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

王飛 義縣文物保護(hù)研究中心

一、文物三維數(shù)字化技術(shù)下的文物保護(hù)

（一）文化遺產(chǎn)保護(hù)的重要性

中國(guó)有著豐富的文化遺產(chǎn)和古老的遺跡資源。在自然因素和人為因素的雙重作用下，文化遺產(chǎn)會(huì)受到一定程度的破壞。這種破壞往往是無(wú)法可逆轉(zhuǎn)的，文化遺產(chǎn)資源是無(wú)法追回的。因而，文化遺產(chǎn)所附屬的歷史、文化、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值等重要組成部分也不再存在了。

文化遺產(chǎn)保護(hù)與合理利用，近年來(lái)已上升為黨和國(guó)家的重大方針政策。加強(qiáng)文化遺產(chǎn)的傳承保護(hù)，對(duì)于一個(gè)擁有五千年歷史文化的大國(guó)來(lái)說(shuō)，意義作用深遠(yuǎn)重大。文化軟實(shí)力作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的精神動(dòng)力、智力支持和思想保證，越來(lái)越成為民族凝聚力和創(chuàng)造力的重要源泉，越來(lái)越成為綜合國(guó)力重要體現(xiàn)?！拔幕泴?shí)力是重要國(guó)力”已列入國(guó)家戰(zhàn)略。

要系統(tǒng)梳理傳統(tǒng)文化資源，讓收藏在博物館的文物、陳列在廣闊大地上的遺產(chǎn)、書(shū)寫(xiě)在古籍里的文字都活起來(lái)，推動(dòng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新性發(fā)展。加強(qiáng)文化遺產(chǎn)價(jià)值挖掘闡釋，服務(wù)當(dāng)代、服務(wù)社會(huì)，已成為整個(gè)社會(huì)的共識(shí)。

（二）文物三維數(shù)字化技術(shù)

基于激光測(cè)距的三維激光掃描技術(shù)，又稱高清測(cè)量。由記錄被測(cè)表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息和反射率信息，可以充分采集各種大型實(shí)體或?qū)嶋H場(chǎng)景的三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到物體的三維模型，如點(diǎn)、線、表面等。在物體的整個(gè)連續(xù)掃描過(guò)程中，物體的各種圖形數(shù)據(jù)可以快速重建和掃描，得到了密集型三維測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)云的大小散射數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)建模得到掃描對(duì)象的三維模型，然后對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)算，得到掃描對(duì)象的信息。近距離攝影測(cè)量基于人眼的雙目視野。通過(guò)拍攝不同位置的物體，通過(guò)切除正交方法計(jì)算該區(qū)域的內(nèi)向和外向性元件，并且分析計(jì)算實(shí)際位置中的圖像點(diǎn)的地面坐標(biāo)，然后進(jìn)行了三維模型分析測(cè)量對(duì)象。3D打印技術(shù)包括FDM融合層壓技術(shù)和SLA立體聲印刷版在文物復(fù)制過(guò)程中的應(yīng)用。首先，3D數(shù)字技術(shù)用于掃描文化遺物，工業(yè)SLA高精度3D打印機(jī)用于輸出3D圖像文化遺物信息，以達(dá)到文化遺物再現(xiàn)的目的。3D打印機(jī)可以準(zhǔn)確地測(cè)量到0.001微米，使其可以將與文化遺物的完全相同的副本復(fù)制并顯示文化遺物的幾何信息。

（三）文化遺產(chǎn)3D數(shù)字技術(shù)優(yōu)勢(shì)

三點(diǎn)激光掃描技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以達(dá)到單毫米級(jí)，也可以達(dá)到亞毫米級(jí)。這是一種短程攝影測(cè)量或三維激光掃描技術(shù)，不與被測(cè)物體接觸，最大限度地減少對(duì)文化財(cái)產(chǎn)的破壞，確保文化財(cái)產(chǎn)的安全。三維激光掃描技術(shù)可以對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，無(wú)須人工操作即可對(duì)區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行掃描。近距離測(cè)量技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)程序收集數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成文學(xué)模型。三維數(shù)字技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以在惡劣的環(huán)境下工作。與傳統(tǒng)的手工測(cè)量技術(shù)相比，三維數(shù)字化技術(shù)可提高5倍以上，掃描范圍超過(guò)5000米。

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

（一）文化遺產(chǎn)三維信息的收集與存儲(chǔ)

