基于三維數(shù)字化技術(shù)的館藏文物數(shù)字化保護方法研究

摘要：針對館藏文物亟待更完善的數(shù)字化保護方法這一迫切需求，本文以文物保護工作中的原真性原則為出發(fā)點，分析目前常用的館藏文物數(shù)字化方法的優(yōu)劣，提出將結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)和圖像建模技術(shù)相結(jié)合的文物數(shù)字化方法，針對該方法中的技術(shù)難點，使用ICP算法進行模型匹配，并附以實踐證明，該方法具有良好的可行性。

關(guān)鍵詞：館藏文物;原真性;數(shù)字化保護;點云配準(zhǔn)

中圖分類號：G264 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）01-00-03

文物是人類文明的載體，但隨著時間流逝與人類活動的影響，許多文物均遭到不同程度的損壞。2007年，國家文物局在《中國文物年鑒》中指出，“全國有50.66%的館藏文物存在不同程度的腐蝕損害，其中重度及以上腐蝕的館藏文物有230余萬件”[1]。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，博物館所面臨的問題有了更加切實可行的解決思路與方法。

本文以原真性原則為前提，通過分析目前常用的館藏文物數(shù)字化方法，結(jié)合館藏文物的數(shù)字化需求，設(shè)計一套基于三維數(shù)字化技術(shù)的館藏文物數(shù)字化保護方法。

1 文物數(shù)字化保護的原真性原則

1.1 原真性原則的概念

“原真性”一詞最早出現(xiàn)在1964年的《威尼斯憲章》，“將符合歷史原真性的全部信息傳遞下去是我們的職責(zé)”[2]，即尊重文化遺產(chǎn)背后的歷史信息，在保護過程中應(yīng)盡可能地保證歷史信息的真實可信。1994年，《奈良真實性文件》針對東西方文化背景的不同，對原真性原則進行了更進一步的探討與解讀，提出“在實際應(yīng)用中，文化遺產(chǎn)的原真性與當(dāng)?shù)氐臍v史文脈有著緊密的聯(lián)系，因此應(yīng)當(dāng)給予足夠的尊重”[3]，強調(diào)應(yīng)注重結(jié)合原真性與不同區(qū)域的民族文化特征進行解讀。

在開展文物數(shù)字化保護工作時，原真性原則有重要的指導(dǎo)意義。如何在符合原真性原則的前提下開展文物數(shù)字化保護工作，是應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注的內(nèi)容。

1.2 原真性原則的核心要求

隨著人們對文物數(shù)字化保護的認識逐步深入，原真性原則在文物數(shù)字化保護領(lǐng)域的要求更加具體。其中，歷史信息的原真性和文物本身的原真性兩項核心要求起到了重要的指導(dǎo)作用。

1.2.1 歷史信息的原真性

《威尼斯憲章》中提出，“文化遺產(chǎn)不可以從其所見證的歷史和其所產(chǎn)生的環(huán)境中分離出來”。文物并非孤立地存在于世界上，任何文物都包含著其歷史所在地區(qū)的民族特征與地域特征等歷史文化信息。因此，我們在文物數(shù)字化過程中既要還原文物本身的物態(tài)，更要盡可能保留其歷史信息。

1.2.2 文物本身的原真性

“不改變文物原狀”是《中華人民共和國文物保護法》中的最基本原則[4]，保持文物的“原狀”，即保持文物本身的原真性，由此出發(fā)，這一概念又可以細分為形制、材料、結(jié)構(gòu)三方面的原真性。在文物的數(shù)字化過程中，文物本身的原真性原則一般僅要求保留文物的原狀，將文物的樣貌精準(zhǔn)還原在數(shù)字模型上。

1.3 原真性原則在數(shù)字化保護中的指導(dǎo)作用

在進行文物數(shù)字化實踐之前，需要對保護文物歷史信息的原真性有明確的認識，從而更好地將其運用到實踐中。原真性原則在實踐中的指導(dǎo)作用具體體現(xiàn)在以下三點：

