文物數(shù)字化的技術流程探討
——以瓷碟為例

周 哲 張利成 吳 瑕

北京信息職業(yè)技術學院

文化創(chuàng)意產業(yè)是一種在經濟全球化背景下產生的以創(chuàng)新為核心的文化、經濟和科技相融合的新興產業(yè)，其憑借極強的滲透力和影響力已經成為衡量國家綜合競爭力的重要指標。我國的文化創(chuàng)意產業(yè)開發(fā)起步較晚，2000年“文化創(chuàng)意產業(yè)”一詞才正式被提出，目前文化創(chuàng)意產業(yè)開發(fā)尚處于前期摸索階段。黨的十八大以來，我國文化創(chuàng)意產業(yè)進入高速發(fā)展期，黨的十九大報告明確指出，“加強文物保護利用和文化遺產保護傳承……培育新型文化業(yè)態(tài)”［1］。國家文物局印發(fā)的《國家文物事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，加強文物保護利用，讓收藏在博物館里的文物、陳列在廣闊大地上的遺產、書寫在古籍里的文字都活起來，對于堅定文化自信、增強中華民族凝聚力、滿足人民群眾精神文化需求、促進文明交流互鑒、實現(xiàn)中華民族偉大復興中國夢具有重要意義［2］。

一、國內外情況分析

國內文物數(shù)字化復原工作、數(shù)字博物館建設還處于起步階段，各地博物館近年都紛紛推出相關文創(chuàng)產品，并配合多種類型的線上線下文創(chuàng)店鋪，取得了很好的社會效益和經濟效益。但此類文創(chuàng)產品在設計方面大部分是借助某一形象而非原品的仿復產品，不能準確地表達原文物的精神內涵，如故宮博物院的文創(chuàng)產品“宮梅顧盼”胸針的設計元素提取于宋徽宗趙佶《梅花繡眼圖》中的梅花形象，將該元素圖案設計成胸針?，F(xiàn)階段絕大部分博物館的文創(chuàng)產品都采用了此種設計方式，而原物復原的衍生品相對較少，比較有名的原物仿復產品有臺北故宮博物院的“翠玉白菜”系列、河北博物館的長信宮燈仿制品及三星堆博物館的一些產品。以三星堆博物館為例，其文創(chuàng)產品的典藏仿復品約占總文創(chuàng)產品的10%，產品主要為不同尺寸的博物館著名展品的仿復品，如青銅面具、銅鷹鈴等，因用途有限且價格相對昂貴，大眾的接受程度并不高。

國外的博物館文創(chuàng)產品開發(fā)早在20世紀下半葉就已初具雛形，20世紀末，英國頒布了《博物館倫理規(guī)范》，對當代博物館發(fā)展運營的各個方面進行了分析和審視，并提出指導性建議，以提升博物館服務體驗和品質。以大英博物館為例，選擇其館藏中最具代表性、知名度高的文物進行全方位的系列化開發(fā)，使消費者的選擇更廣泛，如大英博物館鎮(zhèn)館三寶之一的埃及蓋亞·安德森貓青銅像，以該文物為原型還原了蓋亞·安德森貓坐像上的每一個細節(jié)，并開發(fā)了以抱枕、水杯、帆布袋、玩偶、手機支架為載體的多種文創(chuàng)產品。根據(jù)《2018年天貓博物館文創(chuàng)數(shù)據(jù)報告》顯示，在天貓商城線上博物館人氣排名中，2018年入駐的大英博物館名列第三，僅次于故宮博物院和中國國家博物館［3］。

總體而言，我國博物館對文創(chuàng)產品的開發(fā)設計還處在嘗試摸索階段，設計出的文創(chuàng)產品也是良莠不齊，大多數(shù)博物館文創(chuàng)產品同質化現(xiàn)象普遍，集中體現(xiàn)于文物表象的元素提取，對文物內涵挖掘不足，導致文化傳播停滯在文物形態(tài)層面。如何推出既能完整呈現(xiàn)文物自身特點又物美價廉的文物數(shù)字化仿復產品是一個急需解決的問題，而解決這個問題需要有一套完整可行的文物數(shù)字化流程以便快速、準確、安全地完成文物數(shù)字化工作。

二、文物數(shù)字化技術流程

為了滿足新出土文物的搶救性數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)有文物的保護性數(shù)據(jù)建模修復、數(shù)字博物館建設及相關文創(chuàng)產品開發(fā)設計的需求，提高文物數(shù)字化的效率及準確性，本文基于現(xiàn)有三維掃描技術和3D 逆向建模理論，結合文物的實際特點，提出了一套適合現(xiàn)階段軟硬件的數(shù)字化操作流程，以期能為文物數(shù)字化摸索出一套適合的技術流程，為文物數(shù)字化采集、數(shù)字博物館建設及相關文創(chuàng)產品開發(fā)設計提供基礎。本文以瓷碟的三維數(shù)字化過程為例，說明其操作流程。

