三維數(shù)字化技術在文物保護與開發(fā)中的應用

鐘明劍

摘 要：文物是人類文明的寶庫，是探索歷史、了解人類文明的一個窗口，是不可再生的珍貴財產(chǎn)。對文物進行三維數(shù)字化技術的保護與開發(fā)，可以全面提高文物保護開發(fā)的技術水平。文章應用文獻分析、技術探索、實踐與理論結合等多種研究方式，探索三維數(shù)字化技術在文物保護與開發(fā)中的應用，并對保護與開發(fā)過程中的問題進行論述，提出解決的方式，推進文物保護與開發(fā)的傳承創(chuàng)新。

關鍵詞：三維數(shù)字技術;文物保護;文物開發(fā)

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.03.019

0 前言

文物是探索世界重要的歷史文化資源，但是這種寶貴的資源卻是不可再生的，運用科技的力量對文物進行保護、修復和有效的開發(fā)、利用，能夠為我們提供一雙新的眼睛，對于傳承和弘揚文物背后深刻的歷史文化、民族文化具有重要的價值。通過文物背后所彰顯出來的民族精神、歷史意義，增強民族的凝聚力，保護和開發(fā)都是對文物進行發(fā)展的不可分割、緊密連接的部分，通過技術化的手段，能做到在“保護中開發(fā)，在開發(fā)中保護”。

1 三維數(shù)字化技術在文物保護與開發(fā)中的優(yōu)勢

1.1 文物數(shù)字化保護的優(yōu)勢

三維數(shù)字記錄與數(shù)字保存，更有利于對文物的整體形象進行展現(xiàn)，體現(xiàn)保護的全面性。例如，常見的數(shù)字化手段、逆向工程、3D建模，虛擬現(xiàn)實技術，都可以對文物進行全方位的保護。在三維掃描技術應用的過程中，就可以形成大量的文物數(shù)字模型庫，建成數(shù)字文物博物館，同時這種技術的應用也能夠對一些破損面積較大的文物，起到一個有效的數(shù)字修復效果，減少二次傷害，避免頻繁的運輸或展示造成損傷。同時對文物的缺損部分，也可以采取這種數(shù)字化修補的方法，完成非接觸式的保護。

1.2 文物數(shù)字化開發(fā)的優(yōu)勢

數(shù)字技術也為當前文物資源的開發(fā)提供了更加廣闊的空間。產(chǎn)業(yè)化是文物開發(fā)必然要經(jīng)歷的一個過程，只有讓文物開發(fā)的價值被市場認可，被消費者接受，才能夠形成一個可持續(xù)發(fā)展鏈條，在不破壞文物的情況下，實現(xiàn)文物價值與經(jīng)濟發(fā)展的可能性平衡。數(shù)字化網(wǎng)絡平臺可以最大限度地發(fā)揮文物的功能，不僅可以應用在文物的挖掘、修復、保護中，也可以應用在文物開發(fā)的宣傳中。例如，文物發(fā)掘的初期，可以通過數(shù)字探測技術，了解文物的擺放和位置，在采集的過程中，可以通過數(shù)字全息影像形成完善的資料，方便研究人員后期對現(xiàn)場情況勘察和了解，參觀與學習，讓文物資料“動”起來、“活”起來，同時還可以對文物資料進行全方位、多角度的展示，獲得良好的開發(fā)體驗。

2 關鍵的三維數(shù)字化技術探索

2.1 三維數(shù)字化技術在文化遺產(chǎn)保護中的應用范疇

2.1.1 修復保護

數(shù)字化的文物修復保護是指應用三維數(shù)據(jù)方法，對現(xiàn)有的文物資料進行全方位的整合，并逆向推出破損的部分數(shù)據(jù)或缺失的部分數(shù)據(jù)，應用數(shù)據(jù)庫了解文物的前世今生，并進行三維建模。目前3D打印技術已經(jīng)較為成熟地應用在文物修復技術中，通過3D打印原有破損的文物部分，可以得到良好的修補和修飾，從而實現(xiàn)無接觸的完好修復。

2.1.2 情景再現(xiàn)

