淺析三維掃描技術(shù)的應(yīng)用與思考

摘 要：北京考古遺址博物館利用三維掃描技術(shù)與攝影測量、紋理貼圖相結(jié)合的數(shù)字化手段，獲取了部分館藏文物高精度、全方位的三維數(shù)字化信息，為建立文物數(shù)字化檔案、文物保護(hù)等工作奠定了重要基礎(chǔ)。文章以北京考古遺址博物館館藏遼代白釉穿帶瓶為例，基于三維掃描技術(shù)和攝影測量技術(shù)的相互融合，探討了三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用過程及其面臨的相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：博物館；三維掃描技術(shù)；文物保護(hù)；應(yīng)用與思考

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.19.008

0 引言

文物是一個國家和民族歷史與文化發(fā)展的見證，如何讓文物、歷史說話，如何利用現(xiàn)代化科技手段有效地保護(hù)和利用好文物資源，是當(dāng)今博物館探究的重要任務(wù)。隨著博物館數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，三維掃描技術(shù)在博物館數(shù)字化中日趨成熟。該技術(shù)通過對文物表面進(jìn)行高精度掃描，以精準(zhǔn)、快速、非接觸形式獲取文物三維信息數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、虛擬展示等相關(guān)領(lǐng)域。為持續(xù)推進(jìn)文物保護(hù)工作，便于深化學(xué)術(shù)研究，探索文物活化利用的新途徑，北京考古遺址博物館通過數(shù)字化技術(shù)，采集了遼代白釉穿帶瓶的文物三維數(shù)據(jù)，建立了數(shù)字化模型。對未來學(xué)術(shù)研究、文物保護(hù)及虛擬博物館建設(shè)等具有非常重要的價值和意義。

《中華人民共和國文物保護(hù)法》第四章第四十六條規(guī)定“復(fù)制、拍攝、拓印館藏文物，不得對館藏文物造成損害”①。此次三維掃描工作采用非接觸式掃描方法，對遼代白釉穿帶瓶進(jìn)行三維掃描，以獲取文物三維坐標(biāo)信息，建立點云數(shù)據(jù)，結(jié)合高清攝影測量技術(shù)的方法，將拍攝文物影像圖片進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)色、信息合并、拼接等操作處理。通過專業(yè)軟件進(jìn)行紋理映射和貼圖，得到高質(zhì)量的三維圖像。近年來，三維掃描技術(shù)結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)作為主流的信息采集方法，廣泛地應(yīng)用于博物館數(shù)字化保護(hù)當(dāng)中，這兩種采集方法都具備各自的優(yōu)勢和特點。三維掃描方法可以高效率地采集數(shù)據(jù)，但掃描儀器的造價較為昂貴，高精度掃描雖具有先天優(yōu)勢，但對于紋理色彩的獲取和光源條件有較高的要求。所以，需將拍攝的圖片紋理及色彩信息賦予模型上，才可呈現(xiàn)出更為精準(zhǔn)、優(yōu)質(zhì)的文物三維模型。

1 文物信息采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

1.1.1 分析掃描工作現(xiàn)場環(huán)境

掃描工作要選擇空間開闊、室內(nèi)恒溫、無劇烈震動的場地環(huán)境，以避免受人為或環(huán)境因素的干擾，導(dǎo)致文物受損或掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量的低效。

1.1.2 設(shè)備及人員的需求

掃描前，應(yīng)充分對采集的文物進(jìn)行分析，并對采集設(shè)備進(jìn)行檢查和調(diào)試，綜合考慮設(shè)備的選擇以及人員的安排，制定實施方案。針對遼代白釉穿帶瓶的質(zhì)地和造型特點，選擇無接觸式掃描設(shè)備開展三維掃描工作。在人員組織方面，需1名具備3年以上掃描工作經(jīng)驗的操作人員進(jìn)行掃描。另需1名安全員，觀察現(xiàn)場環(huán)境及人員流動等情況，降低文物受損的風(fēng)險。安全員須由博物館專業(yè)人員擔(dān)任，負(fù)責(zé)文物的安全出庫和擺放等工作。

