三維掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

摘 要：在現(xiàn)代化技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，利用高科技手段保護(hù)文物逐漸成為潮流。作為一種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有非接觸性、測(cè)量精度高、信息提取高效快速等特征，實(shí)現(xiàn)了文物無(wú)損式修復(fù)、全景式展示、全域式檢測(cè)，并得到廣泛應(yīng)用。文章以眉縣博物館為對(duì)象，闡述三維掃描技術(shù)的操作原理、操作流程、在文物保護(hù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并聚焦館藏文物，結(jié)合實(shí)際情況和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)成果，從文物建模、文物修復(fù)、文物虛擬展覽等幾個(gè)方面探討眉縣博物館應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)保護(hù)文物的具體實(shí)踐，以期為我國(guó)博物館事業(yè)發(fā)展和文物保護(hù)工程提供有力參考。

關(guān)鍵詞：三維掃描技術(shù)；眉縣博物館；文物保護(hù)；應(yīng)用實(shí)踐

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.15.011

0 前言

當(dāng)前，在數(shù)字信息技術(shù)深刻影響各項(xiàng)事業(yè)發(fā)展的大背景下，全國(guó)各地博物館相繼運(yùn)用大數(shù)據(jù)、數(shù)字化手段革新宣教和文物保護(hù)方法。不僅如此，2021年10月28日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《“十四五”文物保護(hù)和科技創(chuàng)新規(guī)劃》，明確提出博物館應(yīng)堅(jiān)持科技創(chuàng)新引領(lǐng)理念，加快推進(jìn)技術(shù)攻關(guān)和研發(fā)，持續(xù)推動(dòng)考古探測(cè)、銹蝕物檢測(cè)、制造工藝鑒定、產(chǎn)地溯源等技術(shù)優(yōu)化升級(jí)，促進(jìn)文物保護(hù)提質(zhì)增效。對(duì)此，作為擁有眾多珍貴文物的眉縣博物館，應(yīng)利用三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)軟件優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)并搭建三維立體模型，實(shí)現(xiàn)文物的數(shù)字化存儲(chǔ)和建檔，利用其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行還原性修復(fù)、病害勘測(cè)和分析、虛擬展示、預(yù)防性保護(hù)，讓擁有千年歷史的青銅器、陶器、玉器、瓷器、石刻文獻(xiàn)等眾多精品熠熠生輝，有利于促進(jìn)文物保護(hù)技術(shù)的革新。

1 三維激光掃描技術(shù)的操作原理

三維激光掃描技術(shù)內(nèi)部主要包含激光掃描部件、激光測(cè)距部件、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等。掃描儀因生產(chǎn)廠家不同，工作原理也存在差別。

1.1 激光測(cè)距系統(tǒng)

激光掃描儀的測(cè)距方式主要包含脈沖測(cè)距法、相位測(cè)距法、激光三角法三種方法。

1.1.1 脈沖測(cè)距法

掃描儀開(kāi)釋激光脈沖訊號(hào)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)棱鏡射向工具，及時(shí)接收、保存折返的脈沖訊號(hào)。之后，計(jì)算脈沖訊號(hào)往返過(guò)程產(chǎn)生的時(shí)間跨度，求得待測(cè)量文物的距離。目前，多數(shù)掃描儀采取這種測(cè)法，如Trimble TX8 激光掃描儀等，其激光發(fā)射角度的大小與瞬時(shí)脈沖功率的大小成反比。

1.1.2 相位測(cè)距法

通過(guò)利用無(wú)線電波段的頻率，調(diào)整激光束的幅度，先計(jì)算調(diào)制光往返過(guò)程中產(chǎn)生的相位變化，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，推算這一相位變化對(duì)應(yīng)的距離，從而測(cè)得光往返的時(shí)間差。相較于脈沖測(cè)距法，相位測(cè)距法僅僅需要測(cè)量訊號(hào)發(fā)射和接收激光訊號(hào)的相位差，就能夠求得待測(cè)對(duì)象的距離。相位測(cè)距法的測(cè)量數(shù)值一般精準(zhǔn)至毫米，故可做到精密和近距離掃描。

