基于三维数字化技术的馆藏文物数字化保护方法研究

时间：2024-05-17

摘要：针对馆藏文物亟待更完善的数字化保护方法这一迫切需求，本文以文物保护工作中的原真性原则为出发点，分析目前常用的馆藏文物数字化方法的优劣，提出将结构光三维扫描技术和图像建模技术相结合的文物数字化方法，针对该方法中的技术难点，使用ICP算法进行模型匹配，并附以实践证明，该方法具有良好的可行性。

关键词：馆藏文物;原真性;数字化保护;点云配准

中图分类号：G264 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）01-00-03

文物是人类文明的载体，但随着时间流逝与人类活动的影响，许多文物均遭到不同程度的损坏。2007年，国家文物局在《中国文物年鉴》中指出，“全国有50.66%的馆藏文物存在不同程度的腐蚀损害，其中重度及以上腐蚀的馆藏文物有230余万件”[1]。随着数字化技术的发展，博物馆所面临的问题有了更加切实可行的解决思路与方法。

本文以原真性原则为前提，通过分析目前常用的馆藏文物数字化方法，结合馆藏文物的数字化需求，设计一套基于三维数字化技术的馆藏文物数字化保护方法。

1 文物数字化保护的原真性原则

1.1 原真性原则的概念

“原真性”一词最早出现在1964年的《威尼斯宪章》，“将符合历史原真性的全部信息传递下去是我们的职责”[2]，即尊重文化遗产背后的历史信息，在保护过程中应尽可能地保证历史信息的真实可信。1994年，《奈良真实性文件》针对东西方文化背景的不同，对原真性原则进行了更进一步的探讨与解读，提出“在实际应用中，文化遗产的原真性与当地的历史文脉有着紧密的联系，因此应当给予足够的尊重”[3]，强调应注重结合原真性与不同区域的民族文化特征进行解读。

在开展文物数字化保护工作时，原真性原则有重要的指导意义。如何在符合原真性原则的前提下开展文物数字化保护工作，是应当重点关注的内容。

1.2 原真性原则的核心要求

随着人们对文物数字化保护的认识逐步深入，原真性原则在文物数字化保护领域的要求更加具体。其中，历史信息的原真性和文物本身的原真性两项核心要求起到了重要的指导作用。

1.2.1 历史信息的原真性

《威尼斯宪章》中提出，“文化遗产不可以从其所见证的历史和其所产生的环境中分离出来”。文物并非孤立地存在于世界上，任何文物都包含着其历史所在地区的民族特征与地域特征等历史文化信息。因此，我们在文物数字化过程中既要还原文物本身的物态，更要尽可能保留其历史信息。

1.2.2 文物本身的原真性

“不改变文物原状”是《中华人民共和国文物保护法》中的最基本原则[4]，保持文物的“原状”，即保持文物本身的原真性，由此出发，这一概念又可以细分为形制、材料、结构三方面的原真性。在文物的数字化过程中，文物本身的原真性原则一般仅要求保留文物的原状，将文物的样貌精准还原在数字模型上。

1.3 原真性原则在数字化保护中的指导作用

在进行文物数字化实践之前，需要对保护文物历史信息的原真性有明确的认识，从而更好地将其运用到实践中。原真性原则在实践中的指导作用具体体现在以下三点：

1.3.1 对于文物形制的还原

文物与其所在时期的社会文化背景有极为紧密的联系，文物本身的形制与纹样承载了丰富的文化内涵与历史信息，更是研究传统工艺史的重要佐证。在文物的模型重建过程中，应将文物的每个细节进行真实细致的还原，以保证其在后续研究应用中的价值。

1.3.2 对于文物材料的还原

文物在时间尺度上的历史信息主要集中体现在其表面的颜色纹理与几何纹理上。文物见证了它所经历的每个时期的生活方式和社会变迁，文物的材质也随着岁月流逝有不同程度的变化。极具真实感的纹理贴图既保留了文物表面所包含的历史信息，同时也记录了文物最真实的样貌。

