三維掃描技術在博物館中的應用

摘 要：在科技進步的浪潮下，數(shù)字化技術為文物的修復與利用開辟了新視野，尤其以三維掃描技術為突出代表。文章深入剖析了三維掃描技術在博物館中的應用現(xiàn)狀，細致探討了該技術在文物信息記錄、修復方案設計、狀態(tài)監(jiān)測評估以及虛擬現(xiàn)實展示方面的獨特優(yōu)勢。通過構(gòu)建高精準度的數(shù)字化模型，三維掃描技術不僅顯著提升了修復工作的效率，還極大降低了修復作業(yè)中的文物受損風險，還為文物的變形監(jiān)測與數(shù)字化展示開拓了新的方法路徑。盡管如此，當前領域內(nèi)針對各類文物的標準化體系建設仍有待加強和完善，亟須進一步的科研探索，以驅(qū)動文物保護技術的持續(xù)發(fā)展與革新。

關鍵詞：三維掃描；數(shù)字化技術；文物保護修復

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.06.030

三維掃描技術集成了光學、機械、電氣及計算機科學等技術，能夠精密獲取物體表面的點云數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換構(gòu)建出數(shù)字模型。對比傳統(tǒng)的記錄方法，三維掃描技術展現(xiàn)了快速、高精度及無損接觸的獨特優(yōu)勢，顯著提高了工作效率。盡管傳統(tǒng)修復方法是文物保護工作的基石，但是在面對復雜文物的修復時，數(shù)字技術的介入解決了傳統(tǒng)修復方法中難以克服的困難。三維掃描與三維打印技術的聯(lián)合，有效降低了文物在修復過程中二次損壞的風險，為文物保護與修復領域提供了嶄新路徑。此外，三維掃描技術亦是構(gòu)筑數(shù)字展陳與虛擬博物館的技術支柱，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術，極大地拓寬了文物資源的開發(fā)利用空間，鞏固了其在數(shù)字化保存、修復展示領域核心工具的地位。本文將深入分析三維掃描技術在文物修復與利用中的實際應用，力圖為文物數(shù)字化保存、展示及修復提供堅實的理論支撐與實踐導向。

1 三維掃描技術的基本原理

三維掃描技術獲取文物表面信息依托于三種核心手段：激光采集、二維攝影采集及結(jié)構(gòu)光數(shù)據(jù)采集。根據(jù)掃描方法的不同，可分為接觸式掃描與非接觸式掃描兩大類。接觸式掃描依賴于直接接觸文物表面來收集信息，其優(yōu)點在于高精確度，但可能會對文物造成損害；非接觸式三維掃描技術涵蓋激光、電磁波及超聲波三類掃描方法。當前，三維激光掃描技術因其高速度與毫米級的高精度，成為應用最成熟的方法。三維激光掃描技術尤其適用于那些易損壞文物的掃描，它能夠細膩地復原文物的每一處細節(jié)，為文物的數(shù)字化檔案建立、在線展示及深入的保護修復打下堅實的數(shù)據(jù)基礎。

激光三維掃描技術的核心組件為激光測距系統(tǒng)與反射棱鏡裝置，該裝置能夠引導激光以恒定的角速度掃描，同步發(fā)射與接收文物表面反射的激光信號，以此測定文物表面的間距并獲取其空間坐標信息。數(shù)據(jù)收集完成后，對所獲取的點云數(shù)據(jù)施以簡化、去噪及網(wǎng)格化預處理等，旨在構(gòu)建被掃描文物的三維數(shù)字模型。隨后，在UV坐標系下，借助高分辨率圖像資料完成對文物表面細節(jié)的紋理貼圖處理，從而創(chuàng)造出高度逼真的文物三維模型。

2 三維掃描在文物修復保護中的應用

2.1 文物記錄與數(shù)字化

鑒于文物的不可再生性，《威尼斯憲章》強調(diào)“一切保護、修復和發(fā)掘工作都要有精準的記錄”①，《中華人民共和國文物保護法》也明確表明文物保護修復要堅持不改變文物原狀的原則。實施任何保護與修復措施之前，全面且精確地記錄文物初始狀態(tài)至關重要。然而，傳統(tǒng)記錄手段，諸如手工繪圖、現(xiàn)場測量或依賴照片、拓片收集資料，不僅受限于人為誤差導致的測量不準確，還可能面臨對文物形態(tài)復雜細節(jié)難以復刻的困境。因此，引入科技手段以采集文物信息顯得尤為迫切。三維掃描技術恰能滿足此需求，它憑借非接觸、無損的特性，高效且精確地完成文物信息的采集與數(shù)字化存儲。這一數(shù)字化記錄和存儲方法不僅突破了傳統(tǒng)信息保存方式的空間限制與物理損耗問題，還促進了文物數(shù)據(jù)的長期留存與便捷共享，極大地提高了文物保護研究的效率，為學者間的信息交流提供了便利。

