3D技術(shù)在文物保護應(yīng)用中的若干問題與對策探究（上）

提要：3D技術(shù)以其精度高、速度快以及無損等特點優(yōu)勢，逐漸成為文物測繪與數(shù)字化的重要手段。然而，在文物保護應(yīng)用中出現(xiàn)了人工干預(yù)高、成果不實用、數(shù)據(jù)利用率低等普遍問題。基于3D技術(shù)在多項文物保護修復工程中的應(yīng)用實踐分析，認為亟需建立相應(yīng)的工作流程及技術(shù)成果規(guī)范，內(nèi)容重點涉及精細化信息的認知與采集、三維建模與質(zhì)量評估、多元數(shù)字化表達體系建立及文物保護專項應(yīng)用深化等方面。

大足石刻寶頂山千手觀音造像修復前后對比（a 修復前）

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大足石刻寶頂山千手觀音造像修復前后對比（b 修復后）

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一、文物保護的3D技術(shù)需求

由于自然與人為因素的影響，文物不可避免地遭受破壞或消亡的威脅，人們借助各種科技手段對文物實施保護，其中，利用數(shù)字信息技術(shù)，進行永久存檔、傳承記憶及相關(guān)研究，成為文物保護的重要方向。文物自身的特殊性決定了文物數(shù)字化保護工作的特殊需求，首先為滿足文物保護最小干預(yù)原則，要求盡量采取非接觸式的無損技術(shù)手段，其次，由于文物多具有復雜的立體形狀與空間結(jié)構(gòu)，部分不可移動文物還處在異常復雜的環(huán)境之中，需要采用高新數(shù)字化信息技術(shù)。為此，3D技術(shù)成為文物數(shù)字化應(yīng)用研究的熱點。目前，3D技術(shù)主要分為激光三維掃描及光柵掃描兩類，其核心技術(shù)在于測距方式，一般而言，基于三角測量或相位測距方式的三維設(shè)備能獲得更高的精度，而基于時間飛行的設(shè)備能達到更遠的測程。3D技術(shù)以其安全性高、精度高、效率高及成果形式豐富等優(yōu)勢，在文物保護工作中得到了廣泛應(yīng)用，主要包括：文物信息記錄與存檔[1-2]、考古制圖[3-4]、虛擬修復或復原[5-6]、文物保護工程輔助設(shè)計[7-8]、文物數(shù)字展示[9]、遺產(chǎn)監(jiān)測[10]及其他應(yīng)用[11]。

然而，目前仍存在一些問題亟待解決，如文物管理者難以進行質(zhì)量評估驗收及把握合理的資金預(yù)算，文物保護專業(yè)人員難于制作或使用規(guī)范而實用的圖件，3D技術(shù)人員因缺乏文物理論知識而難以避免數(shù)據(jù)處理中不當?shù)娜斯じ深A(yù)。中國文化遺產(chǎn)研究院通過近十年30余項文物保護工程應(yīng)用實踐表明，建立3D技術(shù)在文物保護應(yīng)用中的相關(guān)規(guī)范，搭建好文物保護專業(yè)人員與3D技術(shù)人員之間的橋梁，是解決上述問題的關(guān)鍵[12]。

二、主要問題分析

（一）文物三維數(shù)字化保護標準規(guī)范缺乏及難點

據(jù)全國文物保護標準化項目統(tǒng)計調(diào)查，發(fā)現(xiàn)文物行業(yè)數(shù)字化保護相關(guān)標準相對缺乏， 2016年以前，尚無一項文物數(shù)字化保護的行業(yè)標準，2016年列立了一系列針文物數(shù)字化保護相關(guān)標準，但未有3D的專項標準，至2017年才計劃列設(shè)了《石窟寺壁畫數(shù)字化勘察測繪技術(shù)規(guī)程》、《館藏文物數(shù)字化三維模型重建與質(zhì)量評價》兩項行業(yè)標準。

此類文物標準規(guī)范研制的難點主要有兩點：一是文物的豐富多樣性而又唯一性，如何從差異性中尋求共性具有較大難度；二是文物保護行業(yè)是多學科交叉介入，如何吸收不同行業(yè)中的相關(guān)標準的優(yōu)點為文物行業(yè)所用，難免需要求同存異的過程。

（二）文物三維數(shù)字化工作程序中多學科交叉性需求強

文物三維數(shù)字化一般包括現(xiàn)場踏勘、方案設(shè)計、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、成果應(yīng)用等主要工作環(huán)節(jié)，而在各個環(huán)節(jié)中均需要多學科人員的共同參與。其中：在現(xiàn)場踏勘工作中，除了解文物的基本形狀特點及環(huán)境外，更需要了解文物保護的具體需求、文物的相關(guān)歷史資料，以更合理的進行方案設(shè)計；在方案設(shè)計及外業(yè)數(shù)據(jù)采集階段，除了3D技術(shù)人員要盡可能優(yōu)化數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案外，同時要學習了解一些文物的基本知識，更需要文物專業(yè)人員在第一手原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查中發(fā)揮重要作用；在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果應(yīng)用環(huán)節(jié)，尤為強調(diào)多專業(yè)人員的共同介入，方能保證制作的圖件與模型能滿足文物保護應(yīng)用的切實需求。

