3D技術在文物保護應用中的若干問題與對策探究（上）

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

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，利用數字信息技術，進行永久存檔、傳承記憶及相關研究，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字化保護工作的特殊需求，首先為滿足文物保護最小干預原則，要求盡量采取非接觸式的無損技術手段，其次，由于文物多具有復雜的立體形狀與空間結構，部分不可移動文物還處在異常復雜的環境之中，需要采用高新數字化信息技術。為此，3D技術成為文物數字化應用研究的熱點。目前，3D技術主要分為激光三維掃描及光柵掃描兩類，其核心技術在于測距方式，一般而言，基于三角測量或相位測距方式的三維設備能獲得更高的精度，而基于時間飛行的設備能達到更遠的測程。3D技術以其安全性高、精度高、效率高及成果形式豐富等優勢，在文物保護工作中得到了廣泛應用，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計[7-8]、文物數字展示[9]、遺產監測[10]及其他應用[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量評估驗收及把握合理的資金預算，文物保護專業人員難于制作或使用規范而實用的圖件，3D技術人員因缺乏文物理論知識而難以避免數據處理中不當的人工干預。中國文化遺產研究院通過近十年30余項文物保護工程應用實踐表明，建立3D技術在文物保護應用中的相關規范，搭建好文物保護專業人員與3D技術人員之間的橋梁，是解決上述問題的關鍵[12]。

二、主要問題分析

（一）文物三維數字化保護標準規范缺乏及難點

據全國文物保護標準化項目統計調查，發現文物行業數字化保護相關標準相對缺乏， 2016年以前，尚無一項文物數字化保護的行業標準，2016年列立了一系列針文物數字化保護相關標準，但未有3D的專項標準，至2017年才計劃列設了《石窟寺壁畫數字化勘察測繪技術規程》、《館藏文物數字化三維模型重建與質量評價》兩項行業標準。

此類文物標準規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；二是文物保護行業是多學科交叉介入，如何吸收不同行業中的相關標準的優點為文物行業所用，難免需要求同存異的過程。

（二）文物三維數字化工作程序中多學科交叉性需求強

文物三維數字化一般包括現場踏勘、方案設計、外業數據采集、內業數據處理、成果應用等主要工作環節，而在各個環節中均需要多學科人員的共同參與。其中：在現場踏勘工作中，除了解文物的基本形狀特點及環境外，更需要了解文物保護的具體需求、文物的相關歷史資料，以更合理的進行方案設計；在方案設計及外業數據采集階段，除了3D技術人員要盡可能優化數據采集技術方案外，同時要學習了解一些文物的基本知識，更需要文物專業人員在第一手原始數據的質量檢查中發揮重要作用；在內業數據處理及成果應用環節，尤為強調多專業人員的共同介入，方能保證制作的圖件與模型能滿足文物保護應用的切實需求。

三、應對策略思考

基于上述問題分析，就3D技術在文物保護應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。但是在以測繪信息技術為主的數字化行業傳統上多聚焦于有形的“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也可能只是體現出文物的形貌而非神韻。因此，在實施數據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，要注重文物數字化精度的選擇，需要通過前期采集試驗，進行設備比選，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據的產生及海量數據處理的困難性。另一方面，文物數字化保護所指的信息范圍應有所界定，廣義的文物數據信息還包括無損及無損檢測數據、本體及環境勘察數據、遺產監測數據等，在文物保護工作中，可結合常規數字化保護數據的不足及保護工作的需要，提取部分數據作為補充。

（二）三維建模與質量評估

文物三維建模目前多依賴于Geomagic等成熟的專業軟件，技術上已鮮有突破，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鍵環節。在點云數據處理中盡量避免因人工干預而造成的特征數據丟失，包括點云預處理、點云拼接及點云除冗等主要環節。在三維空間幾何模型構建中多采用三角網方式，與傳統方式建模有所區別的是，為突出文物局部細節，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，在三維建模的各環節均需要實時評估質量。

（三）多元數字化表達體系建立

傳統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，極大地豐富了文物信息形式，但是需要結合文物工作者的慣例及常規平立剖面圖特點，形成基于3D的文物多元數字化表達體系。結合多種文物保護工程需求，文物多元數字化表達體系可歸為三大類9小類：

1、基礎模型類：即三維幾何模型。該模型為根據處理過的點云直接構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。

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字高程模型經過逐像元進行投影差改正、鑲嵌、剪裁而生產的影像，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，如在文物病害調查中可直接作為底圖進行病害標注和面積統計等。

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。特征線劃圖是體現文物形態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部構造圖示，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計時所需要的重要圖件。等值線圖是是用數值相等各點聯成的曲線（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，可用于工程設計或雕刻復制。骨架線圖是用與原形狀連通性和拓撲結構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，可用于文物修復設計中的對比研究或展示。

（四）文物保護專項應用深化

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合特殊需求對3D基礎成果作進一步加工。在文物修復前，為避免不當的修復，可結合原始文物3D模型圖件及相關數據進行修補，并借助VR/AR等技術，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，豐富展示內容。在遺產監測中，可將不同時間的三維數據進行對比分析，達到全方位的立體監測。為加強數字產品的版權保護，可在三維模型中添加數字水印。為便于三維數據成果的管理與使用，可建立三維可視化系統平臺。

3D技術的詳細應用案例，

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參考文獻

[1] 王恒. 云岡石窟測繪方法的新嘗試—三維激光掃描技術在石窟測繪中的應用[J]. 文物，2011，01：81-87.

[2] 蔡廣杰. 三維激光掃描技術在西藏壁畫保護中的應用[D]. 北京：首都師范大學，2009.

[3] 陳鑫，程虎偉. 三維激光掃描技術在田野考古中的應用—以黎城金代磚石墓為例[J]. 文物世界，2012，06:67-69.

[4] 譚登峰，張亮，趙川，等. 三維激光掃描儀在四川石窟寺考古測繪中的運用與思考[J]. 石窟寺研究，2013， 334-342.

[5] 吳育華，胡云崗. 試論數據采集與虛擬修復在大足石刻修復中的應用[J]. 中國文物科學研究，2013，03:33-36.

[6] 侯妙樂，吳育華，胡云崗，等.石質文物三維信息留取技術及應用[M]. 北京：中國大地出版社，2015：71-89.

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[9] 張序，李兆堃，袁銘，等. 蘇州虎丘塔三維數字化表達研究與應用[J]. 測繪通報，2012，12:51-53.

[10] 黃兵，侯妙樂，胡云崗. 基于三維激光掃描技術的出水文物形態監測[J].北京建筑大學學報，2017,33（1）：43-48.

[11] 薛曉軒. 基于三維激光掃描的文物保護管理系統的建立[J]. 測繪與空間地理信息，2014，02:99-101+105

[12] 吳育華，胡云崗，張玉敏. 大足石刻大佛灣文物三維掃描及保護應用[M]. 北京：文物出版社，2017.

撰文：吳育華，許東

圖片：吳育華

編校：劉葳

審核：彭蕾