淺談三維數(shù)字技術(shù)在古代青銅器保護(hù)中的應(yīng)用——以絳縣橫水西周墓地青銅器三維掃描為例

《文物世界》 2013年06期

程虎偉 高振華 陳 鑫

一、前 言

隨著三維數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，其在文化遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用也越來越廣泛，正逐漸改變和豐富著文化遺產(chǎn)保護(hù)的技術(shù)手段和相關(guān)理念。利用獲取的三維數(shù)字模型，可極為便利地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)幾何信息數(shù)據(jù)的提取，在文物正射影像提取，三維空間尺寸和面積測量計(jì)算及線圖提取，形變監(jiān)測、虛擬修復(fù)、原真復(fù)制等考古研究和保護(hù)修復(fù)中具有極為廣闊的應(yīng)用。此外，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)文物多角度、多模式的觀察和虛擬互動(dòng)展示。

本文以絳縣橫水西周墓地出土的青銅器的三維掃描為例，對三維數(shù)字技術(shù)在出土青銅器保護(hù)中的數(shù)字信息采集流程及數(shù)據(jù)管理模式進(jìn)行了探索，并對文物數(shù)字化的效果評價(jià)問題進(jìn)行了相關(guān)探討。

二、三維數(shù)據(jù)采集

1.采集設(shè)備選擇

目前，三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備大都基于可見光原理，不能一次性掃描到被測物體的全部數(shù)據(jù)，也就是說只能所見即所得，不能穿透物體進(jìn)行掃描"。因此，數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要多次、多方位測量才能得到被測物體完整的三維數(shù)據(jù)。而在數(shù)據(jù)的采集過程中，采集設(shè)備主要利用被測物體表面的特征點(diǎn)或是前期設(shè)置的標(biāo)靶點(diǎn)將數(shù)次采集的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)拼接，并減去數(shù)次采集時(shí)產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高三維數(shù)據(jù)的精度。

在此次三維數(shù)據(jù)采集中，針對橫水西周墓地青銅器紋飾細(xì)膩、復(fù)雜的特點(diǎn)，經(jīng)認(rèn)真比較分析，最終選用了點(diǎn)云分辨率為0.05毫米，掃描精度可達(dá)到0.02毫米的光柵式真彩三維掃描儀。

2.點(diǎn)云分辨率選擇

點(diǎn)云分辨率是指空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)中相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的距離2。點(diǎn)間距越小，則表示采集到的數(shù)字模型特征越精細(xì)，越接近原物，但是同時(shí)獲取的數(shù)據(jù)量也會(huì)越大。因此，在三維數(shù)據(jù)采集過程中，點(diǎn)云分辨率的優(yōu)化是影響三維數(shù)字化結(jié)果的重要參數(shù)之一。

在實(shí)際操作中，根據(jù)不同青銅器的體量及表面特征的不同，有針對性的采用了不同的點(diǎn)云分辨率（圖一），如對紋飾細(xì)膩復(fù)雜的器物采用0.05 的點(diǎn)云分辨率，對器型和紋飾較為簡單的器物則采用0.1毫米的點(diǎn)云分辨率，既保證了三維數(shù)字模型的表面細(xì)節(jié)特征（圖二），又降低了數(shù)據(jù)的采集量，提高了后期數(shù)據(jù)處理的效率。

3色彩管理方式

出土青銅器表面多附著有色彩斑駁的銹蝕物，色彩信息極為豐富。為了使得紋理影像具有文物本體的原始色彩，讓計(jì)算機(jī)顯示器與印刷機(jī)能準(zhǔn)確復(fù)制出文物的影像色彩，在文物數(shù)字化拍攝工作中，色彩管理是相當(dāng)重要的一環(huán)圓。因此，高保真的還原出青銅器的色彩是此次三維數(shù)字化采集的重要內(nèi)容。

經(jīng)認(rèn)真比較分析，本文采用了美國愛色麗公司提供的Eye-One色彩管理系統(tǒng)。具體操作過程如下

（1）在紋理數(shù)據(jù)采集過程中，布設(shè)光線較為平均的三點(diǎn)光式光源，并使用反光板等作為輔助光照，確保整體光照均勻，明暗過度柔和，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)多張紋理照片的無縫拼接。

（2）拍攝前，使用X-rite白平衡卡定義相機(jī)的白平衡，并設(shè)置相機(jī)拍照文件生成格式為RAW，保證紋理照片質(zhì)量。

（3）待光源調(diào)整固定后，使用色溫表記錄當(dāng)前燈光環(huán)境的色溫值，并與相機(jī)垂直放置X-rite 24色小卡，拍攝校正照片（圖三）。在之后的照片校色過程中，均據(jù)此來控制紋理照片的色彩偏移量，進(jìn)而達(dá)到色彩管理的目的。

三、三維模型建立

此階段主要是在計(jì)算機(jī)軟件中對前期獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于此次數(shù)據(jù)采集所用的點(diǎn)云分辨率較高，因而，多數(shù)青銅器的三維數(shù)據(jù)量較大。為此，數(shù)據(jù)處理中，采用了在處理大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中極具優(yōu)勢的Geomagic Studio軟件。

（1）將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件中，刪除冗余或測量效果未達(dá)到要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對包含噪音的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪和平滑處理。