1.1.3 激光三角法測(cè)距

該種方法基于三角幾何原理來(lái)確定掃描中心與對(duì)象之間的距離，激光發(fā)射器、對(duì)象表面的反射點(diǎn)、電荷耦合元件三者形成三角形。通過(guò)丈量激光發(fā)射器到工具、再反射至電荷耦合元件的夾角，按照發(fā)射器至電荷耦合元件的基線距離，計(jì)算出工具的具體位置。激光三角測(cè)距法通常應(yīng)用于幾十米范圍內(nèi)的測(cè)量，尤其適合于逆向工程測(cè)量，測(cè)量數(shù)值可精確至微米。

1.2 激光掃描系統(tǒng)

激光掃描系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射激光脈沖，利用兩個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的反射鏡掃描實(shí)物。借此過(guò)程，可精確測(cè)算出確定設(shè)備與物體表面之間的距離。體系內(nèi)的編碼器紀(jì)實(shí)激光脈沖的發(fā)射角度，以此計(jì)算出收集點(diǎn)云的三維坐標(biāo)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括激光脈沖的水平和垂直掃描角度（分別用α、θ表示），接收器記錄激光脈沖發(fā)射至接收過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)間差，從而計(jì)算出目標(biāo)物體的空間位置和點(diǎn)云反射強(qiáng)度等信息。

2 三維激光掃描技術(shù)的操作流程

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程涉及點(diǎn)云采集、合并、去除噪聲、稀疏化、簡(jiǎn)化、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，力求獲得更高品質(zhì)的點(diǎn)云。在正式掃描時(shí)，為確保數(shù)據(jù)的完整性，需要在多個(gè)位置進(jìn)行掃描，并設(shè)置參考點(diǎn)或重疊區(qū)域，便于后期整合來(lái)自“四面八方”的數(shù)據(jù)。在此之后，利用配套軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)做導(dǎo)出或樣式轉(zhuǎn)換。

2.2 三維模型建構(gòu)

三維激光掃描技術(shù)可以逐個(gè)對(duì)外形規(guī)則文物或外形不規(guī)則文物做個(gè)性化建模。對(duì)于形狀規(guī)則的文物，一般通過(guò)建立三角形網(wǎng)絡(luò)的方式建模；對(duì)于形狀不規(guī)則的文物，可通過(guò)識(shí)別和提取具有顯著特征的線條，將這些線條轉(zhuǎn)化成實(shí)體，建構(gòu)模型，或者在三角形網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)造出文物實(shí)體模型。

2.3 三維模型再處理

在建成三角形網(wǎng)絡(luò)模型之后，由于受到采集現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，比方說(shuō)某些區(qū)域的點(diǎn)云密度稀疏或點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，會(huì)產(chǎn)生孔洞、雜亂三角形網(wǎng)絡(luò)、尖刺物等，破壞文物表面結(jié)構(gòu)，故需要對(duì)模型進(jìn)行再次修補(bǔ)和優(yōu)化處理。

2.4 紋理映射

建成的三角形網(wǎng)絡(luò)模型不具備真實(shí)的顏色，這通常需要使用高清數(shù)碼攝像機(jī)捕捉紋理信息，之后利用特定軟件將這些紋理信息映射到模型上，盡可能恢復(fù)文物表面紋理，實(shí)現(xiàn)文物三維立體模型的全面重建。

3 三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隨著數(shù)字信息技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、測(cè)繪科學(xué)取得進(jìn)步，以三維激光掃描技術(shù)為代表的測(cè)繪技術(shù)廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)中，滿足了文物保護(hù)的多元化測(cè)繪需求，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、無(wú)接觸共贏。

與傳統(tǒng)測(cè)繪方式比對(duì)，三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。例如，利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GNSS）定位文物遺址，無(wú)需通視，支持全天候作業(yè)；利用遙感技術(shù)（簡(jiǎn)稱RS）快速采集文物基本信息，在室內(nèi)就可完成大量探測(cè)、檢測(cè)工作，打破時(shí)空限制，提高工作效率；利用地理信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GIS）進(jìn)行文物信息管理和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)文物數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，加快文物管理智能化和數(shù)字化建設(shè)。不僅如此，傳統(tǒng)測(cè)繪方式只能提供二維圖樣，比方說(shuō)平面圖、立體面圖等，而三維激光掃描技術(shù)則能夠識(shí)別和提取文物上所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理，包括制造材料、工藝特征等，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪手段的超越。再者，三維激光掃描儀能夠以每秒100萬(wàn)點(diǎn)的速度掃描，將原本需要數(shù)天或更多時(shí)間完成的工作縮短至幾小時(shí)內(nèi)完成，最大程度地提高了工作效率。此外，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的合成和分解使內(nèi)業(yè)處理更便捷，并打破傳統(tǒng)測(cè)繪方式對(duì)外業(yè)工作人員的依賴。三維激光掃描可通過(guò)非接觸性方法收集文物信息、觀察、檢測(cè)和修復(fù)文物，杜絕了傳統(tǒng)肢體接觸性收集和管理文物而對(duì)文物造成的二次傷害。