情景再現(xiàn)技術也是應用較為廣泛的一種數(shù)字化技術，這種技術的實現(xiàn)主要是依托數(shù)字攝影、全息攝像、三維信息獲取以及多媒體展示、虛擬現(xiàn)實、VR、AR等。通過這些技術手段，可以對文物挖掘現(xiàn)場以及遺址進行還原，創(chuàng)建人與文物進行互動的虛擬情景、再現(xiàn)文物制作的過程、挖掘的過程，讓人們能夠在參觀中體會到文物展現(xiàn)出的獨特歷史文化意義，充分彰顯文物的魅力。如二道井子遺址數(shù)字化保護展示項目中AR遺址復原和VR交互漫游，可以讓游客實現(xiàn)AR及VR沉浸式體驗，提升博物館的服務質(zhì)量。

2.1.3 數(shù)字管理

三維影像技術和數(shù)字管理技術應用在文物的保護和開發(fā)中，還能夠構建起完善的數(shù)字管理體系，此技術正是對文物進行新型保護開發(fā)的一種重要路徑。通過大數(shù)據(jù)技術就可以按照每一個文物不同的歷史文化背景、儲存環(huán)境、應用方式、背后蘊含的歷史文化信息，進行資料的搜集、整理和文物內(nèi)容的制作?？梢苑奖愎ぷ魅藛T快速、準確、深入地挖掘文物背后的資料信息，方便各區(qū)域對文物的情況進行交流，上傳統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源庫，實現(xiàn)文物資料的共享共建。赤峰文博院現(xiàn)有赤峰市不可移動文物監(jiān)管平臺，打造文物安全大數(shù)據(jù)底座平臺，運用先進的GIS、無人機攝影攝像建模等技術實現(xiàn)文物安全數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化。

2.1.4 共享傳播

三維數(shù)字化技術可以提升文物保護與開發(fā)的傳播效應，如文博工作人員和群眾之間可以利用微信、微博、QQ、抖音、快手等進行交流，擴大傳播范圍。目前，三維數(shù)字化技術為文物保護和開發(fā)的傳播提供了更加多樣的渠道和更加暢通的鏈條。

2.2 逆向工程技術

逆向工程技術也叫作反求工程技術、反向工程技術，通過這種技術對文物的三維數(shù)據(jù)進行還原，建設可視化、可傳輸?shù)膸缀文Ｐ停兄谖奈锉Ｗo和開發(fā)工作者建立更加細致的修補方式，從而提高修復工作的操作有效性。同時通過三維技術獲得到的空間向量坐標更有利于反向推導形成缺失部分的建設數(shù)據(jù)，在應用恰當?shù)牟牧蠈θ笔У奈奈锊糠诌M行一體化的成型，開展最后的修補，實現(xiàn)文物的復制。

2.3 三維數(shù)據(jù)掃描技術

三維數(shù)據(jù)掃描技術是基于逆向工程發(fā)展而來的數(shù)字及數(shù)模重構技術，通過數(shù)據(jù)的采集、后期的數(shù)據(jù)處理、深入的數(shù)據(jù)挖掘，直接提升整個工程的效率，改善工程的質(zhì)量。同時通過這種三維數(shù)據(jù)掃描技術，也能夠對測量的設備和測量的方法進行更新、迭代，將可觀測到的數(shù)據(jù)、影像資料轉化成為幾何點標數(shù)據(jù)，方便內(nèi)容的傳輸及不同工作部門的人員對同一個文物進行修補、開發(fā)和后期的保護。赤峰文博院基于文物本體的正射影像，通過數(shù)字技術，高效地繪制精細、精美的矢量數(shù)字線描圖及等值線圖，應用于相關文物的考古報告及研究專著中。另外赤峰文博院在基礎數(shù)據(jù)收集整理過程中，也應用了三維數(shù)據(jù)掃描技術，將現(xiàn)有文物保護單位逐步建立三維數(shù)據(jù)庫，并逐步豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容，如高程、環(huán)境等內(nèi)容。gzslib202204051547