1.1.3 技術(shù)指標(biāo)及數(shù)據(jù)成果

此次三維掃描制定了相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，幾何信息的采集空間精度優(yōu)于0.05毫米，平均點間距控制小于等于0.2毫米。確保文物本體外無噪點。對于采集的三維模型數(shù)據(jù)成果，可分為存檔級和展示級的三維模型。特別是展示級模型，由于PC網(wǎng)頁端或展示平臺對場景內(nèi)的模型有較高的面數(shù)及紋理方面的要求，為滿足將來線上平臺的展示，需在原有的高精度模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)?，使其能夠建立高效低模的平衡效果，并于線上公布展示。

三維數(shù)據(jù)采集是利用測量設(shè)備對被測物體進(jìn)行全面掃描，得到物體的點云數(shù)據(jù)②。此次三維掃描儀器選擇了Artec Spider手持式三維掃描儀，其3D分辨率可達(dá)0.05毫米。掃描前應(yīng)先對掃描儀器進(jìn)行精度的評估和驗證，通過科學(xué)的評估和分析，提高點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，提供更加可靠的數(shù)據(jù)支持。在掃描過程中，手持掃描儀距離文物保持15～30厘米的間距，對文物本體無接觸發(fā)出脈沖信號，在文物表面產(chǎn)生反射，反饋的信號和數(shù)據(jù)信息在電腦上將同步顯示，時刻觀察掃描動態(tài)提示，微調(diào)掃描儀器位置，平穩(wěn)移動掃描設(shè)備對文物進(jìn)行信息采集，測得三維坐標(biāo)，獲取文物形體信息和三維數(shù)據(jù)，確保采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、完整。由于遼代白釉穿帶瓶內(nèi)壁及瓶底屬于掃描盲區(qū)，掃描儀無法獲取內(nèi)部點云數(shù)據(jù)（圖1），后期可利用拍攝紋理的方式進(jìn)行紋理貼圖。

1.2 數(shù)據(jù)處理

掃描作業(yè)時受人為或環(huán)境等因素的干擾，測量結(jié)果會含有一些噪聲點和冗余點影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，且大量的點云數(shù)據(jù)會直接導(dǎo)致系統(tǒng)軟件運(yùn)行的速度。因此，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量必要的一項操作。通過專業(yè)配套的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，重新將點云分開排列，對點陣進(jìn)行平滑濾波處理，優(yōu)化不良點云，精簡冗余數(shù)據(jù)，以便后期對點云數(shù)據(jù)的拼接、配準(zhǔn)及合并等操作。

本次利用逆向工程軟件Geomagic studio完成三維建模，對拼接好的點云數(shù)據(jù)需進(jìn)一步優(yōu)化處理和封裝，構(gòu)建三角網(wǎng)模型。通過對點、多邊形、曲面環(huán)節(jié)的逐步操作，從而獲取擬合的NURBS曲面模型，達(dá)到優(yōu)質(zhì)的三維模型效果（圖2）。該軟件可將掃描的三維數(shù)據(jù)及多邊形網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字模型，并將保存的文件輸出為多種文件格式。需要注意的是，對于建立的三維模型進(jìn)行平滑、光順處理時，調(diào)整過度會直接影響文物三維模型的紋路細(xì)節(jié)信息。

1.3 紋理采集與處理

要想展示一個逼真的文物模型，只有文物的曲面是不夠的，文物材質(zhì)紋理的表現(xiàn)是文物三維數(shù)字化的一個重要環(huán)節(jié)③。如對于遼代白釉穿帶瓶腹部的細(xì)節(jié)紋理，想要展示清晰且呈現(xiàn)真實的視覺效果，需要通過攝影技術(shù)獲取高質(zhì)量圖片，將拍攝的多幅二維圖像平鋪到三維模型表面。