要使文化遺產(chǎn)的價(jià)值更受歡迎，最重要的是保存文化遺產(chǎn)的信息。達(dá)到文化遺產(chǎn)的保護(hù)不停止和可逆轉(zhuǎn)，讓利用三維數(shù)字技術(shù)將使文化遺產(chǎn)的信息永久性地存儲(chǔ)在數(shù)字中。為了支持?jǐn)?shù)字形式的文化財(cái)產(chǎn)信息，必須首先收集文化遺產(chǎn)的信息。目前主要的三維信息采集技術(shù)包括三維激光掃描技術(shù)和近程成像技術(shù)。利用這兩種技術(shù)，可以對(duì)文物現(xiàn)有的三維幾何信息進(jìn)行數(shù)字化保存，并通過(guò)照片保存色彩信息。文化遺產(chǎn)信息采集完成后，可以以GIS平臺(tái)、紋理和顏色的形式保存。管理員利用GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理和顯示功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢索，對(duì)文物信息進(jìn)行管理和顯示，減少文物保護(hù)人員的工作量，提高文物保護(hù)質(zhì)量。

（二）文化遺產(chǎn)的復(fù)制

將三維數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于物體再現(xiàn)，采用物體的三維幾何信息和三維打印技術(shù)，制作三維打印輔助書(shū)。3D打印副本具有高精度和高強(qiáng)度。3D打印復(fù)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了文化財(cái)產(chǎn)的高精度復(fù)制，實(shí)現(xiàn)了大型房地產(chǎn)文化資產(chǎn)展示的需求。

（三）文化遺產(chǎn)數(shù)字信息的獲取

隨著三維掃描硬件技術(shù)的發(fā)展，三維掃描儀本身也變得越來(lái)越小。斯坦福大學(xué)遺產(chǎn)保護(hù)項(xiàng)目的三維掃描了著名的10座雕塑，為我們提供了一個(gè)很好的例子，數(shù)字模型會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜。浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的敦煌石窟虛擬漫游數(shù)字掃描復(fù)原系統(tǒng)是我國(guó)著名數(shù)字掃描技術(shù)的代表?？脊艑W(xué)家不移動(dòng)考古遺址，也不破壞考古遺址，通過(guò)對(duì)掃描信息的三維掃描，就可以對(duì)考古遺跡的個(gè)別文化屬性進(jìn)行掃描。這種考古方法最為準(zhǔn)確，為文獻(xiàn)的保護(hù)和修復(fù)提供了完整的考古圖形資料。對(duì)于博物館中的一些文化遺產(chǎn)，我們也可以通過(guò)三維掃描進(jìn)行數(shù)字化和存檔了。

（四）文化遺產(chǎn)的恢復(fù)

材料的數(shù)字復(fù)原技術(shù)是利用定點(diǎn)或非定點(diǎn)三維掃描儀掃描文化遺產(chǎn)，將材料的形狀、材質(zhì)、顏色、材質(zhì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息室，并在室內(nèi)形成個(gè)人電腦模型。模型是三維的，三維掃描儀的精度可以達(dá)到0.001微米。落下的沙子被打碎并掃描到碎片計(jì)算機(jī)上。收藏完成后，文化遺產(chǎn)的碎片和缺失部分可以通過(guò)數(shù)字雕塑軟件進(jìn)行修復(fù)。這不僅節(jié)省了大多數(shù)文物專家的工作，而且避免了文物修復(fù)過(guò)程中文物的二次損壞。目前流行的數(shù)字雕塑軟件有pix0邏輯zbraush和autodask modbox。這使得復(fù)雜的三維造型就像讓孩子們玩泥巴。當(dāng)然，著名的3DMAX也是必不可少的工具。三維掃描儀掃描的數(shù)字信息可以通過(guò)掃描儀軟件轉(zhuǎn)換成多種格式，對(duì)其他雕塑和閱讀軟件也很有用。目前使用的三維數(shù)據(jù)格式有obj、DXF等，這些格式可以用主流的三維軟件打開(kāi)，生成的obj可以導(dǎo)出其他格式到3dmax00，用多邊建模的方法重試路由。建立了最優(yōu)路徑方向模型。如果文化資產(chǎn)遭到破壞，你可以重新整理殘片，創(chuàng)建一個(gè)新的文化財(cái)產(chǎn)模式。將redrivers和重塑模型轉(zhuǎn)換為obj格式，并引入ZBrush或madbox。雕刻工具修剪根模型并雕刻紋理、銘文等重要細(xì)節(jié)。在zbriush雕塑之后，我們將模型引入3max并編輯UV映射坐標(biāo)。接縫可以作為內(nèi)角和文物的親密點(diǎn)，它利用Photoshop等軟件對(duì)文化遺產(chǎn)所需的數(shù)據(jù)和地圖進(jìn)行分析。最后，在對(duì)作品的紋理進(jìn)行處理后，我們將3DMAX紋理烘焙器、光照?qǐng)D和高光澤度圖結(jié)合起來(lái)，通過(guò)先進(jìn)的3DMAX地形繪制技術(shù)，將文化資產(chǎn)、色彩和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，即高清數(shù)字單幅作品。最后利用3DMAX軟件進(jìn)行光學(xué)仿真渲染，并進(jìn)行Vray渲染和虛擬現(xiàn)實(shí)生成，在軟件修復(fù)階段完成文化屬性的生成。這些數(shù)字模型被直接應(yīng)用到動(dòng)畫(huà)、電影和在線互動(dòng)媒體中，讓更多的研究者了解文化屬性的價(jià)值。