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用為文物搭建了既全面又具體而微的模型，采用這一技術(shù)進(jìn)行文物信息采集、修復(fù)和保護(hù)等已成為國(guó)內(nèi)博物館的一致選擇。

4 眉縣博物館應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)保護(hù)文物的具體實(shí)踐

4.1 在文物信息采集中的應(yīng)用

在文物信息采集與收集方面，三維掃描技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)三維掃描獲得的文物信息可以方便地進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)、管理和展示，對(duì)于一些脆弱或者復(fù)雜的文物，傳統(tǒng)的測(cè)量方法可能會(huì)對(duì)其造成損害，而三維激光掃描技術(shù)可以在無(wú)接觸的情況下，快速、無(wú)損、完全地獲得文物的完整幾何形狀和結(jié)構(gòu)信息，包括文物的細(xì)節(jié)和表面紋理。例如，眉縣博物館利用三維掃描技術(shù)在文物采集方面的優(yōu)勢(shì)，借助大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，成功加入陜西省文物藏品管理系統(tǒng)，推進(jìn)了館藏文物數(shù)字化、智能化存儲(chǔ)。依托平臺(tái)，博物館對(duì)涵蓋各類(lèi)青銅器、陶器、玉器等在內(nèi)的文物藏品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用非接觸式掃描設(shè)備，高精度還原藏品原貌，建立數(shù)字化檔案，推動(dòng)文物信息采集、分門(mén)別類(lèi)、保存、查詢和檢索、統(tǒng)計(jì)的一體化運(yùn)行。截至目前，利用三維掃描技術(shù)在陜西文物藏品管理系統(tǒng)已成功采集并導(dǎo)入青銅器、陶器、書(shū)畫(huà)、玉器、碑帖、瓷器、石器等文物珍品數(shù)據(jù)信息，共計(jì)2300余件（組），建立了一套完整的文物資源管理系統(tǒng)，為實(shí)施教育活動(dòng)、開(kāi)發(fā)文創(chuàng)品、管理文物提供了明確的信息，并實(shí)現(xiàn)館藏文物資源高效檢索和征集。

4.2 在文物數(shù)字化保護(hù)中的應(yīng)用

通過(guò)三維激光掃描得到的文物數(shù)字模型，可以永久地保存在數(shù)字博物館中，使得文物的保存不再受物理?xiàng)l件的限制，也為文物的永久保存提供了可能。例如，眉縣博物館依托3D激光掃描打印技術(shù)，啟動(dòng)館藏文物制模工程，以期還原諸多文物的原貌。2022年，向國(guó)家文物局提交《關(guān)于申請(qǐng)復(fù)制拓印四十三年逨鼎等11件館藏一級(jí)文物的請(qǐng)示》（眉博物字〔2022〕9號(hào)），并得到審批，建立制模清單和進(jìn)行拓印文物編號(hào)，此工作按照批準(zhǔn)方案正在實(shí)施當(dāng)中。同時(shí)對(duì)眉縣博物館館內(nèi)包括漢十二時(shí)辰規(guī)矩銅鏡、西周父辛銅方鼎、西周列旗紋銅簋、戰(zhàn)國(guó)銅扁壺等19件文物進(jìn)行三維掃描建模，用于日常展覽、借展、歷史文化研究等，完美再現(xiàn)每件文物的制造細(xì)節(jié)、初始面貌。此外對(duì)模具、文字和影像資料保存好，通過(guò)建立文物拓印庫(kù)房、搭建拓印數(shù)據(jù)庫(kù)的方式實(shí)施，加大對(duì)拓印文物保護(hù)力度，擴(kuò)大文物數(shù)字化保護(hù)工作在博物館應(yīng)用范圍，加快數(shù)字化博物館建設(shè)進(jìn)程。

