三維數(shù)字讓文物活了

【編者按】

5月18日是世界博物館日。為此，本欄目邀請業(yè)內(nèi)專家撰寫了三維數(shù)字技術(shù)在博物館中的應(yīng)用。現(xiàn)在的博物館更注重參觀者的用戶體驗(yàn)，無論是復(fù)原文物、展覽文物還是網(wǎng)上瀏覽，應(yīng)用了三維數(shù)字技術(shù)之后，可讓參觀者在互動的過程中，感受到文物的魅力。

作為一項(xiàng)最新的前沿技術(shù)，三維數(shù)字技術(shù)也可應(yīng)用于博物館，并在博物館的展覽、展示、科學(xué)研究、社會教育等方面發(fā)揮著革命性的作用。

博物館作為社會文化的特殊載體，會充分利用數(shù)字技術(shù)整合文物、文化資源以及結(jié)合科學(xué)研究，最大限度地發(fā)揮服務(wù)社會的職能。這是博物館順應(yīng)時代潮流，拓展博物館未來發(fā)展空間的必然舉措。

虛擬中復(fù)原

近年來，越來越多的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到博物館中，如故宮博物院與日本凸版印刷株式會社合作的“數(shù)字故宮”項(xiàng)目、浙江大學(xué)開發(fā)的敦煌石窟虛擬漫游與壁畫復(fù)原系統(tǒng)、秦兵馬俑博物館與西安四維航測遙感中心合作的“秦俑博物館二號坑遺址三維數(shù)字建模”項(xiàng)目等。這些項(xiàng)目的共同之處就在于它們都使用了一個核心技術(shù)——三維數(shù)字技術(shù)。三維技術(shù)對于文物的展示有著比傳統(tǒng)照相技術(shù)更直觀的特點(diǎn)，而三維掃描也具有傳統(tǒng)人工測繪無法比擬的優(yōu)勢。因此，該技術(shù)最早被應(yīng)用于大型遺址或者建筑的測繪與展示項(xiàng)目中。

傳統(tǒng)博物館理論將保管、展示、社會教育作為博物館最基本的三大職能，其中保管既包括文物安全，也包括文物保護(hù)和科學(xué)研究。文物修復(fù)的研究工作是建立在科學(xué)的文物保護(hù)分析和文物修復(fù)理論基礎(chǔ)上開展的。文物是不可再生的，但也不能是永生的，文物保護(hù)的最終目的是運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)最大程度地維持文物的狀態(tài)，無限延長其壽命。對于文物保護(hù)分析的研究，最主要的一個任務(wù)就是在最小干預(yù)的前提下要盡可能多地獲取文物包含的原始信息，在這點(diǎn)上，三維掃描數(shù)字建模的意義是非常廣泛的，且具有巨大潛力。

由于三維激光掃描技術(shù)具有非接觸式測量、掃描速度快、點(diǎn)位和精度分布均勻等特點(diǎn)，在工藝精細(xì)、形狀復(fù)雜的單件文物保護(hù)領(lǐng)域也有很多應(yīng)用和成功案例。國外最為著名的有斯坦福大學(xué)的“米開朗基羅項(xiàng)目”，該項(xiàng)目將包括著名的大衛(wèi)雕像在內(nèi)的10座雕塑數(shù)字化，其中大衛(wèi)雕像模型包括2億個面片和7000幅彩色照片。

參觀者通過觸摸屏了解文物。

首都博物館的網(wǎng)上展覽頁面。

三維激光在文物保護(hù)研究的重要意義如下。

在器物描述中發(fā)揮作用

器物描述是文物保護(hù)分析和修復(fù)的第一步。三維掃描得來的數(shù)據(jù)是文物最原始的精確尺寸數(shù)據(jù)，在圖像中可以測量器物任意位置的長度、面積，并且可全方位地了解器物形貌特征。這不僅是傳統(tǒng)照相及繪圖技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的，而且對原器物不會造成二次破壞。同時，對于文物病害的展示，也是最直觀的方式。

對文物復(fù)制的幫助

在傳統(tǒng)方法中，文物的復(fù)制往往是在原器物上進(jìn)行翻模，這在一定程度上對器物的表面造成危害，特別是一些脆弱的器物容易在翻模過程中發(fā)生無法彌補(bǔ)的損失。而應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可以在非接觸狀態(tài)下為文物建立數(shù)字模型，并通過成型技術(shù)得到高精度的復(fù)制品，這樣大大簡化了文物復(fù)制的程序，而且最重要的是不會對文物進(jìn)行任何破壞。

文物虛擬修復(fù)試驗(yàn)

利用三維處理軟件對已建模的器物數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬修復(fù)，可以預(yù)覽修復(fù)完成的形貌，這對文物修復(fù)方案的制定實(shí)施具有指導(dǎo)作用。同時，模擬修復(fù)還可以避免由于實(shí)際修復(fù)操作過程中反復(fù)比對、拼接對文物造成的二次破壞。例如破碎瓷器的修復(fù)，可以預(yù)先經(jīng)過建立碎片的三維模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行拼接復(fù)原，還可以對缺失部分進(jìn)行模擬修補(bǔ)，恢復(fù)器物原始形貌。當(dāng)然，這些操作要建立在計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)和大量識別算法的基礎(chǔ)上，目前還處在研究階段。