1.3.3 对于文物结构的还原

文物因类型的不同而有不同的结构特征，不仅代表了其所处历史时期的工艺水平，也侧面体现了其承载的功能。为了尽可能多地保留文物的历史信息，对文物的数字化保护不能仅限于对形制与贴图的还原，还应客观地还原文物本身的结构，建立更完善的文物信息數据库。

2 馆藏文物数字化保护的必要性分析

物质生活的丰富使得大众对历史文化空间的需求越来越高，这一需求也对文物保护原则提出了新的挑战，在解决这一问题的过程中，数字化保护有不可取代的价值。

2.1 馆藏文物数字化保护是时代发展的必然趋势

随着数字媒介的发展，我们的日常生活有了极大的改变，为了适应数字化时代，不再拘泥于传统的密闭空间，馆藏文物需要借助数字技术进行更加完备的信息保存与传播。

2.2 馆藏文物数字化保护拉近了人与文物的距离

数字技术的出现使得人们可以更加轻易地获取所需的信息，文物背后的历史信息也不例外。通过数字化保护工作，可以将馆藏文物的价值延伸至博物馆外，以数字化的展示手段为藏品提供全新的展示视角。

2.3 馆藏文物数字化保护有助于文物历史信息的整合与共享

馆藏文物的数字化保护不仅仅是对文物的数字模型、材质进行还原，更是借助数字技术手段，将过去分散在世界各地的文物信息构建成文物信息数据库。既有利于文物信息的保存与管理，又便于利用这些文物信息进行后续的应用研究。

目前，传统的保护方法难以对文物及其历史信息进行全面的保护，而数字技术手段则在馆藏文物保护领域有极为广阔的前景。

3 馆藏文物数字化方法相关技术原理与分析

3.1 常用数字化方法技术原理简述

以原真性原则为前提，根据文物类型与数字化需求的不同，通常会使用不同的技术手段来开展文物的数字化工作。目前已在馆藏文物保护领域应用较多的技术手段有以下五种：

第一，结构光三维扫描技术，以非接触式的测量方法，在被测物体的表面投射具有相位信息的光栅条纹，并借助双目式相机记录下表面的变形条纹图像，获取被测物体表面的点云数据信息，利用点云配准算法，将获取到的多视角点云数据拼接在一起，进而重建被测物体的三维数字模型[5]。结构光三维扫描技术重建模型快、扫描精度高、泛用性强，支持纹理相机模块扩展，是文物保护领域中的重要技术之一。

第二，激光三维扫描技术，利用三角测距法，通过将一束激光从某一角度投射到被测物体的表面，并从另一角度对物体表面的激光光斑进行成像，借助探测器测量并记录每个光斑点的三维坐标信息和反射率信息，进而重建被测物体的三维模型。三维激光扫描技术的扫描精度较高，但易受环境因素的影响。为了确保扫描数据的准确性，通常还需要在被测物体表面粘贴可反射贴片，辅助进行定位与校准[6]。

第三，图像建模技术，这是目前在无人机航测、文物数字化等领域有突出表现的一项技术。该技术使用手机等图像采集设备对物体进行多角度拍摄，并对二维图像集进行处理与计算，获得被摄物体表面的三维空间信息，生成点云数据模型，进而重建被测物体的三维数字模型[7]。图像建模技术对被摄对象的限制较少，有极具真实感的纹理还原。

第四，环物摄影技术，泛用性极强，在适宜的拍摄环境下，将文物置于转台上匀速转动，同时进行360度环物拍摄，以二维图像的形式保存文物的形态与细节。该技术成本低廉、技术门槛低、对文物的损害极小，适用于文物的轻度展示。

第五，全景摄影技术，这是一种通过软件将文物的多角度实拍图像进行无缝衔接，以实现全景观赏的技术手段。相较于传统的摄影技术手段，全景摄影可以带来更广域的视角与更具沉浸式的观赏体验，模拟三维空间的真实感受。

3.2 常用数字化方法技术对比分析

环物摄影技术与全景摄影技术以二维形式进行文物数字化保护，基本满足了面向大众的文物展示需求、针对文物的研究应用需求，三维数字模型无疑能更直观地呈现文物的历史信息价值。

