數(shù)字化技術(shù)在西沙群島出水石雕文物中的應(yīng)用

包春磊

數(shù)字化信息技術(shù)近年來快速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)（3D）就是其中之一，它采集數(shù)據(jù)速度快、無接觸、精確度高，高清的幾何紋理信息以數(shù)字的形式存儲(chǔ)或構(gòu)建三維模型，在文物保護(hù)、修復(fù)及科研中備受青睞。三維激光掃描技術(shù)可逼真還原文物的現(xiàn)狀信息，重建高保真可量測的三維模型，數(shù)字化永久存檔，為將來實(shí)施具體的文物保護(hù)工作提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)加工，還可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬修復(fù)，記錄不同修復(fù)階段重要的文物修復(fù)信息數(shù)據(jù)，評價(jià)修復(fù)效果，并進(jìn)行文物的虛擬展示等。

海南省博物館收藏有一批西沙群島“珊瑚島Ⅰ號”沉船遺址水下考古發(fā)掘的石雕文物，這些文物具有典型的中國傳統(tǒng)風(fēng)格，如“八仙過海”傳說石雕人像、獅頂方柱、龍柱、石磨等，雕刻手法嫻熟，圖案精美細(xì)膩，從石材選材、雕刻技法、造型風(fēng)格、題材內(nèi)容來看，可能是清代福建惠安工匠所生產(chǎn)，應(yīng)是當(dāng)時(shí)移居?xùn)|南亞的華僑運(yùn)往海外修建寺廟宗祠或其他大型建筑物所用的材料。

這批文物在海洋中浸泡數(shù)百年，表面覆蓋了一層厚厚的白色沉積物，還有海洋生物貝殼殘?bào)w粘附其上，部分遮蓋了文物表面紋飾圖案，有些文物斷裂成幾截，給保護(hù)修復(fù)帶來了挑戰(zhàn)。為保存文物的原始信息，給將來的保護(hù)修復(fù)提供依據(jù)，又可以向觀眾展示文物三維立體形貌，我們對這批石雕文物進(jìn)行了三維激光掃描數(shù)字化保護(hù)，通過近景攝影測量及3D數(shù)字建模技術(shù)，制作文物三維交互，通過互聯(lián)網(wǎng)在電腦、移動(dòng)設(shè)備等多種場合、終端上進(jìn)行文物的展示、研究、教育，觀眾可以面對面、接觸式、無限制地瀏覽欣賞文物，了解這批文物背后的歷史故事，“讓文物活起來”。

三維數(shù)據(jù)采集

我們利用三維激光掃描儀對石雕文物進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形態(tài)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，以獲取其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)信息。為保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完整性，采集前需對儀器架設(shè)點(diǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃，按照雕像擺放位置進(jìn)行站點(diǎn)布設(shè)。每一豎立雕像布設(shè)8個(gè)站點(diǎn)，頂部、底部各4站；平鋪于地面的雕像布設(shè)站點(diǎn)數(shù)量約為24站，分正反兩面采集，各12站。因掃描數(shù)據(jù)為多站點(diǎn)拼接，為保證后期數(shù)據(jù)正確拼接，需對掃描區(qū)域周圍進(jìn)行靶球定位，標(biāo)靶球擺放時(shí)應(yīng)保證靶球的穩(wěn)固性，其次要求相鄰兩個(gè)架設(shè)點(diǎn)能同時(shí)觀看到4個(gè)或4個(gè)以上的靶球，且每個(gè)球體觀看范圍應(yīng)大于二分之一，所有標(biāo)靶球擺放不應(yīng)在同一直線。

以上步驟全部準(zhǔn)備完畢后，就開始進(jìn)行儀器組裝、架設(shè)，根據(jù)前期站點(diǎn)規(guī)劃，單個(gè)豎立雕像分為上下兩層掃描，上層為頭頂周圍一圈，掃描高度高于頂部20厘米左右，下層為底座周圍一圈，掃描高度離地面20厘米左右。多個(gè)擺放在一起的石雕，掃描站數(shù)約12站，依據(jù)擺放位置左右各一站，從頭到尾依次采集。