數(shù)字化手段帶來了諸多便利，但仍面臨許多挑戰(zhàn)，諸如數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性、防泄露和防盜竊等問題。隨著三維數(shù)字化技術的不斷演進，早先構(gòu)建的數(shù)字模型可能因技術迭代而損失信息真實性，從而導致歷史信息的缺損與不一致。例如，國際古跡遺址理事會（ICOMOS）主持的項目中，部分項目取得的數(shù)字化成果在短短2～3年后便遭遇了原有功能和信息丟失的困境。

2.2 文物修復

文物修復是文物保護學科內(nèi)一個關鍵的分支，其核心在于還原文物的原始狀態(tài)，要嚴格遵循國家保護修復規(guī)范，融合傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代修復技藝，綜合了物理、化學、美學及手工技藝等多個知識體系，是一門具有藝術性的應用科學②。因此，一位杰出的文物修復專家，不僅需要擁有高超的修復技藝，還應懷有深厚的藝術底蘊。修復工作的質(zhì)量評估涉及文物材質(zhì)屬性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及當前狀況的精確評估。此外，廣泛累積歷史學識、深刻領會文物所承載的歷史信息特征，同樣是不可或缺的一環(huán)。

隨著數(shù)字化技術的迅速發(fā)展，文物保護與修復的技術和策略持續(xù)創(chuàng)新，呈現(xiàn)出多樣化的新興趨勢。這些先進的技術手段不僅極大提升了修復工作的效率，還針對性地克服了諸多傳統(tǒng)修復技術中固有的難題。在過去的修復實踐里，數(shù)據(jù)收集及文物碎片的拼對環(huán)節(jié)難免要高頻率直接接觸文物本身，鑒于文物保護秉持的最小干擾原則，直接在文物實體上實施嘗試性修復的行為勢必會對文物造成一定影響，故而構(gòu)建虛擬修復模型顯得尤為關鍵。三維數(shù)字化技術憑借其非接觸式掃描及三維模型構(gòu)建等流程，有效規(guī)避了直接碰觸文物的問題。通過三維掃描技術獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術和可視化軟件，可以實現(xiàn)文物本體的虛擬重構(gòu)和再現(xiàn)。在三維模型軟件內(nèi)，不僅能夠?qū)ξ奈锬Ｐ瓦M行尺寸測量、紋飾提取及虛擬修復等操作，為修復策略的制定提供更為直觀的依據(jù)，還允許多次試錯與修訂，遴選出最優(yōu)方案。另外，結(jié)合三維打印技術輔助制作補配件，省去了傳統(tǒng)翻模等煩瑣且失敗率極高的步驟。憑借三維軟件的精密計算工具，能定制出與文物殘損部分完美貼合的補件模型，這種方式摒棄了傳統(tǒng)修復中“先鏟平斷茬再補配殘件”的補配方式，既遵循了最小干預原則，又以高精度完成了文物的復原工作。

在文物修復工作中，老化木質(zhì)文物修復難度很大，但三維掃描技術的應用不僅顯著提升了修復工作的效率，還有效減輕了人工雕刻過程中固有的主觀影響。譬如故宮太和殿的雕云龍紋望柱頭，此文物曾使用環(huán)氧樹脂進行過黏合處理，但隨著時間推移，黏合材料老化導致該文物再度碎裂。在這種情況下，傳統(tǒng)修復手段難以施展。鑒于此，修復團隊采取了數(shù)字化復制技術，通過制作高精度復制品來繞過直接修復原件的難題。該過程涵蓋了數(shù)據(jù)掃描、逆向三維建模、模型優(yōu)化處理、三維打印、著色及安裝等步驟，成功地應對了雕云龍紋望柱頭的修復難題（圖1～圖3）③。