结构光三维扫描技术与激光三维扫描技术均有良好的模型表现，但两者通过扩展设备获取的纹理信息精度低、色准差，通常需要重新绘制才能满足实际需求。图像建模技术纹理还原效果优秀，但其三维模型细节模糊，实际效果多依靠纹理贴图凸显，需要对模型进行优化与调整。

上述几种技术手段在适宜的应用前提下，均能完成不同程度的馆藏文物数字化保护工作，但在实际使用过程中，每种方法所达成的效果往往难以满足实际使用需求。

4 基于三维数字化技术的馆藏文物数字化方法

4.1 技术结合点分析

针对馆藏文物数字化的原真性原则，本文提出了一种将结构光三维扫描技术与图像建模技术相结合的馆藏文物数字化方法。

该方法的技术难点在于模型对齐，即如何快速且精确地将高精度模型对齐至低精度模型的坐标系下。本文运用了点云配准技术来进行模型对齐，通过对两组模型进行点云数据提取，再利用点云配准算法，将高精度模型的点云数据变换到低精度模型的点云数据的坐标位置，并重建为三维数字模型，完成模型对齐。

点云配准算法是三维扫描技术中的重要组成部分，目前应用最广的是1992年，贝塞尔和麦凯提出的迭代最近点算法（ICP）。ICP算法以四元数算法为基础，基于最小二乘法的最优匹配方法，重复进行“确定对应点集——计算最优刚体变换”的过程，直到某个表示正确匹配的收敛准则得到了满足[8]。经实践证明，ICP算法实用性强，常作为基础算法进行二次开发，以满足更精准的点云配准需求。

点云配准过程通常分为粗配准和精配准两个阶段。通过对两组点云数据的初始位置进行调整，完成粗配准，再以ICP算法进行两组点云数据的四元数坐标变换，完成精配准。

4.2 基于三维数字化技术的馆藏文物数字化方法的价值体现

图1的“福禄寿三星银锁”表面有麒麟、青蛙、鲤鱼花卉等凹凸图案，纹样繁复，有极高的工艺水平，其表面长期与空气、水分接触，呈现出自然氧化的光泽与肌理效果。在其三维数字化过程中，既要保留精细繁复的錾花工艺造型，又要保留自然形成的氧化肌理。

第一，结构光三维扫描技术为完整记录“福禄寿三星银锁”的形制信息提供了模型基础。图2和图3分别展示了光三维扫描技术和图像建模技术重建的“福禄寿三星银锁”三维模型，可以看出，结构光三维扫描技术重建的模型，在精度与完整度上均远胜于图像建模技术重建的模型。

第二，点云配准技术为结构光三维扫描技术与图像建模技术的结合提供了桥梁。借由特征点对齐的方式，将两组“福禄寿三星银锁”三维模型提取出的点云数据模型进行粗配准，再通过ICP算法进行精配准，完成模型对齐与替换，结果如图4。

第三，图像建模技术为完美再现“福禄寿三星银锁”的材质提供了纹理贴图基础。借助图像建模软件中的纹理映射功能，將二维的纹理信息映射至替换后的模型表面，并自动对纹理交接处进行匀色处理，最终在模型上实现极具真实感的纹理重现，如图5。

5 结语

实践证明，基于三维数字化技术的馆藏文物数字化保护方法实现结果良好，为后续基于馆藏文物数字模型开展的学习研究打下了良好的基础。三维数字化技术的进步使馆藏文物的数字化保护变得更便捷，有效保护了文物的历史信息，成为当今文物保护必不可少的有力手段。

参考文献：

[1] 国家文物局.中国文物年鉴[M].科学出版社，2007：76.

[2] 马炳坚.《威尼斯宪章》与中国古建筑文物保护修缮[J].建筑史，2009（2）：131-138.

[3] 徐雁飞，王磊.论文物建筑保护中的“真实性”——读《威尼斯宪章》，《奈良真实性文件》和《北京文件》[J].建筑学报，2011（S1）：85-87.