4.3 在文物三維模型中的應(yīng)用

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)實(shí)行紋理映照，通過(guò)建立二維圖像坐標(biāo)與三維模型表面點(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將二維平面圖像映射到三維模型中，賦予實(shí)體模型色彩的紋理信息，可以展現(xiàn)生動(dòng)多態(tài)的文物三維模型。具體操作流程包括使用UV拆分工具進(jìn)行自動(dòng)展UV操作、利用UV打包機(jī)軟件，利用UV編輯器進(jìn)行展開(kāi)操作，利用3D Studio Max軟件完成紋理映射。例如，眉縣博物館聘請(qǐng)專業(yè)技術(shù)人員，利用此項(xiàng)技術(shù)對(duì)“舉杯邀明月—眉縣酒文化展”的雕塑進(jìn)行了紋理映射，完成文物三維模型。首先，準(zhǔn)備好文物的三維模型和要采集文物的紋理信息。這可以通過(guò)拍照、掃描或其他方式完成，確保紋理清晰、分辨率高，并能夠覆蓋文物的所有表面。其次，根據(jù)具體的需求和模型的特點(diǎn)，選擇適合的紋理映射算法，應(yīng)用選定的紋理映射算法，將紋理圖像準(zhǔn)確地映射到三維模型上。最后，對(duì)完成的文物模型進(jìn)行后處理，包括調(diào)整光照、陰影等效果，以使其看起來(lái)更真實(shí)。完成紋理映射后，導(dǎo)出成果模型。博物館利用此項(xiàng)技術(shù)，可以更好地展示和保護(hù)文物，通過(guò)高精度的模型，觀眾可以更深入地了解文物的歷史和文化背景，同時(shí)也可以為文物保護(hù)和研究提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.4 在虛擬展覽中的應(yīng)用

三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過(guò)三維掃描得到的模型，打造出多功能文物呈現(xiàn)鏡像，可以在各種平臺(tái)上進(jìn)行展示，使觀眾可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程觀看文物。此外，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)，觀眾還可以與文物進(jìn)行互動(dòng)，獲得更多的信息。博物館可以采用由華為研發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)軟件（簡(jiǎn)稱VRP），對(duì)文物進(jìn)行三維美工設(shè)計(jì)，在多媒體設(shè)備上勾勒了具有真實(shí)感、意境美的文物畫(huà)卷。眉縣博物館依托三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，突出其直觀性、可感性、自動(dòng)性、立體性等特征，為觀眾打造融合多源信息、雙向交互的三維文物動(dòng)態(tài)圖景，讓觀眾沉浸在多元畫(huà)面交替呈現(xiàn)、多重功能協(xié)同發(fā)揮的虛擬文物鏡像展覽中，滿足觀眾多樣化的欣賞需求。例如，古代眉縣地區(qū)擁有深厚的酒文化，包括承載了千年歷史的酒器，上可追溯至仰韶文化時(shí)期，下至清代，比方說(shuō)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的銅扁壺、秦漢時(shí)期的蒜頭壺、漢代的銅鈁、三國(guó)時(shí)期的耳杯以及盛唐的銀杯。這些酒器制造工藝精良，具有極高的審美價(jià)值。眉縣博物館特此利用VRP技術(shù)推出“舉杯邀明月—眉縣酒文化展”全景H5虛擬展覽，邀請(qǐng)觀眾在作品中走進(jìn)博物館，詳細(xì)領(lǐng)略酒器的魅力。H5導(dǎo)入頁(yè)是各種酒器實(shí)物圖圍繞著標(biāo)題，幾秒后自動(dòng)進(jìn)入線上博物館，可根據(jù)箭頭指引在博物館內(nèi)徜徉，也可點(diǎn)擊下方的圖標(biāo)直接跳轉(zhuǎn)至不同展覽位置，點(diǎn)擊展覽柜中的酒器，打開(kāi)介紹圖，包括酒器實(shí)物圖和花紋詳圖，打開(kāi)掛畫(huà)查看酒器介紹。同時(shí)，依據(jù)眉縣千年建筑文化，博物館利用VRP技術(shù)推出“斗拱馭飛閣—眉縣秦漢建筑文化展”，讓觀眾在虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引領(lǐng)下走進(jìn)建筑園林實(shí)景，設(shè)置自動(dòng)播放的旁白，觀眾一邊聆聽(tīng)關(guān)于眉縣瓦當(dāng)王“成山瓦當(dāng)”“長(zhǎng)樂(lè)未央”“與天無(wú)極”的音頻講解，一邊瀏覽瓦當(dāng)?shù)娜S立體化影像，了解瓦當(dāng)制造的材質(zhì)、藝術(shù)風(fēng)格、蘊(yùn)含的思想，學(xué)習(xí)我國(guó)古代源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的建筑文化。進(jìn)入H5后，俯瞰的VR實(shí)景將自動(dòng)拉近，下方有“查看詳情”，詳細(xì)敘述眉縣古建筑的建造初衷和具體流程。觀眾可滑動(dòng)屏幕調(diào)整俯瞰位置和游玩視角，也可雙指縮放頁(yè)面。點(diǎn)擊下方“進(jìn)入館閣”可以踏上參觀之路，以雕塑為參觀游玩地標(biāo)。點(diǎn)擊下方“主題建筑雕塑”，可進(jìn)入介紹頁(yè)了解各個(gè)建筑雕塑的建設(shè)意義，讓觀眾更自主、更自由地暢游在虛擬景觀中，優(yōu)化沉浸式觀賞體驗(yàn)。

