三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)中應(yīng)用與作用

谷立鵬

摘 要：計算機(jī)信息技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用在各行各業(yè)中。在文物保護(hù)領(lǐng)域計算機(jī)信息技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用，目前計算機(jī)信息技術(shù)中的三維數(shù)字化技術(shù)已成為文物保護(hù)中重要的手段，同時也是文保研究的重要任務(wù)，利用文物三維數(shù)字化技術(shù)可以使文物保護(hù)更加有效。文章主要介紹了文物三維數(shù)字化技術(shù)有哪些，分析了這些技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用與作用。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字化技術(shù);文物保護(hù);應(yīng)用;作用

我國歷史文化源遠(yuǎn)流長，擁有豐富的歷史文化遺產(chǎn)，在自然因素和人為因素的雙重作用下，文物信息面臨逐漸消亡的危機(jī)，而文物蘊含著巨大的社會、文化和科學(xué)價值，故文物保護(hù)成為文物管理研究單位的首要任務(wù)。在文物保護(hù)工作中遇到很多使用傳統(tǒng)手段無法解決的難題，為解決這些難題文物三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)運而生，成為文物保護(hù)的有力手段。文物三維數(shù)字化技術(shù)可以和傳統(tǒng)文物保護(hù)技術(shù)相結(jié)合完成文物修復(fù)、保護(hù)和研究工作。文物三維數(shù)字化技術(shù)包括三維激光掃描技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、3D打印技術(shù)及數(shù)字模擬修復(fù)技術(shù)等，這些技術(shù)的應(yīng)用對于加強(qiáng)文物保護(hù)、研究及利用，充分發(fā)揮文物的價值具有重要意義。

1 文物三維數(shù)字化技術(shù)下的文物保護(hù)

1.1 文物保護(hù)的重要性

我國擁有豐富的文物資源，隨著時間的推移，在自然因素和人為因素的雙重作用下，文物勢必會出現(xiàn)一定程度的損壞，這些損壞往往是不可逆的，文物信息一旦丟失將永遠(yuǎn)無法恢復(fù)，其中所蘊含的社會、文化和科學(xué)價值將不復(fù)存在，后人也將無法使用這些具有重要意義的文物信息，所以加強(qiáng)文物保護(hù)是文物工作者的首要任務(wù)，實現(xiàn)文物信息的永續(xù)利用意義重大。

1.2 文物三維數(shù)字化技術(shù)

1.2.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱高清晰測量（High Definition Survey-ing，HDS），它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標(biāo)信息和反射率信息，將各種大實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及點、線、面、體等各種圖鑒數(shù)據(jù)。

掃描過程中對物體全方位連續(xù)掃描，就能得到被測物體密集的三維散點數(shù)據(jù)，即為點云數(shù)據(jù)。圖1為云岡石窟第9、10窟點云數(shù)據(jù)。得到點云數(shù)據(jù)后經(jīng)過計算機(jī)建模得到被掃描物體的三維模型，進(jìn)而可以對模型進(jìn)行操作得到被掃描物體的幾何信息。

依據(jù)承載平臺的不同可劃分為：機(jī)載型激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、手持型激光掃描系統(tǒng)。

1.2.2 近景攝影測量技術(shù)

近景攝影測量是借助于人眼的雙眼視差，通過拍攝不同位置的物體照片，利用后方交會—前方交會法求區(qū)內(nèi)外方位元素，并解析計算出像點在實際位置的地面坐標(biāo)，進(jìn)而解析出被測物體的三維模型。

1.2.3 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)包括FDM熔融層積成型技術(shù)和SLA立體平版打印技術(shù)，在文物復(fù)制中主要應(yīng)用的是SLA立體平版打印技術(shù)。在文物復(fù)制過程中，首先是使用三維數(shù)字化技術(shù)對文物進(jìn)行三維數(shù)字掃描，使用工業(yè)級的SLA高精度3D打印機(jī)將文物的三維信息輸出以達(dá)到文物復(fù)制的目的。3D打印機(jī)可以精確到0.001微米，從而能夠精確復(fù)制出與文物一模一樣的復(fù)制品，將文物的幾何信息表現(xiàn)出來。圖2-3為云岡石窟第3窟3D打印復(fù)制品。

