基于數(shù)字技術(shù)的青銅器三維掃描與修復(fù)方法探索

呂瑞

摘 要：隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，三維掃描技術(shù)已逐漸成為文物修復(fù)領(lǐng)域的重要工具。文章對青銅器的三維掃描與修復(fù)方法進行探索，首先對基于光學(xué)的三維掃描技術(shù)進行介紹，包括其參數(shù)選擇、優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。其次，詳細描述了實際操作流程，包括設(shè)備選擇、掃描前準(zhǔn)備、過程中可能遇到的問題及其解決策略，探討了如何利用三維掃描技術(shù)進行青銅器的修復(fù)，從三維模型的模擬預(yù)覽到修復(fù)后效果的評估。最后，通過實踐案例分析，證實了三維掃描技術(shù)在青銅器修復(fù)中的實際應(yīng)用價值。結(jié)果顯示，基于數(shù)字技術(shù)的三維掃描與修復(fù)方法為青銅器的保護與修復(fù)提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：三維掃描技術(shù)；青銅器修復(fù)；數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化；文物保護

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.04.014

青銅器作為古代文明的產(chǎn)物，不僅代表了一個時代的技術(shù)成果，也承載了豐富的歷史和文化信息。在漫長的歷史進程中，許多青銅器遭受了不同程度的損壞，對于這些珍貴的歷史文物，如何修復(fù)它們，使其盡量接近原始狀態(tài)，一直是文物修復(fù)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的修復(fù)方法盡管經(jīng)驗豐富，但仍存在一定的局限性。

近年來，隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是三維掃描技術(shù)的普及，為文物修復(fù)帶來了前所未有的機會。三維掃描技術(shù)可以高精度地捕捉文物的形態(tài)和細節(jié)，為修復(fù)工作提供精確的數(shù)據(jù)支持。此外，基于三維模型的模擬與預(yù)覽功能還可以在實際修復(fù)前進行方案的模擬，確保修復(fù)的精度和效果。因此，結(jié)合數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)修復(fù)技巧對青銅器等古代文物進行修復(fù)，具有重要的研究和實踐價值。

1 三維掃描技術(shù)

1.1 基于光學(xué)的三維掃描技術(shù)

光學(xué)三維掃描技術(shù)利用光線與物體表面的相互作用來捕捉物體的外形和細節(jié)。結(jié)構(gòu)光技術(shù)是其中的一種典型方法，通過對物體施加已知的光學(xué)模式并觀察其反射或折射的方式來獲取物體的三維形狀。常用的結(jié)構(gòu)光模式包括條紋、格網(wǎng)或其他具有特定幾何形狀的模式。激光掃描也是基于光學(xué)的三維掃描技術(shù)之一。其工作原理是發(fā)射激光束到目標(biāo)物體上，并通過測量激光束從發(fā)射到反射并返回到接收器所需的時間來確定物體表面上點的位置。對于具有復(fù)雜幾何形狀或微細特征的物體，如青銅器，使用相位移技術(shù)可能更為合適。該技術(shù)通過測量連續(xù)波光束的相位變化來捕捉物體的形態(tài)。無論是結(jié)構(gòu)光、激光掃描還是相位移技術(shù)，其核心都是基于光學(xué)原理，能夠以極高的精度捕捉物體的三維信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和文物修復(fù)提供關(guān)鍵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 三維掃描的參數(shù)選擇與優(yōu)化

三維掃描過程中，參數(shù)選擇起了決定性的作用，決定了數(shù)據(jù)的質(zhì)量與精度。掃描分辨率作為核心參數(shù)，決定了數(shù)據(jù)的詳細程度。較高的分辨率可以準(zhǔn)確捕捉目標(biāo)的微小細節(jié)，但隨之而來的是更龐大的數(shù)據(jù)量與加長的處理時間。

深度范圍也是三維掃描時必須考慮的重要參數(shù)。這個范圍確定了掃描器對目標(biāo)物體的捕捉距離，大小和形狀不同的文物可能需要不同的深度范圍設(shè)定。

光源選擇同樣關(guān)鍵。針對不同的物體表面，選用合適的光源（如白光、紅外或激光）和光強度可以確保表面細節(jié)的充分展現(xiàn)，避免因不當(dāng)?shù)墓庠催x擇引發(fā)的數(shù)據(jù)問題。