2.4 3D打印快速成型技術

3D打印快速成型技術基于前幾種步驟，在計算機圖層上創(chuàng)建不同維度的三維模型，按照分層切片的方法展示三維影像在二維空間或得到的輪廓層級進行逐層打印，并且這種技術還可以為三維掃描技術、逆向工程技術進行后期的演化和建模，完成破損部位的數(shù)字模型的建立，提升當前數(shù)字保護的有效性。

2.5 互聯(lián)網(wǎng)多媒體技術

多媒體互聯(lián)網(wǎng)交互技術是基于IT技術、傳輸文字、影像、聲音、動畫、視頻以及光信號的一種實時人機交互的方法，搭建各種網(wǎng)絡平臺，加強內(nèi)容建設，能夠使當前文物保護的成就走進大眾的生活中，用于高效的文物保護宣傳，文化遺址的開發(fā)，以及人文之間的溝通交流和反饋，具有顯著的效果。赤峰文博院就有基于互聯(lián)網(wǎng)、人機交互、動畫展示等方式的展覽策略，應用到固定展覽中。例如，通過交互機來展示一件青銅器，可以通過手勢調(diào)節(jié)觀看青銅器的任意角度。

3 三維數(shù)字化技術在文物保護與開發(fā)中的應用路徑

目前我國多個地區(qū)的文物在保護與修復方面，應用三維數(shù)字化技術進行無接觸的掃描，構建數(shù)學模型進行3D打印，開展復制品拼接，并對缺損部位的三維數(shù)據(jù)進行快速成型，通過打磨與上色，最終完成數(shù)字化的保護與修復。這些工作進一步提高了文物開發(fā)和利用的有效性?？偟膩砜?，三維數(shù)字化技術在文物保護與開發(fā)中，主要基于以下幾方面的應用場景。

3.1 三維數(shù)字化技術在文物保護中的應用路徑

3.1.1建設文物數(shù)據(jù)庫

在后續(xù)的文物開發(fā)與保護中，需要重視數(shù)據(jù)的挖掘和影像資料的利用，從而完成整個文物的修復和保護工作。例如，基于三維掃描技術、逆向工程技術以及3D數(shù)字化技術，可進行更加全面的現(xiàn)場數(shù)據(jù)勘測，以推進文物挖掘工作、文物數(shù)據(jù)資料獲取工作，避免盲目開采而造成文物受損。依據(jù)開發(fā)現(xiàn)場的原址原貌進行虛擬還原，立體化分析當時文物所處的歷史環(huán)境以及不同開發(fā)路徑，可能會對文物造成的影響。對遺址模型快速成型，方便進行影視資料的獲取，并對現(xiàn)場的電子資料進行歸檔，搜索查閱，為其他人參與這個過程提供更有效的幫助。

2020年赤峰市人民政府決定建立赤峰市不可移動文物監(jiān)管平臺，是基于文物安全大數(shù)據(jù)底座平臺，運用先進的GIS、無人機攝影攝像建模等技術實現(xiàn)文物安全數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化，逐步建立全市文物安全監(jiān)管的統(tǒng)一大數(shù)據(jù)管理平臺。其中赤峰文博院在通過相機拍攝模擬人眼的過程中，得到文物本體的三維坐標，構建文物本體的數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生模型包含了文物本體的位置、幾何、紋理等信息的永久保存，實現(xiàn)了對文物的無接觸保護，且在文物損毀等極端情況下，可進行3D打印輸出實現(xiàn)文物“重生”。數(shù)字孿生模型將文物的本體信息永久存儲在云端，并且支持局部細節(jié)放大、360度自由旋轉等功能?；谖奈锉倔w的數(shù)字孿生模型，將文物突破時空限制，通過數(shù)字網(wǎng)絡對社會公眾進行“云展覽”;通過VR/AR等技術手段，讓歷史“說話”，讓文物“活”起來。