1.3.1 對于文物形制的還原

文物與其所在時期的社會文化背景有極為緊密的聯(lián)系，文物本身的形制與紋樣承載了豐富的文化內(nèi)涵與歷史信息，更是研究傳統(tǒng)工藝史的重要佐證。在文物的模型重建過程中，應(yīng)將文物的每個細節(jié)進行真實細致的還原，以保證其在后續(xù)研究應(yīng)用中的價值。

1.3.2 對于文物材料的還原

文物在時間尺度上的歷史信息主要集中體現(xiàn)在其表面的顏色紋理與幾何紋理上。文物見證了它所經(jīng)歷的每個時期的生活方式和社會變遷，文物的材質(zhì)也隨著歲月流逝有不同程度的變化。極具真實感的紋理貼圖既保留了文物表面所包含的歷史信息，同時也記錄了文物最真實的樣貌。

1.3.3 對于文物結(jié)構(gòu)的還原

文物因類型的不同而有不同的結(jié)構(gòu)特征，不僅代表了其所處歷史時期的工藝水平，也側(cè)面體現(xiàn)了其承載的功能。為了盡可能多地保留文物的歷史信息，對文物的數(shù)字化保護不能僅限于對形制與貼圖的還原，還應(yīng)客觀地還原文物本身的結(jié)構(gòu)，建立更完善的文物信息數(shù)據(jù)庫。

2 館藏文物數(shù)字化保護的必要性分析

物質(zhì)生活的豐富使得大眾對歷史文化空間的需求越來越高，這一需求也對文物保護原則提出了新的挑戰(zhàn)，在解決這一問題的過程中，數(shù)字化保護有不可取代的價值。

2.1 館藏文物數(shù)字化保護是時代發(fā)展的必然趨勢

隨著數(shù)字媒介的發(fā)展，我們的日常生活有了極大的改變，為了適應(yīng)數(shù)字化時代，不再拘泥于傳統(tǒng)的密閉空間，館藏文物需要借助數(shù)字技術(shù)進行更加完備的信息保存與傳播。

2.2 館藏文物數(shù)字化保護拉近了人與文物的距離

數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使得人們可以更加輕易地獲取所需的信息，文物背后的歷史信息也不例外。通過數(shù)字化保護工作，可以將館藏文物的價值延伸至博物館外，以數(shù)字化的展示手段為藏品提供全新的展示視角。

2.3 館藏文物數(shù)字化保護有助于文物歷史信息的整合與共享

館藏文物的數(shù)字化保護不僅僅是對文物的數(shù)字模型、材質(zhì)進行還原，更是借助數(shù)字技術(shù)手段，將過去分散在世界各地的文物信息構(gòu)建成文物信息數(shù)據(jù)庫。既有利于文物信息的保存與管理，又便于利用這些文物信息進行后續(xù)的應(yīng)用研究。

目前，傳統(tǒng)的保護方法難以對文物及其歷史信息進行全面的保護，而數(shù)字技術(shù)手段則在館藏文物保護領(lǐng)域有極為廣闊的前景。

3 館藏文物數(shù)字化方法相關(guān)技術(shù)原理與分析

3.1 常用數(shù)字化方法技術(shù)原理簡述

以原真性原則為前提，根據(jù)文物類型與數(shù)字化需求的不同，通常會使用不同的技術(shù)手段來開展文物的數(shù)字化工作。目前已在館藏文物保護領(lǐng)域應(yīng)用較多的技術(shù)手段有以下五種：

第一，結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)，以非接觸式的測量方法，在被測物體的表面投射具有相位信息的光柵條紋，并借助雙目式相機記錄下表面的變形條紋圖像，獲取被測物體表面的點云數(shù)據(jù)信息，利用點云配準(zhǔn)算法，將獲取到的多視角點云數(shù)據(jù)拼接在一起，進而重建被測物體的三維數(shù)字模型[5]。結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)重建模型快、掃描精度高、泛用性強，支持紋理相機模塊擴展，是文物保護領(lǐng)域中的重要技術(shù)之一。