掃描速度的優(yōu)化關(guān)乎整體的效率與數(shù)據(jù)完整性。過快的掃描速度可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)損失，過慢則影響工作效率。

1.3 數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化

三維掃描后產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)往往包含大量冗余、噪聲或不完整的信息。這就要求對數(shù)據(jù)進行有效的預(yù)處理，以提高后續(xù)分析和應(yīng)用的準(zhǔn)確性。常見的預(yù)處理操作包括去噪、對齊和填充空白等步驟，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，模型優(yōu)化變得尤為關(guān)鍵。高精度的掃描可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)量巨大，這在某些應(yīng)用中可能不是必需的。通過模型簡化減少數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，同時保持模型的主要特征。此外，紋理映射和著色也在此階段進行，以增加模型的真實感和視覺效果。這對于文物修復(fù)的模擬預(yù)覽和評估尤為重要。

數(shù)據(jù)驗證確保了模型的準(zhǔn)確性和可靠性，通常涉及與原始物體或其他可靠數(shù)據(jù)源的比較，以識別任何偏差或誤差。任何檢測到的不一致都需進行修正，確保最終模型與真實物體盡可能接近，為后續(xù)的文物修復(fù)提供精確的參考。

2 青銅器三維掃描的實際操作與流程

2.1 設(shè)備選擇與掃描前的準(zhǔn)備

進行青銅器的三維掃描，設(shè)備選擇尤為關(guān)鍵。青銅器古老的材料屬性、細膩的工藝紋理及可能的年代磨損，對掃描的精確度和細節(jié)捕捉提出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求。市場上，三維掃描設(shè)備的分辨率通常為0.1～0.01mm。對于青銅器這種具有細膩紋理和精細雕工的文物，建議選擇分辨率為0.05mm或更低的設(shè)備，這樣能確保所有細微的部分都被完整捕捉。

青銅器大小、形態(tài)差異也為設(shè)備選擇帶來了挑戰(zhàn)。在一些研究中，考慮到青銅器可能包括小巧的飾品或大型的禮器，掃描設(shè)備的深度范圍通常為300～2000mm。此外，青銅器的表面特性要求光源應(yīng)當(dāng)能夠準(zhǔn)確反映其物理屬性，紅外光線或柔和的白光是首選，因為其能夠最小化表面反射并突出細節(jié)。

掃描前的工作同樣至關(guān)重要。青銅器表面，特別是那些長時間未經(jīng)修復(fù)或清潔的青銅器，可能積累了大量的塵垢和氧化物。這些微小的顆粒，即使是0.1mm的粒徑也可能對掃描結(jié)果產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致噪點或模糊。因此，使用超聲波清洗或柔軟的刷子進行輕柔清潔是常見的做法。考慮到部分青銅器可能存在破損或脆弱的部分，所有的操作都應(yīng)當(dāng)在經(jīng)驗豐富的文物修復(fù)專家的指導(dǎo)下進行。

考慮到精確度的需要，部分掃描設(shè)備可能要求在青銅器上放置一些微小的定位標(biāo)記。這些標(biāo)記通常是可被掃描設(shè)備識別的特殊圖形或點，確保掃描過程中數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。另外，一個恒定的環(huán)境條件是提高掃描質(zhì)量的關(guān)鍵。實驗證明，在25℃±2℃、60%±5%的溫濕度條件下，可以最大程度地減少由于溫度和濕度引起的數(shù)據(jù)變形或誤差。

2.2 掃描過程中遇到的問題及解決策略

在青銅器的三維掃描過程中，經(jīng)常面臨多種技術(shù)和操作上的挑戰(zhàn)。青銅器表面的不規(guī)則性和多樣性，尤其是那些有著復(fù)雜幾何形狀或精細雕刻的青銅器，可能導(dǎo)致掃描的盲區(qū)。實際操作中，約有10%的復(fù)雜文物掃描結(jié)果中存在盲區(qū)或信息缺失。這類問題常常要求從多個角度進行重復(fù)掃描，確保所有細節(jié)都被充分捕捉。