1.3 文物三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)中優(yōu)勢

文物三維數(shù)字化技術(shù)之所以在文物保護(hù)領(lǐng)域廣泛使用，與其技術(shù)優(yōu)勢有很大關(guān)系，總結(jié)起來有以下優(yōu)勢。

1.3.1 精度高

使用三維激光掃描技術(shù)獲得的點云數(shù)據(jù)的單點精度能夠達(dá)到毫米級，有的甚至可以達(dá)到亞毫米級。

1.3.2 非接觸

無論是近景攝影測量技術(shù)還是三維激光掃描技術(shù)，均不與被測物體接觸，這樣就可以最大程度減少對文物的破壞，保證被測文物的安全。

1.3.3 自動化程度高

三維激光掃描技術(shù)可以連續(xù)對設(shè)定區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行掃描，期間不需要人為干預(yù)。近景攝影測量技術(shù)通過采集到的數(shù)據(jù)可以通過計算機(jī)程序自動生成文物模型。

1.3.4 對環(huán)境要求低

三維數(shù)字化技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，可以在更加惡劣環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)工作。

1.3.5 工作效率高

三維數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)手工測繪技術(shù)相比測繪效率可以提高5倍以上。

1.3.6 采集范圍廣

三維數(shù)字化技術(shù)掃描范圍廣，最大掃描范圍可達(dá)5000米以上。

2 三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

2.1 文物三維信息的采集與儲存

想要更好地利用文物所蘊藏的價值，最重要的一條就是要將文物的信息保留下來，只有保留下文物的信息才能永久使用文物，但是實體文物湮滅的過程在現(xiàn)有的技術(shù)條件下是不可能停止的，也是不可逆的。使用三維數(shù)字化技術(shù)可以將文物的信息以數(shù)字化的形式永久保存，永續(xù)利用。

以數(shù)字化的形式保存文物信息，首先需要采集文物信息，目前主要使用的三維信息采集技術(shù)有三維激光掃描技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)，使用這兩種技術(shù)可以將現(xiàn)有的文物三維幾何信息以數(shù)字化的形式保存下來，色彩信息可以采用攝影的方式保存下來。

文物信息采集完成后，以GIS平臺的形式存儲，在儲存時可以以質(zhì)地、形狀及年代等條件去進(jìn)行歸類，管理工作人員利用GIS平臺所具備的數(shù)據(jù)管理、展示功能，實現(xiàn)文物信息的自動檢索、管理及展示等，減少了文物保護(hù)人員的工作量，提高了文物保護(hù)質(zhì)量。

2.2 文物復(fù)制

三維數(shù)字化技術(shù)在文物復(fù)制中的應(yīng)用主要是利用文物三維幾何信息使用3D打印技術(shù)制作文物3D打印復(fù)制品。3D打印復(fù)制品有復(fù)制精度高、還原性強(qiáng)的特點。3D打印復(fù)制技術(shù)實現(xiàn)了文物的高精度復(fù)制，特別是實現(xiàn)了大型不可移動文物外出展覽的要求。同時3D打印高精度復(fù)制品可以供游客參觀使用，在一定程度上減少了實體文物在參觀過程中的損壞，使實體文物得到一定程度的保護(hù)。

2.3 文物形變監(jiān)測

三維信息采集技術(shù)具有精度高的特點，可以利用這一特點對文物前后變化做出對比，先后采集不同時期的文物三維信息，然后對比各個不同時期的文物三維信息數(shù)據(jù)，可以得出文物的變化特點。

2.4 文物病害調(diào)查

有些山體上的文物受條件所限無法近距離進(jìn)行巖體病害調(diào)查，遠(yuǎn)距離三維激光掃描儀可以遠(yuǎn)距離高精度采集文物點云數(shù)據(jù)，生成模型，進(jìn)行病害調(diào)查。