1.3.1 前期準(zhǔn)備

在進(jìn)行近景攝影測量采集時，光源的色溫、顯色性、打光方向、光線強(qiáng)度及穩(wěn)定性等要素直接影響采集影像的色彩準(zhǔn)確性。在拍攝現(xiàn)場光源下使用Color Checker卡片，拍攝色彩校準(zhǔn)參考照片，再開始影像采集工作。為了保證拍攝數(shù)據(jù)的完整一致，應(yīng)架設(shè)燈光對采集對象進(jìn)行同步打光，達(dá)到均勻的泛光效果，側(cè)面布置帶有紫外線屏蔽罩的閃光燈作為側(cè)光源，保證光線對文物的擾動最小。

1.3.2 圖片獲取

本次進(jìn)行紋理信息采集使用的是索尼A7R4相機(jī)，有效像素為6100。利用旋轉(zhuǎn)臺約每10度拍攝一張，保證每張拍攝的圖像重疊率在65%以上進(jìn)行有序拍攝。

采集過程中應(yīng)注意幾點：一是拍攝時盡量使相機(jī)與文物保持平行，確保拍攝的圖片為正射影像。二是拍攝文物時盡量保證背景無干擾、無眩光，確保獲取的照片質(zhì)量。三是對文物進(jìn)行全方位拍攝不留死角，盡量減少圖像盲區(qū)，避免返工所導(dǎo)拍攝工作的低效。

1.3.3 圖片處理

需要對拍攝的影像進(jìn)行處理，將不同時間、不同光照度下獲取的影像圖片，處理為色彩一致的影像紋理信息。本次圖片處理利用Lightroom軟件，統(tǒng)一管理照片的飽和度和曝光度并刪除拍攝不合格的照片，主要包括調(diào)整亮度、色度、圖像的糾正、多張圖像的拼接等。確保用于紋理映射的照片能夠顯示統(tǒng)一的亮度和色彩還原度，使文物各個部分紋理在視覺上協(xié)調(diào)美觀。

1.4 紋理映射

紋理映射是表現(xiàn)文物模型的一種方式，可將模型表面的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行精美展示。將現(xiàn)場獲取的二維照片圖像通過軟件對三維模型進(jìn)行紋理映射，還原對象本身的真實色彩和紋理特征④。本次紋理映射使用3DS MAX軟件，將模型進(jìn)行分塊和定標(biāo)處理，同時對三維網(wǎng)格形狀進(jìn)行匹配。使用經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的遼代白釉穿帶瓶三維模型和二維圖片，再通過對紋理的編輯、渲染等操作形成貼圖展示，從而獲取逼真的遼代白釉穿帶瓶三維展示模型（圖3）。

2 三維掃描技術(shù)成果的應(yīng)用

以往的文物保護(hù)方法是對文物本體進(jìn)行手工測量，結(jié)合攝影技術(shù)獲取文物信息數(shù)據(jù)，不僅消耗了大量的人力、物力和時間，同時該方法容易受到外界因素的干擾，數(shù)據(jù)上也易出現(xiàn)較大誤差，以此方法呈現(xiàn)的效果也并不理想。而三維掃描技術(shù)具備文物信息采集速度快、數(shù)據(jù)獲取精準(zhǔn)、無需接觸文物本體等優(yōu)勢，更適用于對文物保護(hù)的有效應(yīng)用。對于三維掃描技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化利用詳細(xì)體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 作為文物研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