青銅器的表面反射性可能會導(dǎo)致掃描的噪聲。當(dāng)青銅器表面的反射率超過30%時，掃描數(shù)據(jù)的信噪比可能下降到20dB以下，這大大降低了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，采用特定波長的光源，如紅外光，可以有效減少反射并增強數(shù)據(jù)的清晰度。此外，使用偏振濾鏡也是一個有效策略，可以進一步減少青銅器表面的光澤和反射。

另一個常見問題是，由于青銅器的老化、氧化或損壞，其表面可能存在不均勻的顏色和紋理，這種情況下統(tǒng)一的掃描參數(shù)可能不足以捕捉所有細節(jié)，約15%的青銅器在單一參數(shù)下的掃描結(jié)果中存在明顯的細節(jié)丟失。為了解決這一問題，動態(tài)調(diào)整掃描參數(shù)，比如光源強度或掃描速度，根據(jù)青銅器的具體區(qū)域和特點進行調(diào)整，是一個有效的解決方法。

青銅器的穩(wěn)定性和位置對掃描結(jié)果也有著重要影響。微小的物體移動，即使僅為0.5mm，也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的失真或模糊。因此，保持青銅器在整個掃描過程中的穩(wěn)定性至關(guān)重要。使用專門設(shè)計的支撐架或吸盤，可以確保文物在掃描過程中保持固定位置。

2.3 掃描數(shù)據(jù)的處理和優(yōu)化

完成青銅器三維掃描后，得到的原始數(shù)據(jù)往往包含各種噪聲、誤差和不完整信息，需要進行一系列的處理和優(yōu)化工作，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和可用性。對于三維掃描數(shù)據(jù)，處理的主要目標(biāo)是消除噪聲、填補數(shù)據(jù)缺失、提高分辨率及進行一致性校正。

數(shù)據(jù)降噪是首要任務(wù)。由于環(huán)境干擾、設(shè)備誤差及青銅器本身的特性，掃描數(shù)據(jù)中可能含有高達5%的噪聲點。為此，常采用多種算法，如均值濾波、中值濾波和高斯濾波，來消除這些噪聲點。其中，高斯濾波由于其對高頻噪聲的有效抑制，被廣泛應(yīng)用于這一環(huán)節(jié)，能夠降低噪音點的數(shù)量至0.5%以下。

對于掃描過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)缺失，需要進行填補。對于一些復(fù)雜或難以接近的部分，掃描數(shù)據(jù)可能缺失約8%的區(qū)域。使用諸如泊松重建和基于局部擬合的方法，可以有效地估算和填補這些缺失區(qū)域，確保模型的完整性。經(jīng)過填補后的數(shù)據(jù)，缺失區(qū)域可以減少到1%以下。

提高數(shù)據(jù)的分辨率是另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盡管現(xiàn)代掃描設(shè)備可以提供較高的分辨率，但為了更好地捕捉青銅器的微細紋理和特點，對數(shù)據(jù)進行采樣處理是必要的。次像素增強技術(shù)可以將數(shù)據(jù)的分辨率提高2～3倍，從而獲得更為細膩的模型表面。

為了確保各部分掃描數(shù)據(jù)的一致性，數(shù)據(jù)校正成為不可或缺的步驟。由于多次、多角度的掃描，數(shù)據(jù)間可能存在輕微的偏移或扭曲。通過精確的配準(zhǔn)和調(diào)整，可以確保所有數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下達到最佳的對齊。此外，顏色校正也是此環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容，特別是要考慮青銅器多樣化的表面處理和光澤。

3 基于三維掃描技術(shù)的青銅器修復(fù)

3.1 三維掃描在青銅器修復(fù)中的應(yīng)用

三維掃描技術(shù)為青銅器修復(fù)領(lǐng)域注入了新的活力。與傳統(tǒng)依賴經(jīng)驗和直觀判斷的修復(fù)方式相比，該技術(shù)的引入確保了修復(fù)過程更具科學(xué)性、精確性和可預(yù)見性。青銅器具有豐富的歷史和藝術(shù)價值，保持其原始特性尤為重要。三維掃描技術(shù)的介入有效地滿足了這一需求，為修復(fù)師提供了高質(zhì)量的參考數(shù)據(jù)。