第一步：瓷碟三維數(shù)字化模型數(shù)據(jù)采集。

在數(shù)據(jù)采集前，我們發(fā)現(xiàn)瓷碟表面有明顯的反光現(xiàn)象，會對采集產生影響，所以在采集數(shù)據(jù)時要設置合適的曝光值，可以配合二次曝光等方法進行操作。瓷碟碗沿非常薄，在瓷碟內外進行拼接時會出現(xiàn)很大的影響，所以在內外掃描的過程中要選擇合適的方法保證拼接順利進行。根據(jù)瓷碟的大小選擇合適的鏡頭，對掃描儀進行校準，校準完成后將瓷碟平放在掃描儀轉臺中心位置，調整掃描儀角度至合適位置，根據(jù)鏡頭大小制訂掃描策略，確保面以及棱都掃描清晰。具體步驟如下：

（1）連接掃描儀的各個組件，在掃描開始前對掃描儀進行標定，以提高掃描精度。在標定過程中注意保證測量頭處于水平狀態(tài)。將瓷碟放置在轉臺中心位置，保證在轉臺旋轉過程中瓷碟需要掃描的位置一直在屏幕中央。調整掃描儀測量頭的角度，使掃描儀紅點重合在瓷碟待掃描位置。

（2）打開掃描設備的3D 軟件，新建工程選擇“轉臺測量”，設置序列一的掃描幅數(shù)，添加位置后設置掃描參數(shù)。由于瓷碟存在反光的現(xiàn)象，所以在設置曝光參數(shù)時如采集效果不好可以選擇使用二次曝光。采集過程中，需要保證掃描頭周圍環(huán)境穩(wěn)定，不可以有燈光的變化以及人員的走動，在有干擾的情況下進行掃描會導致掃描數(shù)據(jù)出現(xiàn)光柵噪點或者掃描失敗。設置好掃描參數(shù)之后開始采集工作。當瓷碟表面的藍色的光變?yōu)闂l形狀時，表明采集過程正在順利進行。如果周圍環(huán)境出現(xiàn)干擾，則會采集失敗。在第一幅數(shù)據(jù)采集完成后，觀察采集結果，要保證數(shù)據(jù)沒有光柵條紋以及噪點等問題，確認無誤后進行后續(xù)操作。第二幅數(shù)據(jù)掃描完成之后，需要和第一幅數(shù)據(jù)進行手動拼接，拼接誤差合格并且無分層后繼續(xù)，后續(xù)將根據(jù)特征進行自動拼接。序列一掃描完成后觀察模型采集結果，對模型周圍的無用數(shù)據(jù)進行刪除。使用“框選命令”，拖動鼠標左鍵選中需要刪除的數(shù)據(jù)，點擊綠色對勾完成選擇，被選中的數(shù)據(jù)會變成紅色，刪除選中數(shù)據(jù)。對于細小雜點使用“選擇碎片”功能進行刪除，模型體外的雜點將被選中，在“3D 視圖”下刪除選中的碎片數(shù)據(jù)，檢查已采集數(shù)據(jù)有無問題，數(shù)據(jù)檢查無誤后進行序列二的采集，調整測量頭角度，由于碗沿突出，會對瓷碟產生遮擋，所以對掃描儀測量頭進行角度偏轉，使紅點重合在接下來瓷碟要進行采集的位置，重復上述操作使用轉臺測量指令完成序列二的掃描。序列二采集完成后自動彈出與序列一的拼接界面，選擇公共特征進行拼接。

（3）翻轉瓷碟，使用“轉臺測量”命令，對瓷碟反面?zhèn)壤夂蛢缺谶M行掃描。調整掃描儀角度，對瓷碟外表面進行掃描。第一幅數(shù)據(jù)掃描完成后，對掃描的多余平面數(shù)據(jù)進行刪除，重新選擇平面。之后轉臺自動按照設置好的角度進行旋轉，第二幅數(shù)據(jù)掃描完成后，自動彈出拼接界面，選擇公共點拼接兩次的數(shù)據(jù)，拼接誤差合格并且無分層后繼續(xù)進行自動拼接。序列三掃描完成后，選擇碗壁與正面的公共特征進行拼接。正反面拼接完成后，調整掃描儀角度重復使用“轉臺測量”以及“3D 測量”，補全瓷碟的數(shù)據(jù)，對于反光嚴重以及遮擋處的數(shù)據(jù)需要在掃描結束后進行修復。瓷碟數(shù)據(jù)采集結束后，使用“選擇碎片”指令來選中模型體外的雜點進行刪除。使用“全局優(yōu)化”對掃描數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，軟件自動對數(shù)據(jù)的拼接進行優(yōu)化，使用“數(shù)據(jù)處理”對處理好的數(shù)據(jù)進行封裝。

第二步：使用Geomagic Wrap 軟件對瓷碟三維數(shù)據(jù)進行網格數(shù)據(jù)處理，包括漏洞修補、消除無效三角面片數(shù)據(jù)及表面形態(tài)修正等工藝步驟。具體步驟如下：