（2）均勻采樣和基于曲率采樣可以對大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，生成三角網(wǎng)格，得到對象的三維模型?？紤]到此次初始采集的三維數(shù)據(jù)量多數(shù)較大，為提高后續(xù)數(shù)據(jù)分析及利用的效率，需要對三維數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡優(yōu)化。為此，本文基于曲率的優(yōu)化方式對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化，在保留青銅器的紋飾、銘文等特征的同時(shí)大量減低了文件數(shù)據(jù)量。

（3）由于掃描視角和物體表面材質(zhì)等諸多不利因素，掃描設(shè)備采集的數(shù)據(jù)一般都會(huì)存在一些漏洞。因而，在數(shù)據(jù)建模過程中需要對這些漏洞進(jìn)行修補(bǔ)。為實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)部位與已有部位的光順連接，本文采用了基于周邊曲率的孔洞修補(bǔ)方式。最后輸出三角網(wǎng)格格式的三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)（圖四），輸出格式為WRL、STL、OBJ、PLY等通用的三維數(shù)據(jù)格式。

四、數(shù)字模型管理

通過數(shù)據(jù)采集、處理等三維數(shù)字技術(shù)可以得到單件文物三維數(shù)字模型。然而，如何將獲取到的三維數(shù)字信息進(jìn)行管理和利用，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效組織、歸類、查詢及展示等功能卻是一個(gè)亟待解決的問題。

在此次三維數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐中，為實(shí)現(xiàn)橫水西周墓地青銅器三維數(shù)字模型的有效管理和利用，本文采用荷蘭Act-3D公司開發(fā)的quest3d三維引擎軟件嘗試制作了文物三維數(shù)據(jù)管理展示系統(tǒng)（圖五）。

系統(tǒng)整合了出土青銅器的三維數(shù)字模型，高清照片，文字注釋，手繪線圖等內(nèi)容，支持三維數(shù)字模型的尺寸量測，面積體積計(jì)算，多視角展示，實(shí)現(xiàn)了出土青銅器多重信息即時(shí)切換和層級管理。還可以直接打包生成EXE可執(zhí)行程序，不需安裝任何插件，在普通PC機(jī)上即可瀏覽出土青銅器的三維數(shù)字模型，為考古研究提供了便利，更為公眾提供了新穎的展示方式。

五、數(shù)字化效果評價(jià)

通過此次三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，本文認(rèn)為可以從以下幾個(gè)角度來對文物數(shù)字化的效果進(jìn)行評價(jià)。

1.精確性

精確性是對文物三維數(shù)字化的還原精確度進(jìn)行定量評價(jià)。具體為∶首先，在三維數(shù)字模型和實(shí)物上找到對應(yīng)的特征（如點(diǎn)、平面等）；再者，使用全站儀等精密測量設(shè)備在實(shí)物上測量這些特征之間的距離。最后，將其與三維模型上的對應(yīng)值比較。兩數(shù)值之間的誤差即可作為精確性評估的依據(jù)。

2 原真性

原真性是對文物三維數(shù)字化的真實(shí)性進(jìn)行定性評價(jià)。生成的三維數(shù)字模型應(yīng)能夠充分表面待測文物上的所有型體、顏色等特征信息，能夠真實(shí)反映待測文物的客觀實(shí)際。

3.完整性

完整性是對文物三維數(shù)字化的還原完全性進(jìn)行定性評價(jià)。生成的三維數(shù)字模型應(yīng)無漏洞、拓?fù)溴e(cuò)誤、多層數(shù)據(jù)等，能夠完整地反映待測文物的客觀實(shí)際。

4. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量是對文物三維數(shù)字化的數(shù)據(jù)量進(jìn)行定量評價(jià)。獲取的三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量應(yīng)滿足分析、瀏覽及展示等實(shí)際需要。

5.紋理映射質(zhì)量

紋理映射質(zhì)量是對文物三維數(shù)字化后的紋理效果進(jìn)行定性評價(jià)。可以從貼圖是否存在錯(cuò)位、拉伸，接縫是否光滑過渡，貼圖的藝術(shù)性是否實(shí)現(xiàn)，整體效果是否達(dá)成等角度進(jìn)行評價(jià)。

6.數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是對三維數(shù)字化獲得的文物三維數(shù)據(jù)的管理方法進(jìn)行定性評價(jià)。可以從是否方便展示，是否方便查詢，是否方便研究等角度進(jìn)行評價(jià)。

六、結(jié)語

1.三維數(shù)字技術(shù)可以有效地獲取、保存和利用文物的三維幾何數(shù)據(jù)信息，相比傳統(tǒng)的繪圖、照相等信息記錄方法，具有全面、客觀及更加直觀等優(yōu)勢，在出土文物的保護(hù)及展示利用中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2三維數(shù)字技術(shù)目前還不夠完善，自動(dòng)化程度相對較低，對操作人員的技術(shù)要求較高。此外，就青銅器而言，其對于口小底大、鏤空等特殊形制器物的內(nèi)壁仍沒有很好的解決辦法。

致謝∶本研究受到山西省農(nóng)業(yè)與社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目20100312040及山西省社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)項(xiàng)目20130313035-1資助，特致謝忱。

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