第二，激光三維掃描技術(shù)，利用三角測距法，通過將一束激光從某一角度投射到被測物體的表面，并從另一角度對物體表面的激光光斑進行成像，借助探測器測量并記錄每個光斑點的三維坐標(biāo)信息和反射率信息，進而重建被測物體的三維模型。三維激光掃描技術(shù)的掃描精度較高，但易受環(huán)境因素的影響。為了確保掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通常還需要在被測物體表面粘貼可反射貼片，輔助進行定位與校準(zhǔn)[6]。

第三，圖像建模技術(shù)，這是目前在無人機航測、文物數(shù)字化等領(lǐng)域有突出表現(xiàn)的一項技術(shù)。該技術(shù)使用手機等圖像采集設(shè)備對物體進行多角度拍攝，并對二維圖像集進行處理與計算，獲得被攝物體表面的三維空間信息，生成點云數(shù)據(jù)模型，進而重建被測物體的三維數(shù)字模型[7]。圖像建模技術(shù)對被攝對象的限制較少，有極具真實感的紋理還原。

第四，環(huán)物攝影技術(shù)，泛用性極強，在適宜的拍攝環(huán)境下，將文物置于轉(zhuǎn)臺上勻速轉(zhuǎn)動，同時進行360度環(huán)物拍攝，以二維圖像的形式保存文物的形態(tài)與細節(jié)。該技術(shù)成本低廉、技術(shù)門檻低、對文物的損害極小，適用于文物的輕度展示。

第五，全景攝影技術(shù)，這是一種通過軟件將文物的多角度實拍圖像進行無縫銜接，以實現(xiàn)全景觀賞的技術(shù)手段。相較于傳統(tǒng)的攝影技術(shù)手段，全景攝影可以帶來更廣域的視角與更具沉浸式的觀賞體驗，模擬三維空間的真實感受。

3.2 常用數(shù)字化方法技術(shù)對比分析

環(huán)物攝影技術(shù)與全景攝影技術(shù)以二維形式進行文物數(shù)字化保護，基本滿足了面向大眾的文物展示需求、針對文物的研究應(yīng)用需求，三維數(shù)字模型無疑能更直觀地呈現(xiàn)文物的歷史信息價值。

結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)與激光三維掃描技術(shù)均有良好的模型表現(xiàn)，但兩者通過擴展設(shè)備獲取的紋理信息精度低、色準(zhǔn)差，通常需要重新繪制才能滿足實際需求。圖像建模技術(shù)紋理還原效果優(yōu)秀，但其三維模型細節(jié)模糊，實際效果多依靠紋理貼圖凸顯，需要對模型進行優(yōu)化與調(diào)整。

上述幾種技術(shù)手段在適宜的應(yīng)用前提下，均能完成不同程度的館藏文物數(shù)字化保護工作，但在實際使用過程中，每種方法所達成的效果往往難以滿足實際使用需求。

4 基于三維數(shù)字化技術(shù)的館藏文物數(shù)字化方法

4.1 技術(shù)結(jié)合點分析

針對館藏文物數(shù)字化的原真性原則，本文提出了一種將結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)與圖像建模技術(shù)相結(jié)合的館藏文物數(shù)字化方法。

該方法的技術(shù)難點在于模型對齊，即如何快速且精確地將高精度模型對齊至低精度模型的坐標(biāo)系下。本文運用了點云配準(zhǔn)技術(shù)來進行模型對齊，通過對兩組模型進行點云數(shù)據(jù)提取，再利用點云配準(zhǔn)算法，將高精度模型的點云數(shù)據(jù)變換到低精度模型的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)位置，并重建為三維數(shù)字模型，完成模型對齊。

點云配準(zhǔn)算法是三維掃描技術(shù)中的重要組成部分，目前應(yīng)用最廣的是1992年，貝塞爾和麥凱提出的迭代最近點算法（ICP）。ICP算法以四元數(shù)算法為基礎(chǔ)，基于最小二乘法的最優(yōu)匹配方法，重復(fù)進行“確定對應(yīng)點集——計算最優(yōu)剛體變換”的過程，直到某個表示正確匹配的收斂準(zhǔn)則得到了滿足[8]。經(jīng)實踐證明，ICP算法實用性強，常作為基礎(chǔ)算法進行二次開發(fā)，以滿足更精準(zhǔn)的點云配準(zhǔn)需求。