2.5 文物圖像的制作

利用三維數(shù)字化技術(shù)可以在計算機(jī)中生成文物模型，利用文物模型可以生成文物的正射影像圖、數(shù)字拓片、任意角度的文物剖圖等圖件，這些圖件是使用傳統(tǒng)技術(shù)手段無法得到的。圖4、圖5為云岡石窟第3窟剖圖、菩薩頭冠數(shù)字拓片。

2.6 文物虛擬修復(fù)

在考古發(fā)掘中會出土大量的殘損文物，這些文物的修復(fù)工作繁重，即使有豐富經(jīng)驗的文物修復(fù)師也不可能一次性將文物拼接修復(fù)完成，需要多次重復(fù)的試驗，這樣就加重了出土文物的磨損，對于大型文物的修復(fù)拼接，人工更是無法完成。使用三維數(shù)字化技術(shù)將文物碎片進(jìn)行掃描獲取模型后，在計算機(jī)中進(jìn)行虛擬拼接修復(fù)，這樣既減少了對文物的磨損，又可以實現(xiàn)大型文物反復(fù)移動拼接，大大提高工作效率。

3 文物三維數(shù)字化技術(shù)對文物保護(hù)的作用

文物三維信息化技術(shù)對文物保護(hù)具有重要意義，具體的主要作用包括三方面：

①相關(guān)人員可以快速檢索到文物三維信息，文物信息是進(jìn)行文物保護(hù)、展示及收藏的首要，如果沒有完整的文物信息，其他的都是多余的，利用三維掃描技術(shù)可以快速且準(zhǔn)確地獲取文物三維數(shù)據(jù)，而這可能是傳統(tǒng)的信息技術(shù)所無法做到的。并且三維掃描技術(shù)中所用到的設(shè)備不會與文物的表面發(fā)生接觸，從而保證了文物的完整性，在最大程度上實現(xiàn)文物保護(hù)作用。

②主要體現(xiàn)在文物復(fù)制方面，傳統(tǒng)的翻模方法無法保證文物的完整性，對文物造成損壞是不可避免的，而運用三維數(shù)字化技術(shù)與3D打印技術(shù)以非接觸式的形式采集到文物信息，然后建立數(shù)字模型，最后形成與原本文物一樣的復(fù)制品，可以簡化文物復(fù)制的程序，最大限度地保護(hù)實體文物。

③體現(xiàn)在文物修復(fù)方面，文物三維信息數(shù)字化技術(shù)可以進(jìn)行文物修復(fù)，在成功獲取三維數(shù)據(jù)信息完成數(shù)字模型后，在原本的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對器物數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬修復(fù)。在開始文物修復(fù)工作前，工作人員可以對復(fù)制后文物的形狀預(yù)覽，查看其是否符合目的，從而更好地制訂文物修復(fù)方案。

總而言之，文物三維數(shù)字化技術(shù)在文物領(lǐng)域的應(yīng)用對文物保護(hù)具有重要意義，在保證文物完整性的情況下，實現(xiàn)文物復(fù)制與文物修復(fù)，并且所形成的文物三維信息對再次文物修復(fù)具有重要的參考價值。在時間的推移中，自然因素與人為因素都會對文物造成一定的損壞，在進(jìn)行文物保護(hù)工作時需要文物原始信息，使再次修復(fù)有據(jù)可依。三維信息數(shù)字化技術(shù)也是與我國的《文物保護(hù)法》的工作方針相符的。

4 結(jié)語

當(dāng)前信息技術(shù)已經(jīng)滲透到社會的各行各業(yè)中，三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)工作中的應(yīng)用是順應(yīng)時代發(fā)展需要的。文物是人類歷史文明的遺產(chǎn)，隨著時間的推移，文物不可避免會受到一定程度的損壞，文物三維信息數(shù)字化技術(shù)有效地解決了文物信息的湮滅問題，成為文物保護(hù)的有力手段，在一定程度上保證了文物信息的完整和永續(xù)利用。

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