性。

4 結(jié)束語

文物保護(hù)中大量運(yùn)用了三維掃描技術(shù)，同時(shí)相關(guān)技術(shù)以及掃描設(shè)備也在不斷的完善更新。由于該技術(shù)具有成本低、操作便捷、精準(zhǔn)度高的特點(diǎn)，對于不規(guī)則、復(fù)雜化的文物進(jìn)行掃描，利用高分辨率的成效特性完整保護(hù)和修復(fù)文物，不僅能夠降低人工成本的投入，還能提高工作效率，促進(jìn)文物保護(hù)事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]劉宏光，王鑫森，高超.三維激光掃描技術(shù)在文物建筑建檔保護(hù)工作中的應(yīng)用探討[J].測繪與空間地理信息，2017（6）：127-129.

[2]孫航衛(wèi).全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用[J].文物鑒定與鑒賞，2018（1）：108-109.

[3]汪建波，孫亦東.手持式三維激光掃描儀在文物保護(hù)中的應(yīng)用[J].江西測繪，2017（1）：47-50.