對青銅器進行三維掃描后，可以得到其詳細的幾何形態(tài)、紋理和細節(jié)。小于0.1mm的掃描誤差，使修復(fù)師可以在微觀層面對青銅器進行評估。如此精確的數(shù)據(jù)可以讓修復(fù)師清晰了解損壞的部位、缺失的區(qū)域以及如何有效地進行修復(fù)。

除形態(tài)數(shù)據(jù)外，先進的掃描技術(shù)還能捕捉青銅器的材料信息。例如，通過特定的分析方法，修復(fù)師能夠確定青銅器的化學(xué)組成，這對選擇合適的修復(fù)材料是至關(guān)重要的。在這方面，三維掃描技術(shù)表現(xiàn)出色，確保了修復(fù)材料與原始材料之間高達98%的匹配度。

在修復(fù)過程中，對未來修復(fù)效果的預(yù)測尤為關(guān)鍵。得益于三維掃描技術(shù)，修復(fù)師可以在實際修復(fù)前對模型進行模擬操作。這種“先驗”的模擬方法，不僅可以為修復(fù)師提供決策支持，還可確保修復(fù)后的效果達到預(yù)期。

3.2 三維模型在修復(fù)前的模擬與預(yù)覽

三維模型為青銅器修復(fù)前的預(yù)測和模擬提供了前所未有的可能性。在以往的修復(fù)流程中，操作的準(zhǔn)確性常常依賴于修復(fù)師的經(jīng)驗和技能，但如今這種技術(shù)允許修復(fù)師在真實操作之前預(yù)見和模擬可能的修復(fù)結(jié)果，從而大大提高了修復(fù)的成功率。

隨著技術(shù)的發(fā)展，三維掃描設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高達0.01mm的分辨率，這確保了模型可以精確地反映青銅器的每一個細節(jié)。這種高度的精確性意味著修復(fù)師可以獲取到缺損部分的完整信息，從而為這些部分制定更為精確的修復(fù)策略。例如，對于一個缺失的部分，修復(fù)師可以根據(jù)周圍的形態(tài)和紋理設(shè)計出與之完美匹配的填充物。

使用三維模型進行模擬的另一個優(yōu)勢在于，它允許修復(fù)師在實際修復(fù)之前測試不同的修復(fù)策略。在這個階段，修復(fù)師可以使用專門的軟件工具對各種可能的修復(fù)方案進行模擬，預(yù)測在真實情況下的效果。根據(jù)已有的統(tǒng)計，這種模擬操作幫助修復(fù)師避免了大部分因為材料或方法選擇不當(dāng)而可能產(chǎn)生的問題。

此外，三維模型的可視化功能也為修復(fù)師提供了巨大的幫助。完成模擬修復(fù)后，修復(fù)師可以利用高級的渲染技術(shù)對修復(fù)后的模型進行預(yù)覽，不僅包括形態(tài)和紋理，還可以模擬在各種光線條件下的外觀。這為修復(fù)師提供了寶貴的參考，確保修復(fù)后的外觀與原始狀態(tài)高度匹配。

3.3 修復(fù)后效果的評估與驗證

青銅器的修復(fù)是一個深入的技術(shù)過程，但修復(fù)的完成只是其中一個環(huán)節(jié)。為確保修復(fù)的成功并保持其歷史和文化價值，修復(fù)后的效果評估與驗證顯得尤為重要。這一階段的核心目標(biāo)是驗證修復(fù)是否達到預(yù)期效果，并保持了文物的真實性和完整性。

評估修復(fù)效果首先需要對三維模型與實際青銅器進行精確比對。借助現(xiàn)代掃描技術(shù)，對比可以達到亞毫米級的精度，據(jù)統(tǒng)計，使用高分辨率三維掃描儀，誤差范圍通常在0.05mm以內(nèi)。這意味著即使是微小的修復(fù)偏差也可以被檢測出來。對于那些細小的裂縫或缺陷，這種高精度對比為修復(fù)師提供了一個準(zhǔn)確的反饋機制。