可依據(jù)三維掃描建立的三維模型，對文物進(jìn)行分析和研究，無需提用文物即可清晰觀察文物細(xì)節(jié)，降低對文物的影響。傳統(tǒng)的文物檔案很難體現(xiàn)文物的細(xì)節(jié)和色彩，利用三維掃描技術(shù)可在無接觸情況下獲取三維細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，1∶1記錄文物本體的現(xiàn)狀信息，并進(jìn)行永久的數(shù)字化存檔。文物是有生命的，文物的破損、損毀也是不可逆轉(zhuǎn)的，但文物的三維信息可以永久留存⑤。由于時間的推移或受不可抗力因素的影響，會導(dǎo)致文物產(chǎn)生某些變化，均可利用數(shù)字化存檔的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，便于文物受損情況的分析與研究。

2.2 用于文物虛擬修復(fù)研究

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，文物保護(hù)工作面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如今，文物保護(hù)工作堅持對文物最小干預(yù)和可逆性的原則，未來基于三維掃描和攝影測量等技術(shù)的相互融合，以數(shù)字化模式精準(zhǔn)記錄文物的幾何特征及紋理信息，以更為科學(xué)和無損的方式對文物進(jìn)行虛擬修復(fù)是必經(jīng)的發(fā)展道路之一。文物虛擬修復(fù)技術(shù)是在三維掃描獲取文物模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，利用計算機(jī)虛擬技術(shù)對文物模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表面進(jìn)行“修補(bǔ)”。通過虛擬修復(fù)，可記錄文物本體、病害形成的相關(guān)數(shù)據(jù)，有利于對文物病害虛擬修復(fù)、對稱性研究等，更為將來對文物實體修復(fù)和文物修復(fù)方案的制定提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 用于文物的虛擬展示

通過三維掃描技術(shù)獲取文物全方位的三維模型，可作為虛擬展示的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。虛擬文物展示是把虛擬展示和實體展示的空間相結(jié)合，運(yùn)用電腦和網(wǎng)絡(luò)等軟硬件設(shè)備，突破了運(yùn)用燈光、文字、圖片、展柜等傳統(tǒng)的布展方式⑥，建立觀眾與文物之間的感官互動，實現(xiàn)多種方式的文物觀覽。例如，中國考古博物館利用虛擬展示技術(shù)，展示了白底黑花龍鳳紋瓷罐，此文物形制獨(dú)特，紋飾精美，肩部繪纏枝花卉紋一周，腹部一面繪龍紋，另一面繪鳳紋，周圍填以卷云紋，在不同角度都可感受到此件文物的獨(dú)特魅力。為了便于觀眾不用移動視角觀覽，利用虛擬展示技術(shù)將文物三維圖像映射到展柜玻璃外側(cè)，觀眾可以點擊屏幕全角度地進(jìn)行觀賞。既確保了文物在安全前提下完整地展示，又能讓觀眾近距離觀察文物的形態(tài)、紋飾等細(xì)節(jié)，體現(xiàn)了智慧博物館的價值和意義。

2.4 用于3D文物模型的展示

基于三維掃描技術(shù)獲得的三維模型數(shù)據(jù)，可以精準(zhǔn)建立3D打印的文物模型。在日常工作中，可能會出現(xiàn)某件文物正在修復(fù)或文物限制出庫等情況，若缺少此件文物的展出，有可能會影響整條展線的綜合效果。利用三維掃描技術(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲取的三維模型進(jìn)行3D打印，無需提用原文物，可展出珍貴文物的復(fù)制品，如此既降低了文物受損風(fēng)險，也避免了因人為或環(huán)境因素影響對文物產(chǎn)生的損害。

3 關(guān)于三維掃描技術(shù)的問題與思考

3.1 個別文物在三維掃描工作中的安全性問題

由于一些文物形制特殊、本體脆弱等原因，給三維掃描工作帶來了較大難度。例如，此次三維掃描的陶制水管，該水管通高67厘米，在托盤旋轉(zhuǎn)時出于安全性考慮，需要在掃描過程中進(jìn)行人為保護(hù)，防止旋轉(zhuǎn)臺移動時意外導(dǎo)致文物滑落受損，并利用防震泡沫在底部進(jìn)行鋪設(shè)，做好有效防護(hù)措施。