（1）對模型上的雜點數(shù)據(jù)進行刪除，利用“多邊形”選項，選擇“填充單個孔”命令，選擇刪除浮點數(shù)據(jù)，刪除模型上的雜點。之后找到模型上需要修復孔洞的地方，使用“曲率-內部孔”填充方式，對存在孔的邊緣孔洞進行填充。對于模型有大孔洞以及大間隙的數(shù)據(jù)處，選擇直接填充效果不好，可選擇先使用“搭橋”的方法，對孔洞邊緣進行處理后再使用填充內部孔的方式對孔進行填充。

（2）邊緣有折疊以及相交的孔洞需要先對孔的邊緣進行處理。在“圖形”視窗，激活選擇三角形指令，選中折疊部分的三角面進行刪除。接下來激活填充功能，對孔邊緣處理結束后的孔進行內部孔填充，如對模型的全部孔洞使用上述方法進行填充處理。

（3）將模型上的孔洞全部填充完成后，使用“網格醫(yī)生”命令，對其他微小孔洞翹曲面片等進行自動修復，應用后得到修復完成的模型。

第三步：將瓷碟模型坐標系對齊以便后期我們輸出正確坐標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。在瓷碟底部框選平面處的數(shù)據(jù)，點擊應用，軟件會自動計算出瓷碟的對稱平面。點擊確定，完成平面 1 的創(chuàng)建。

選擇“對齊”，“對齊到全局”，以YZ 平面與對稱平面創(chuàng)建對，XY 平面與底部平面創(chuàng)建對，完成瓷碟的對齊，最后將數(shù)據(jù)另存為“stl”和“obj”兩種格式，均命名為“瓷碟-補”。

第四步：進行瓷碟影像數(shù)據(jù)采集，以確保后期經過紋理處理后的模型數(shù)據(jù)能夠與瓷碟實物有相同的視覺效果。影像化的具體步驟如下：

（1）影棚選擇及調整。根據(jù)所拍照的對象特征選擇拍照時使用的燈棚和轉臺，拍照對象是瓷碟，體積小，有反光現(xiàn)象，在選擇燈棚時要選擇對瓷碟拍照影響最小的燈光條件，并且要調整好燈光角度，使瓷碟拍攝面不會出現(xiàn)反射的燈光，必要時需在燈表面附加一層柔光布減少反射，根據(jù)瓷碟大小選擇 24~70 mm 的鏡頭。由于瓷碟體積比較小，不會出現(xiàn)超出轉臺范圍的情況，并且瓷碟是扁平的長方體，在轉臺上的穩(wěn)定性可以得到保證。但是也正因為瓷碟比較小，所以不可以選擇太大的轉臺，否則大轉臺會影響相機位置以及角度，導致無法保證瓷碟在圖上的占比。

（2）相機校準。選擇好燈棚，確定所有燈全部開啟到最亮，將色卡放置到轉臺中央，設置好相機拍攝白平衡使用的參數(shù)，調整好角度拍攝白平衡，確認沒問題后調整相機參數(shù)，應用白平衡。

（3）正面影像數(shù)據(jù)拍攝。調整相機對焦點在瓷碟外棱邊上，確保棱邊清晰。按照一圈12 張的拍攝方法進行拍照。確保每一張照片的對焦點均在棱邊上，保證棱邊的清晰。保持相機機位不變，將相機的對焦點移動到瓷碟內側棱邊上進行拍攝。調整相機角度，對瓷碟碗底的紋理進行拍攝，相機對焦點選在碗底與碗壁的交界處。最后調整相機角度對瓷碟進行平拍，完成當前瓷碟角度的全部照片拍攝。

（4）反面影像數(shù)據(jù)拍攝。瓷碟翻面后，按照正面的拍攝方法，調整相機角度，對瓷碟反面棱邊以及紋理細節(jié)進行對焦拍攝，拍照過程中確保每張照片對焦處都是清晰的。拍攝過程中注意邊、角要正對相機進行拍攝。

（5）瓷碟底部影像數(shù)據(jù)拍攝。拍攝瓷碟俯拍照片，調整相機機位，使相機鏡頭垂直于瓷碟表面，如達不到垂直角度需要使用俯拍燈箱，使用俯拍燈箱需要提前拍好白平衡，在使用俯拍燈箱前設置對應的參數(shù)，完成俯拍照片。

在所有照片拍照結束后，需要導入電腦上查看照片是否齊全，并檢查瓷碟所有需要的照片是否都全，所有照片是否都沒有跑焦、是否對焦點都清晰，俯拍照片和其他照片顏色是否一致等，有欠缺的需及時補足。

第五步：使用紋理處理軟件對瓷碟模型和表面影像數(shù)據(jù)進行映射處理，使三維數(shù)字模型具備與實物相同的視覺效果，以便用于線上博物館的展示、研究。

三、結語

以上就是以瓷碟的三維數(shù)字化模型數(shù)據(jù)采集為例，展示的一套完整可行的文物數(shù)字化技術流程。希望本文所展示的這套文物數(shù)字化技術流程能為新出土文物的搶救性數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)有文物的保護性數(shù)據(jù)建模修復、數(shù)字博物館建設及相關文創(chuàng)產品開發(fā)設計提供服務。