高清紋理影像采集

影像采集主要用高清單反相機(jī)對石雕文物進(jìn)行多角度紋理拍攝，獲取石雕表面顏色信息，為文物信息數(shù)字化保存及后期三維展示提供數(shù)據(jù)支撐。影像采集時(shí)，采用24色色卡進(jìn)行色調(diào)校準(zhǔn)，保證精準(zhǔn)色彩還原。在影像采集前，根據(jù)影像地面分辨率GSD或DPI的要求和攝影距離，選擇合適的鏡頭（定焦）或焦距（變焦），焦距計(jì)算公式：

根據(jù)石雕文物采集環(huán)境、結(jié)構(gòu)及以上計(jì)算公式，選用50mm焦段，像幅5760像素×3840像素，拍攝距離約0.65—0.7m，影像地面分辨率0.063mm。影像采集以單塊船板立面為拍攝單位，采用平行攝影的方式獲取每個(gè)獨(dú)立區(qū)域立面影像信息。相機(jī)正對被攝物體，每個(gè)攝站拍攝一張影像，橫向重疊度約50%，旁向重疊度約30%，基線長度即為第一攝站與第二攝站間的距離。在數(shù)據(jù)采集過程中，為保證影像分辨率，每個(gè)獨(dú)立的區(qū)域面需要分多層拍攝完成，拍攝過程順序?yàn)閺淖笙蛴?，從上至下?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/02/21/qkimagesdazgdazg202007dazg20200708-4-l.jpg"/>

三維交互制作

對三維掃描采集的石雕文物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行加工拼接，得到完整的船板三維素模，用專業(yè)三維軟件將三維素模與高清紋理照片進(jìn)行匹配，形成石雕三維彩色模型，基于此模型數(shù)據(jù)可以制作出三維交互、虛擬復(fù)原等數(shù)字化成果。

石雕文物的原真模型制作通過三維模型構(gòu)造軟件3Dmax和圖像處理軟件Photoshop結(jié)合實(shí)現(xiàn)。將Geomagic預(yù)處理生成的三維素模，導(dǎo)入3Dmax中進(jìn)一步處理，結(jié)合Photoshop處理的紋理貼圖，完成石雕文物的三維原真模型建模工作，文物三維模型幾何精度誤差在±5mm，單塊貼圖分辨率為4096像素×4096像素。

三維交互開發(fā)采用Unity 3D游戲引擎完成。Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓工作人員創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、物體可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型的綜合性游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。將三維模型導(dǎo)入交互空間，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求定制化編制程序腳本，實(shí)現(xiàn)極具真實(shí)感和體驗(yàn)效果的三維可視化展示程序，單件出水文物三維交互數(shù)據(jù)量大小低于500MB。

近年來，我國對海洋文化遺產(chǎn)的關(guān)注程度和保護(hù)力度與日俱增，水下考古技術(shù)突飛猛進(jìn)，一些重要的沉船及船貨文物被發(fā)掘出水，水下文化遺產(chǎn)的保護(hù)與開發(fā)必將受到越來越多的關(guān)注，水下文物因埋藏環(huán)境與陸地大為不同，出水后往往因環(huán)境變化而導(dǎo)致文物受損，三維激光掃描等數(shù)字化技術(shù)為出水文物的保護(hù)與展示開辟了新的方法，在文物數(shù)字化保護(hù)方面有著重要的作用，和目前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、AI技術(shù)一樣將會(huì)受到越來越多的關(guān)注。

致謝：本文得到2019年海南省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)領(lǐng)域）高層次人才項(xiàng)目（項(xiàng)目號2019RC362）基金資助。

（作者為海南省博物館副研究員）