（五）文化遺產(chǎn)在再生產(chǎn)中的作用

FDM技術(shù)原理復(fù)雜，傳統(tǒng)的平面印刷是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維全息圖像，三維印刷是根據(jù)成形精度按層計(jì)算的。根據(jù)輪廓按壓三維打印機(jī)的噴嘴，形成輪廓層，形成完整的三維圖像對(duì)象。物體的固體墨水不是傳統(tǒng)的墨水，而是各種材料，如塑料和金屬。SLA固體印刷技術(shù)以光敏樹(shù)脂為原料，根據(jù)各層的信息對(duì)液體光敏樹(shù)脂的表面進(jìn)行處理，掃描區(qū)域中的樹(shù)脂層在掃描后的固化光聚合作用下移動(dòng)，物體的另一層使表面的樹(shù)脂固化。該方法速度快，可實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜形狀物體的自動(dòng)加工，而且精度高?？捎糜趶?fù)雜、高精度工作的高速樣機(jī)的設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)字全息掃描和軟件的數(shù)字恢復(fù)，利用激光固化光敏樹(shù)脂的特性，利用工業(yè)級(jí)SLA高精度立體打印機(jī)打印出文化遺產(chǎn)。激光高點(diǎn)掃描精確到0.00 l微米。獲得了文化遺產(chǎn)的形狀和表面的紋理，印刷了文化財(cái)產(chǎn)的形式，印刷了標(biāo)題句的形式，紋理和顏色與原文化財(cái)產(chǎn)幾乎相同。

（六）文化遺產(chǎn)變形監(jiān)測(cè)

三維信息采集技術(shù)具有較高的精度。對(duì)文化屬性進(jìn)行比較，采集不同時(shí)期的三維信息，比較不同時(shí)期的三維信息數(shù)據(jù)，得出文化屬性的特征。遠(yuǎn)程三維激光掃描儀可以采集文化屬性數(shù)據(jù)，生成模型，進(jìn)行疾病調(diào)查。三維數(shù)字技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)上生成文物模型，可以通過(guò)文物模型生成任意角度的地圖、數(shù)字摩擦圖、零件圖等。這些地圖是用傳統(tǒng)的技術(shù)無(wú)法獲得的，而且可做到對(duì)考古發(fā)掘出來(lái)的文物，完成技術(shù)層面圖紙上的文化遺產(chǎn)的縫合和修復(fù)。避免了人為反復(fù)實(shí)驗(yàn)的磨蝕力度。即使是有經(jīng)驗(yàn)的人，大量的文化遺產(chǎn)，都實(shí)現(xiàn)手工完成縫合和恢復(fù)是不可能的。利用三維數(shù)字化技術(shù)，可以將掃描的碎片和執(zhí)行虛擬縫合的物體，呈現(xiàn)在你的電腦中。體量巨大的文化遺產(chǎn)文物，在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)復(fù)制和再生，其意義和作用是重大的。

三、文物三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)文物保護(hù)的作用

相關(guān)人員可以快速檢索到文物的三維信息，其中文物信息是第一位的。傳統(tǒng)的文物信息技術(shù)缺乏，如果沒(méi)有完整的文物信息，煩瑣麻煩就太多了。三維掃描技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地獲取三維圖像數(shù)據(jù)。設(shè)備中采用的三維掃描技術(shù)不接觸工件表面，從而保證了工件的質(zhì)量。傳統(tǒng)的造型方法無(wú)法保證文物的完整性，這對(duì)于文物完整傳承來(lái)說(shuō)是缺失和遺憾的。利用三維數(shù)字技術(shù)和三維打印技術(shù)，以非接觸的形式采集文物信息，然后建立數(shù)字模型，最后形成一個(gè)拷貝作為原始對(duì)象，簡(jiǎn)化了文物的制作，最大限度地體現(xiàn)了文物的實(shí)體性，體現(xiàn)了文物內(nèi)涵的完整豐富性。三維數(shù)據(jù)信息采集成功后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，可對(duì)文物再培育復(fù)制和再生，對(duì)復(fù)制文物的形態(tài)進(jìn)行預(yù)覽。

四、結(jié)束語(yǔ)

由上可知，當(dāng)前信息技術(shù)已被滲入到我國(guó)各個(gè)行業(yè)中，三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)工作中的應(yīng)用是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)。文物是歷史文明所遺留下來(lái)的寶貴遺產(chǎn)，時(shí)間的不斷推進(jìn)使得文物容易出現(xiàn)一定的損害，而文物三維信息數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，是能夠確保文物長(zhǎng)久傳承的技術(shù)手段。