三、應(yīng)對策略思考

基于上述問題分析，就3D技術(shù)在文物保護應(yīng)用中的策略與主要研究方向進行探討：

（一）文物信息精細化認知與采集

有形物質(zhì)是文物信息的基本載體，主要包括外表形狀信息和表面紋理信息。如何保證外部幾何信息的精準性及紋理信息的逼真性，成為文物信息精細化采集的首要目標任務(wù)。但是在以測繪信息技術(shù)為主的數(shù)字化行業(yè)傳統(tǒng)上多聚焦于有形的“物”，對于無形的、而又蘊含文物重要價值的“文”的理解往往有所欠缺，造成再高精的測繪技術(shù)也可能只是體現(xiàn)出文物的形貌而非神韻。因此，在實施數(shù)據(jù)采集前需要進行基于文物價值認知的空間分析，從而選擇更合理的采集方式。

在文物信息采集時，一方面，要注重文物數(shù)字化精度的選擇，需要通過前期采集試驗，進行設(shè)備比選，確定最佳精度和密度，盲目采用儀器進行所謂的高精度采集往往會導致垃圾數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及海量數(shù)據(jù)處理的困難性。另一方面，文物數(shù)字化保護所指的信息范圍應(yīng)有所界定，廣義的文物數(shù)據(jù)信息還包括無損及無損檢測數(shù)據(jù)、本體及環(huán)境勘察數(shù)據(jù)、遺產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)等，在文物保護工作中，可結(jié)合常規(guī)數(shù)字化保護數(shù)據(jù)的不足及保護工作的需要，提取部分數(shù)據(jù)作為補充。

（二）三維建模與質(zhì)量評估

文物三維建模目前多依賴于Geomagic等成熟的專業(yè)軟件，技術(shù)上已鮮有突破，而更需要的是建立標準的建模工作流程，包括點云處理接、三維幾何建模及紋理貼圖等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在點云數(shù)據(jù)處理中盡量避免因人工干預(yù)而造成的特征數(shù)據(jù)丟失，包括點云預(yù)處理、點云拼接及點云除冗等主要環(huán)節(jié)。在三維空間幾何模型構(gòu)建中多采用三角網(wǎng)方式，與傳統(tǒng)方式建模有所區(qū)別的是，為突出文物局部細節(jié)，往往需要實施多尺度不同精度的建模。在彩色三維模型的構(gòu)建中注重特殊視角的選擇及邊界差異的消減。此外，在三維建模的各環(huán)節(jié)均需要實時評估質(zhì)量。

（三）多元數(shù)字化表達體系建立

傳統(tǒng)上對文物的描述為照片及文字方式，存在單一和抽象的問題。基于3D技術(shù)，極大地豐富了文物信息形式，但是需要結(jié)合文物工作者的慣例及常規(guī)平立剖面圖特點，形成基于3D的文物多元數(shù)字化表達體系。結(jié)合多種文物保護工程需求，文物多元數(shù)字化表達體系可歸為三大類9小類：

1、基礎(chǔ)模型類：即三維幾何模型。該模型為根據(jù)處理過的點云直接構(gòu)建的未著色彩的三維模型，可用于展示及簡單的尺寸量測，也是其他圖件模型的基礎(chǔ)。

2、基本描述類：包括白模圖和正射影像圖兩類。白模圖實為三維幾何模型不同視角的二維平面圖。正射影像圖是利用數(shù)字高程模型經(jīng)過逐像元進行投影差改正、鑲嵌、剪裁而生產(chǎn)的影像，兼具影像和幾何信息，直觀而可直接量測，成為文物保護工程中最基本的一類圖件，如在文物病害調(diào)查中可直接作為底圖進行病害標注和面積統(tǒng)計等。

3、專題表達類：主要包括特征線劃圖、剖面圖、等值線圖、骨架線圖、透視圖、展開圖等7類。特征線劃圖是體現(xiàn)文物形態(tài)特征的一類重要圖件，如考古線圖。剖面圖是通過對圖形按照一定剖切方向所展示的內(nèi)部構(gòu)造圖示，包括全剖、半剖及階梯剖圖等，是文物保護工程中進行詳細設(shè)計時所需要的重要圖件。等值線圖是是用數(shù)值相等各點聯(lián)成的曲線（即等值線）在平面上的投影來表示被攝物體的外形和大小的圖，可用于工程設(shè)計或雕刻復制。骨架線圖是用與原形狀連通性和拓撲結(jié)構(gòu)相一致的細曲線作為理想表達的一種對象表示，是對文物特征的一種抽象描述。透視圖是在人與文物之間設(shè)立一透明的鉛錘面作為投影面，人的視線透過投影面而與投影面相交所得的圖形。展開圖是在文物表面沿一條特定的線切開后鋪平成平面圖形，可用于文物修復設(shè)計中的對比研究或展示。

（四）文物保護專項應(yīng)用深化

文物保護工作范圍十分廣泛，在具體的文物保護專項中需要結(jié)合特殊需求對3D基礎(chǔ)成果作進一步加工。在文物修復前，為避免不當?shù)男迯停山Y(jié)合原始文物3D模型圖件及相關(guān)數(shù)據(jù)進行修補，并借助VR/AR等技術(shù)，提供若干虛擬修復效果，供專家比選以確定更合理的修復方案。在文物數(shù)字展示中，可將3D成果作為基本素材或進一步加工，豐富展示內(nèi)容。在遺產(chǎn)監(jiān)測中，可將不同時間的三維數(shù)據(jù)進行對比分析，達到全方位的立體監(jiān)測。為加強數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護，可在三維模型中添加數(shù)字水印。為便于三維數(shù)據(jù)成果的管理與使用，可建立三維可視化系統(tǒng)平臺。

3D技術(shù)的詳細應(yīng)用案例，

請留意后續(xù)內(nèi)容……

參考文獻

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撰文：吳育華，許東

圖片：吳育華

編校：劉葳

審核：彭蕾