2.3 修復過程的監(jiān)測與評估

三維激光掃描技術展現(xiàn)了在監(jiān)測文物形變方面的應用性。文物的安全監(jiān)測大致包含兩方面內(nèi)容：一是文物本體的監(jiān)測，二是空間環(huán)境的監(jiān)測。對于可移動文物來說，文物本體的監(jiān)測尤為重視文物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性，尤其是文物修復環(huán)節(jié)中可能引發(fā)的變形或損壞。至于空間環(huán)境的監(jiān)控，則著重考察不同環(huán)境條件對文物狀態(tài)的影響，比如保存環(huán)境的溫濕度波動和物理陳列位置變動可能對文物造成的影響。鑒于文物狀態(tài)是持續(xù)發(fā)生變化的，監(jiān)測活動需貫穿所有時間段，確保能實時監(jiān)控文物狀態(tài)的任何變化。

在傳統(tǒng)的文物監(jiān)測中，數(shù)據(jù)采集往往局限于特定的點位。盡管這種策略能夠覺察到若干顯而易見的形變或風險，但因未能實現(xiàn)文物全范圍的覆蓋，對于局部的細微變化可能關注度不足，進而有引發(fā)文物結(jié)構(gòu)整體受損的風險。此外，傳統(tǒng)的監(jiān)測體系高度依賴于文字、圖示資料與攝影圖像，這些手段在全方位捕捉及深入剖析動態(tài)變化過程方面存在局限，不利于全面評估文物的保存環(huán)境。

三維掃描技術中三維激光掃描與傾斜攝影技術的應用，為可移動文物的安全監(jiān)控帶來了革新。三維激光掃描技術能夠捕獲文物的高密度點云數(shù)據(jù)，并通過跨時段點云數(shù)據(jù)對比，詳盡了解文物的各種變化情況，涵蓋文物位置偏移、傾斜角度、細微結(jié)構(gòu)變形及破損狀況等。與傳統(tǒng)手段相比，三維激光掃描技術顯著提升了監(jiān)測的精確度，全面涉及文物的宏觀形態(tài)與微觀細節(jié)，使文物形變的評估更為周密與精確。

2.4 模型的虛擬展示與公共教育

近年來，國內(nèi)學術界在考古學與文化遺產(chǎn)研究領域，針對文物保護、學術研究及公眾教育展示等多元需求，廣泛采用了三維激光掃描技術、高分辨率影像處理以及虛擬技術，并將這些先進技術集中應用于文物的保護修復、大規(guī)模現(xiàn)場展示、互聯(lián)網(wǎng)傳播平臺構(gòu)建以及數(shù)字化博物館系統(tǒng)的開發(fā)上。

中華文明探源工程是國家“十五”重點科技攻關項目，獲得了國家文物局的鼎力支持。在此框架下，南京博物院、故宮博物院及敦煌研究院等多家單位申報“遺址保護的虛擬現(xiàn)實技術系統(tǒng)預研究”課題④，該課題致力于探索虛擬現(xiàn)實技術在文物展覽、復原及保護領域的創(chuàng)新應用。

借助數(shù)字博物館的構(gòu)建，文物資源的保存與虛擬復現(xiàn)得以實現(xiàn)，進而推動實體博物館的收藏、研究、展示及教育職能向更廣闊領域延展，促進文物資源全民共享⑤。游客可通過館內(nèi)先進設施，實現(xiàn)現(xiàn)場檢索、觀摩，了解館藏文物的超清數(shù)字文物資料。同時，借助內(nèi)容管理系統(tǒng)，博物館還能夠在線上進行虛擬策展，實現(xiàn)一鍵部署線下展覽，以及展示以往實體展覽的數(shù)字化版本，深度剖析展品細節(jié)。博物館通過虛擬策展、數(shù)字展示、學術講座及教育培訓等活動，為學者專家與研究型觀眾開展線下學術探討、授課等提供多種空間。

在數(shù)字化展覽實施過程中，博物館面臨若干挑戰(zhàn)，諸如原始環(huán)境信息的缺失、展示內(nèi)容的局限性及展覽協(xié)調(diào)不足等問題。在當前情況下，博物館對考古數(shù)字信息的展示多側(cè)重于遺址和文物兩類數(shù)據(jù)，對于考古發(fā)掘的航拍圖像、探坑圖紙、視頻資料等其他形式的數(shù)據(jù)展示較為不足，限制了信息的全面?zhèn)鬟f。