4.5 在文物修復(fù)中的應(yīng)用

在文物修復(fù)過(guò)程中，三維掃描技術(shù)為修復(fù)師提供了精確的文物原始狀態(tài)數(shù)據(jù)，使修復(fù)工作更加精確、科學(xué)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比修復(fù)前后的三維數(shù)據(jù)，可以評(píng)估修復(fù)工作的效果，為未來(lái)的修復(fù)工作提供參考。例如，眉縣博物館聘請(qǐng)有資質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人員利用三維激光打印技術(shù)對(duì)部分殘損文物進(jìn)行配缺，有效輔助修復(fù)殘損文物，并保留其原始痕跡。該項(xiàng)技術(shù)有直接快速打印和間接快速鑄造兩種方法。直接快速打印利用激光直接熔融金屬粉末，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程。間接快速鑄造通過(guò)制作蠟?zāi)＿M(jìn)行鑄造，能夠減少成品的誤差，保證修復(fù)的精準(zhǔn)性和文物原始特性。對(duì)此，還利用藍(lán)光3D掃描技術(shù)獲取待修復(fù)青銅器的精確三維數(shù)據(jù)，并使用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)館藏西周父辛方鼎、西周列旗紋簋等文物進(jìn)行修復(fù)，對(duì)其相應(yīng)資料進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，以便準(zhǔn)確模擬出原始器物的鑄造細(xì)節(jié)，并可直接通過(guò)3D打印輸出蠟?zāi)?。在傳統(tǒng)的文物修復(fù)過(guò)程中，從最初模型制作到最后的失蠟鑄造，每個(gè)階段的模型轉(zhuǎn)換都可能導(dǎo)致尺寸收縮，總收縮率可能達(dá)到10%。修復(fù)技術(shù)人員需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和技巧，在修復(fù)初期就著重關(guān)注收縮現(xiàn)象，通常將模型放大約10%?，F(xiàn)代技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)建模和直接輸出蠟?zāi)５姆绞剑梢跃_調(diào)整模型大小以補(bǔ)償鑄造文物時(shí)產(chǎn)生的收縮空缺，避免傳統(tǒng)方法中的誤差。打印技術(shù)采取的是光固化LCD掩膜技術(shù)，這是一種利用LCD屏幕作為光源進(jìn)行光固化的先進(jìn)技術(shù)。與傳統(tǒng)的光敏樹(shù)脂選擇性固化打印（SLA）和連續(xù)液體界面提取技術(shù)（CLIP）相比，LCD掩膜技術(shù)具有更高的精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗材通用性強(qiáng)和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，為銅洗、銅鏡文物的修復(fù)提供了高效精準(zhǔn)的修復(fù)方案。

5 總結(jié)

眉縣博物館利用三維激光掃描技術(shù)，成功為部分館藏文物進(jìn)行建模和修復(fù)，為文物勾勒了全面細(xì)致的輪廓，實(shí)現(xiàn)了文物信息的全方位收集和采集、展覽的虛擬化和數(shù)字化建設(shè)、文物樣貌的修復(fù)等。在今后，博物館應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)三維掃描技術(shù)的應(yīng)用和探究力度，更深入地管理和保護(hù)文物，讓文物在當(dāng)代永葆生命力，延續(xù)千年眉縣歷史文化。

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