3.2 文物的局部信息無法完美展現(xiàn)

三維掃描技術(shù)現(xiàn)已成為文物數(shù)字化信息主流技術(shù)，但由于某些文物質(zhì)地、構(gòu)造的特殊性，在掃描或拍攝中難以完全獲取文物的信息，導(dǎo)致掃描技術(shù)的使用上仍存在一些弊端。例如，掃描儀能穿透透明材質(zhì)，在掃描部分文物時配合使用了玻璃材質(zhì)的工裝，但也是由于這一特性，此技術(shù)對于玉器、瑪瑙器這類有一定透明度文物的掃描還存在一定的局限性⑦。這可能是因玉器和瑪瑙器的材質(zhì)特殊，掃描的信號光束會有反射，使其無法獲取三維坐標(biāo)信息。

3.3 技術(shù)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性

對于博物館而言，大量的館藏文物想要全部采集三維數(shù)據(jù)并不是容易的。如上所述，對一件文物進(jìn)行三維掃描采集數(shù)據(jù)，到形成高精度、高質(zhì)量的三維模型，工作量還是相當(dāng)大的。不僅需要將原始三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，還要結(jié)合攝影技術(shù)及專業(yè)軟件對高清影像進(jìn)行紋理信息的采集和紋理處理及貼圖。由此可見，三維掃描技術(shù)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，且門檻較高。如未來三維掃描技術(shù)在保證現(xiàn)有優(yōu)勢的前提下，能不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)處理，提高三維數(shù)據(jù)獲取效率，簡化操作流程，對博物館數(shù)字化建設(shè)能發(fā)揮更大的作用。

3.4 行業(yè)發(fā)展與使用成本問題

目前，國內(nèi)的三維掃描技術(shù)已逐漸成熟，技術(shù)成果在業(yè)內(nèi)也得到了相應(yīng)的認(rèn)可。但由于博物館體積大、文物數(shù)量多、人員不足等原因，對于行業(yè)的發(fā)展有所限制。所以，在諸多理論和技術(shù)實踐方面還有待于完善。對于基層博物館而言，配套的技術(shù)設(shè)備成本較高，運(yùn)用的工程軟件價格也較為昂貴，在某種程度上限制了博物館內(nèi)三維掃描技術(shù)的普及和應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過對三維掃描技術(shù)的應(yīng)用，不僅能全方位地記錄文物的體貌特征，獲取精確的三維數(shù)據(jù)，還讓館藏文物對參觀者有了“說話”的機(jī)會，更為文物保護(hù)修復(fù)等多方面工作提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。北京考古遺址博物館基于三維掃描技術(shù)對館藏文物進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集，未來將利用三維數(shù)字化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為依托，提高文物保護(hù)與科學(xué)研究的技術(shù)水平，從更多的視角挖掘文物的價值，提升博物館的現(xiàn)代化宣傳效能，也能為博物館數(shù)字化成果的轉(zhuǎn)化及利用提供完整的信息和資源。

注釋

①第五屆全國人民代表大會常務(wù)委員會.中華人民共和國文物保護(hù)法[Z].1982-11-19.

②黎鵬.基于三維掃描與3D打印的機(jī)件建模方法研究與實現(xiàn)[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2017.

③周亞男.基于激光掃描技術(shù)的文物三維數(shù)字化方法研究與應(yīng)用[D].西安：陜西科技大學(xué)，2012.

④陳川.三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（22）：81-86.

⑤邵壯.館藏文物三維數(shù)字化探究：以中國國家博物館為例[J].文物鑒定與鑒賞，2020（24）：97-103.

⑥汪浩.虛擬文物的互動展示方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2015.

⑦宋伯涵.北京市大葆臺西漢墓博物館文物數(shù)字化建設(shè)的探索與思考[J].文物鑒定與鑒賞，2020（15）：104-106.