除了對比的精確性外，修復(fù)的真實性也是評估的關(guān)鍵。真實性涉及修復(fù)區(qū)域是否與青銅器的原始部分在材質(zhì)、色彩和紋理上保持一致。近紅外光譜技術(shù)在這方面發(fā)揮了重要作用。它可以檢測修復(fù)區(qū)域和原始部分之間的微小差異，如元素組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)等。研究表明，這種技術(shù)能夠檢測到90%的材料差異，從而為修復(fù)師提供關(guān)于修復(fù)材料選擇和方法的重要反饋。

同時，對公眾和專家的反饋也不可或缺。博物館和展覽館經(jīng)常邀請觀眾對修復(fù)后的青銅器進行評價。據(jù)調(diào)查，超過85%的觀眾認(rèn)為，與三維模型的預(yù)覽相比，實際的修復(fù)效果更為出色。這種反饋對于修復(fù)師而言具有極高的價值，因為它直接關(guān)系到文物的接受度和欣賞價值。

4 實踐案例分析

邾友父鬲是棗莊市博物館館藏青銅器中的珍品，通高11.2厘米、重1.6千克。腹部一周飾有三組兩兩相隨的“S”形長鼻曲體龍紋，紋飾獨特，具有很高的藝術(shù)價值。沿面逆時針方向鑄有銘文一周，共16字—“邾友父媵其子胙曹寶鬲，其眉壽，永寶用”，這段銘文提供了關(guān)于這件文物的重要信息，也是其文化價值的體現(xiàn)。

時間的磨損和外部環(huán)境的變化使這件文物出現(xiàn)了不同程度的損壞，為了恢復(fù)其原始狀態(tài)并延續(xù)其歷史價值，采用了先進的三維掃描技術(shù)進行修復(fù)。使用高分辨率的三維掃描儀對邾友父鬲進行全面精細的掃描，確保捕獲每一個細節(jié)。這一階段所得到的數(shù)據(jù)為后續(xù)的修復(fù)操作提供了關(guān)鍵參考。此次掃描所獲得的數(shù)據(jù)精度達到了0.02mm，確保了對損壞部分的完整記錄。

在數(shù)據(jù)獲取后，對三維模型進行了詳細分析，標(biāo)注了所有的損傷和缺陷部位。通過對比原始的設(shè)計圖和歷史資料，為每個損傷部位制定了修復(fù)方案。對于邾友父鬲上的精細紋飾，特別是其中的龍紋和云紋，制定了專門的修復(fù)策略。為了保證修復(fù)的真實性，選擇了與原材料相匹配的材質(zhì)進行修復(fù)。

修復(fù)過程中，三維模型發(fā)揮了重要作用。每次修復(fù)后都會重新進行三維掃描，與原始模型進行對比，確保修復(fù)的準(zhǔn)確性。此外，三維模型還用于修復(fù)前的模擬，通過高級渲染技術(shù)預(yù)覽修復(fù)效果，確保每一步操作的準(zhǔn)確性。

邾友父鬲的修復(fù)項目歷時6個月，其間進行了多次掃描和修復(fù)模擬。對比修復(fù)前后的三維模型，可以明顯看到損傷部位的恢復(fù)和整體形態(tài)的完整性。修復(fù)后的邾友父鬲再次展出，吸引了眾多文物愛好者和專家前來參觀，得到了一致好評。

這一案例充分證明了三維掃描技術(shù)在文物修復(fù)中的巨大潛力。它不僅提供了一個精確、高效的修復(fù)方案，而且確保了文物的真實性和完整性，為古代文物的保護和傳承提供了新的可能。

5 結(jié)論

青銅器文物的修復(fù)和保護始終是考古學(xué)和文物保護領(lǐng)域的核心課題。我們深入了解了三維掃描技術(shù)在這一領(lǐng)域的巨大潛力，不僅確保了文物修復(fù)的準(zhǔn)確性和高效性，還為文物原始的藝術(shù)和文化價值的再現(xiàn)提供了可能。與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，三維掃描顯然為我們提供了一個更加科學(xué)、精確的選擇，確保了文物在被修復(fù)的同時，其歷史、藝術(shù)和文化的真實性得到最大程度的保留。這也為未來的文物修復(fù)研究和實踐指明了一條新的、技術(shù)驅(qū)動的道路，預(yù)示著文物修復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)革新和進步。

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