當考古發(fā)現(xiàn)的文物被安置于博物館進行展示時，它們與原始埋藏環(huán)境的關聯(lián)在某種程度上被削弱。這一現(xiàn)象在數(shù)字化展示技術的運用下更為顯著。誠然，數(shù)字化手段賦予了觀察者更為精細的視覺體驗及多元的觀賞維度，卻在很大程度上阻礙了觀眾深入領會文物背后所承載的文化含義。

2.5 數(shù)字化文物保護發(fā)展與困境

近年來，我國在數(shù)字化文物保護領域取得了顯著的發(fā)展。2003年11月，中國博物館學會數(shù)字化專業(yè)委員會的成立標志著我國文物數(shù)字化保護工作駛?cè)肓丝燔嚨馈?/p>

隨著數(shù)字化技術在文物保護領域的深化應用，相應的規(guī)范體系與政策措施逐漸趨于完備。2017年，業(yè)界頒布了《石窟寺壁畫數(shù)字化勘察測繪技術規(guī)程》與《館藏文物數(shù)字化三維模型重建與質(zhì)量評價》兩項專業(yè)標準⑥，為文物數(shù)字化保護設立了具體的標準。2019年，財政部和國家文物局下發(fā)了《關于印發(fā)國家文物保護專項資金管理辦法的通知》，規(guī)范了國家文物保護專項資金的管理，明確了其資助范疇，涵蓋國有文物收藏單位一至三級珍貴文物的預防保護⑦、技術保護及數(shù)字化保護等多個維度。

盡管已取得若干進步，但是數(shù)字化文物保護仍面臨顯著挑戰(zhàn)。首要問題在于，對于數(shù)字化建設的基本原理與重要性的認知缺失。部分文化遺產(chǎn)管理機構(gòu)及博物館，對于數(shù)字化建設的理解和重視程度不足，進而導致構(gòu)建高效數(shù)字化管理體系與運作機制的障礙。其次，標準化制度的發(fā)展步伐遲緩。由于數(shù)字化標準規(guī)范與制度框架的不健全，加之相關基礎理論研究的匱乏，項目實施過程中標準不一、各自獨立操作乃至重復建設的現(xiàn)象屢見不鮮，這些問題嚴重阻礙了信息資源共享與開發(fā)利用的廣度和深度。最后，基礎設施的不完善構(gòu)成了另一大難題，具體體現(xiàn)在全國文物系統(tǒng)中的網(wǎng)絡架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫體系等關鍵設施依舊薄弱，大容量信息交換通道不暢。這些基礎設施層面的瓶頸，直接限制了文物數(shù)字化保護工作的深入開展。

3 結(jié)論

三維掃描技術在文物修復與保護實踐中已彰顯出重大的應用價值與潛力。該技術憑借其高精確度及非接觸式的數(shù)據(jù)獲取特性，極大提升了文物信息記錄的可靠性與修復工作的效率。它不僅能夠用于建立高還原度的文物數(shù)字模型，還能夠與虛擬現(xiàn)實技術融合，實現(xiàn)虛擬修復與展示，從而避免了對文物實體的直接干預，以及可能誘發(fā)的二次損害。此外，三維掃描技術在監(jiān)測文物形態(tài)變化及分析空間環(huán)境方面也起到了核心作用，為文物的長期保存提供了數(shù)據(jù)支持。然而，文物的數(shù)字化保護工作仍面臨標準化體系不健全、技術快速更新的挑戰(zhàn)，以及跨學科合作的復雜性等諸多問題。這些難題亟須通過深化研究與標準化建設來破解，以驅(qū)動文物保護技術的持續(xù)演進。展望未來，隨著技術的不斷發(fā)展與標準體系的日臻完善，三維掃描技術有望在文物保護與修復中發(fā)揮更廣泛的影響力。

注釋

①吳澤英.北京明清城門廣場綠地體系研究[D].北京：北京林業(yè)大學，2011.

②潘炫辰，劉芳.基于故宮博物院數(shù)字文物庫的信息可視化研究：以“故宮文物醫(yī)院”為例[J].湖南包裝，2024，39（1）：168-170，188.

③④⑤黃齊成.三維數(shù)字化技術在木器文物修復中的應用研究[J].中國文物科學研究，2024（2）：81-90.

⑥牛世山.基于GIS、VR技術的考古對象的數(shù)據(jù)采集、復原和展示[J].南方文物，2015（3）：189-191，198.

⑦魏利偉，李文武，劉俊華.國內(nèi)外文物數(shù)字化保護標準現(xiàn)狀及趨勢研究[J].中國標準化，2016（6）：91-96.