點云配準(zhǔn)過程通常分為粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)兩個階段。通過對兩組點云數(shù)據(jù)的初始位置進行調(diào)整，完成粗配準(zhǔn)，再以ICP算法進行兩組點云數(shù)據(jù)的四元數(shù)坐標(biāo)變換，完成精配準(zhǔn)。

4.2 基于三維數(shù)字化技術(shù)的館藏文物數(shù)字化方法的價值體現(xiàn)

圖1的“福祿壽三星銀鎖”表面有麒麟、青蛙、鯉魚花卉等凹凸圖案，紋樣繁復(fù)，有極高的工藝水平，其表面長期與空氣、水分接觸，呈現(xiàn)出自然氧化的光澤與肌理效果。在其三維數(shù)字化過程中，既要保留精細繁復(fù)的鏨花工藝造型，又要保留自然形成的氧化肌理。

第一，結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)為完整記錄“福祿壽三星銀鎖”的形制信息提供了模型基礎(chǔ)。圖2和圖3分別展示了光三維掃描技術(shù)和圖像建模技術(shù)重建的“福祿壽三星銀鎖”三維模型，可以看出，結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)重建的模型，在精度與完整度上均遠勝于圖像建模技術(shù)重建的模型。

第二，點云配準(zhǔn)技術(shù)為結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)與圖像建模技術(shù)的結(jié)合提供了橋梁。借由特征點對齊的方式，將兩組“福祿壽三星銀鎖”三維模型提取出的點云數(shù)據(jù)模型進行粗配準(zhǔn)，再通過ICP算法進行精配準(zhǔn)，完成模型對齊與替換，結(jié)果如圖4。

第三，圖像建模技術(shù)為完美再現(xiàn)“福祿壽三星銀鎖”的材質(zhì)提供了紋理貼圖基礎(chǔ)。借助圖像建模軟件中的紋理映射功能，將二維的紋理信息映射至替換后的模型表面，并自動對紋理交接處進行勻色處理，最終在模型上實現(xiàn)極具真實感的紋理重現(xiàn)，如圖5。

5 結(jié)語

實踐證明，基于三維數(shù)字化技術(shù)的館藏文物數(shù)字化保護方法實現(xiàn)結(jié)果良好，為后續(xù)基于館藏文物數(shù)字模型開展的學(xué)習(xí)研究打下了良好的基礎(chǔ)。三維數(shù)字化技術(shù)的進步使館藏文物的數(shù)字化保護變得更便捷，有效保護了文物的歷史信息，成為當(dāng)今文物保護必不可少的有力手段。

參考文獻：

[1] 國家文物局.中國文物年鑒[M].科學(xué)出版社，2007：76.

[2] 馬炳堅.《威尼斯憲章》與中國古建筑文物保護修繕[J].建筑史，2009（2）：131-138.

[3] 徐雁飛，王磊.論文物建筑保護中的“真實性”——讀《威尼斯憲章》，《奈良真實性文件》和《北京文件》[J].建筑學(xué)報，2011（S1）：85-87.

[4] 高天.中國“不改變文物原狀”理論與實踐初探[J].建筑史，2012（01）：177-184.

[5] 龍璽，鐘約先，李仁舉，等.結(jié)構(gòu)光三維掃描測量的三維拼接技術(shù)[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，42（4）：477-480.

[6] 俞朝暉.面向館藏文物的三維數(shù)據(jù)獲取及可視化研究[D].華南理工大學(xué)，2016：16-18.

[7] 劉鋼，彭群生，鮑虎軍.基于圖像建模技術(shù)研究綜述與展望[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2005，17（1）：18-27.

[8] 戴靜蘭，陳志楊，葉修梓. ICP算法在點云配準(zhǔn)中的應(yīng)用[J].中國圖象圖形學(xué)報，2007，12（03）：517-521.

作者簡介：高寵（1995—），男，山東菏澤人，碩士在讀，研究方向：計算機軟件及計算機應(yīng)用、美術(shù)書法雕塑與攝影。