3.1.2 保護修復或電子形態(tài)展覽

在未來文物保護開發(fā)的過程中，還需要應用數(shù)字技術，尤其是強調(diào)多元化的開發(fā)和利用，注重電子形態(tài)的展覽，對傳統(tǒng)的清理內(nèi)容進行鏈條上面的設計，采取傳統(tǒng)數(shù)字技術和現(xiàn)代數(shù)字技術相結合的方法，獲得點云數(shù)據(jù)，運用逆向工程推算出目前文物所缺失的部分，按照這種三維數(shù)據(jù)的方法進行快速的打磨。同時通過三維開發(fā)技術還可以對一些受損的表面進行處理，對可拆卸的部分進行黏合，如赤峰文博院自主研發(fā)的CG-Engine三維渲染引擎和CG-CUBEGIS三維GIS軟件平臺是在專注功能的同時，其三維的效果顯示方面在同業(yè)中也具有領先優(yōu)勢，并可支持一個工程數(shù)據(jù)同時在PC端、Web端和移動端三方發(fā)布，三端數(shù)據(jù)同源同步。

赤峰文博院對變形的青銅器、陶器等文物進行了數(shù)字形態(tài)的矯正，按照3D掃描打印技術復刻出了原版的文物掃描件，進行復驗品的展示，減少了對文物的二次傷害。在赤峰文博院會同紅山區(qū)文物局開展的二道井子遺址數(shù)字化保護展示項目中，通過對遺址數(shù)據(jù)采集制作包含地形數(shù)據(jù)采集、遺址本體數(shù)據(jù)采集制作、出土文物模型制作和遺址監(jiān)測數(shù)據(jù)采集四個部分建設內(nèi)容。地形數(shù)據(jù)采集是通過低空無人機機載激光掃描和航測技術，采集并制作高分辨率地面影像和高精度地形數(shù)據(jù)。遺址本體數(shù)據(jù)采集制作是通過三維傾斜測量、地面三維激光掃描等技術手段來采集三維模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，建立模型。出土文物模型制作是通過三維激光掃描、高清紋理拍攝等技術手段來采集出土文物的三維模型。遺址監(jiān)測數(shù)據(jù)采集是對周邊環(huán)境和諸如沉降、形變等危害遺址安全的因素進行數(shù)據(jù)采集和處理，通過系統(tǒng)進行對比分析，判別危害因素，及時進行預警。

3.2 三維數(shù)字化技術在文物開發(fā)中的應用路徑

利用三維數(shù)字化技術，需要走多元化的路徑，同時對文化遺址的外化和深化做好深入設計。文物目前的展示方式主要是靜態(tài)的展列陳列等，未來在對文物進行保護性的開發(fā)和應用的過程中，就可以應用目前的3D影像技術、虛擬現(xiàn)實技術，真正做到文物展示和開發(fā)的動靜結合、虛擬結合，豐富游客在整個參觀過程中的參與感和體驗感。

例如，二道井子遺址數(shù)字化保護展示項目，購置各類基礎硬件設施，采用數(shù)字監(jiān)測技術、數(shù)字展示技術、多源異構數(shù)據(jù)建庫技術等，以深入分析遺址基本現(xiàn)狀及數(shù)字化工作需求為前提，搭建遺址信息資源庫，全面實現(xiàn)遺址本體資源的統(tǒng)一歸檔存儲、管理和應用，建立遺址日常監(jiān)測與保護管理的數(shù)據(jù)，為遺址的保護管理、監(jiān)測分析、考古分析研究等提供先進的技術和平臺支撐。建立了夏家店下層文化互動投影、遺址虛擬復原三維動畫、遺址復原場景體感穿越、三維文物交互展示系統(tǒng)、AR遺址復原和VR交互漫游。其中遺址復原場景體感穿越遺址，博物館就建設了影像廳，復原出遺址樣貌，形成一個深入、沉浸式的閉環(huán)體驗場景，通過看到動態(tài)化的文物，每觸摸一下屏幕，遺址就向前演變一次。同時這些屏幕中還配備細致的解說，通過這樣的技術設計，博物館吸引了更多的客流，對未來該博物館的宣傳以及文物的保護具有重大的積極作用。

4 結語

綜上所述，三維數(shù)字化技術在文物的保護和開發(fā)中具有重要的價值，需要重視技術迭代，對于傳統(tǒng)文物保護所帶來的革新，同時也要考慮到數(shù)字化設備的選擇、文化數(shù)字化過程中的一系列風險問題，提出數(shù)字化的解決路徑。

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