博物館創(chuàng)新性地將三維掃描技術(shù)應(yīng)用在文物復(fù)原領(lǐng)域，是三維掃描技術(shù)應(yīng)用推廣的一項(xiàng)突破。三維掃描技術(shù)的應(yīng)用，不僅對文物保護(hù)和文物修復(fù)工作有重大意義，也為博物館的展示方式開辟了新的領(lǐng)域，為博物館發(fā)揮社會教育職能起了積極的推動作用。

全方位展覽

當(dāng)前，不論是國內(nèi)還是國外的博物館，所面臨的最大挑戰(zhàn)就是采用何種方式來普及傳播博物館知識、文化，同時又讓受眾體會到樂趣和觀賞價值。大部分參觀者，尤其是本應(yīng)作為博物館核心參觀者的年輕人，對博物館慣常沉悶的表現(xiàn)方式感到厭倦。同時，如今的展覽已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的展覽了，它是一個立體的、全方位的展示，要從不同層面與角度展示主題，運(yùn)用多樣的展示手段和方法，深化展覽主題。但是，一些珍貴文物出于安全和保存條件的限制，不允許參觀者從任意角度觀摩實(shí)物。因此，很多博物館在面對以上問題時，采用了多媒體的表現(xiàn)方式。對比其他多媒體技術(shù)，三維數(shù)字技術(shù)在文物展示方面具有很多優(yōu)勢。

首先，如同在文物保護(hù)研究中一樣，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)可以將文物的尺寸最為精確地記錄下來，并通過模型優(yōu)化、紋理匹配等技術(shù)手段將文物逼真再現(xiàn); 同時，可以多角度、高清晰地展示參觀者在展柜旁無法觀賞的任意角度和精度的文物細(xì)節(jié); 其次，這種方式為非接觸式的，對文物保護(hù)具有重要意義。

精品文物的展示能吸引普通觀眾的興趣，但由于陳列手段的限制，許多展品只能觀賞器物的一面，不能看到全部，特別是器物的底部和細(xì)節(jié)部分。因此，利用先進(jìn)的三維掃描技術(shù)和單位建模技術(shù)，把部分文物進(jìn)行完全復(fù)原，這樣不僅可以讓觀眾在屏幕上自由欣賞文物，任意旋轉(zhuǎn)文物從各個角度欣賞，還可以放大文物觀看細(xì)節(jié); 在豐富展覽形式和內(nèi)容的同時，更大程度地滿足了觀眾的求知欲和好奇心，豐富了觀眾參與的互動項(xiàng)目。

文物高精度三維展示項(xiàng)目，需要對所展示的文物進(jìn)行三維掃描、數(shù)字建模、紋理匹配、藝術(shù)加工等多道程序。文物復(fù)原的精度和質(zhì)量，直接決定了最終的展示效果。

但幾個技術(shù)難題需要解決如下。

模型優(yōu)化

文物模型的高精度、高準(zhǔn)確度與程序、機(jī)器設(shè)備、制作速度的承受能力的矛盾決定了模型優(yōu)化具有較高的復(fù)雜度和技巧性。

復(fù)雜的雙曲面文物模型對貼圖匹配有較高的要求，需要對模型網(wǎng)格進(jìn)行良好的優(yōu)化。這種優(yōu)化雖然耗費(fèi)時間，但會極大提高后期制作的速度和品質(zhì)。

在制作中需要將百萬面甚至幾百萬面精度的原始模型進(jìn)行優(yōu)化，要保障程序的承受能力，同時又要保證有足夠的細(xì)節(jié)。

紋理匹配

在虛擬現(xiàn)實(shí)器物制作中，雙曲面模型難度最大，貼圖與模型的映射關(guān)系也最為復(fù)雜。紋理匹配是工作中最為復(fù)雜和繁瑣的工序，佛、玉石、陶瓷、青銅這些文物幾乎都是這類模型，要保證高品質(zhì)的展示效果，以人類當(dāng)前自動貼圖匹配技術(shù)是達(dá)不到的，這樣就需要技術(shù)嫻熟且對文物熟知的工作人員手動完成制作。

文物的高還原性決定了紋理匹配的難度，在色彩和紋理校正、無縫拼接方面需要投入更多的精力。

藝術(shù)性

文物的準(zhǔn)確性和藝術(shù)性對制作也提出了很高的專業(yè)要求，在質(zhì)感、布光、視覺表達(dá)方面同樣需要投入更多的精力。不同質(zhì)感的文物需要不同的布光設(shè)置、反射環(huán)境、實(shí)時渲染設(shè)置。

經(jīng)過技術(shù)制作和藝術(shù)加工的文物精品高精度三維展示作品，以觸摸屏為載體，被設(shè)計(jì)在博物館展覽的展線中，它不僅是對實(shí)體文物展的一個有益補(bǔ)充，也為博物館觀眾帶來了全新體驗(yàn)。現(xiàn)在觀眾可以在首都博物館的文物精品展廳里，通過觸摸屏輕松地瀏覽文物的各個角度、充分欣賞文物局部、仔細(xì)觀看文物表面的紋理。

一件件文物精美絕倫，它展現(xiàn)了前人高超的技藝，凝聚了古人卓越的智慧，雖然飽經(jīng)風(fēng)霜，歷經(jīng)時間的洗禮，但經(jīng)過博物館能工巧匠之手，將其修復(fù)成原樣，并重現(xiàn)昔日光芒。如今，我們又用現(xiàn)代化的技術(shù)手段將其虛擬展現(xiàn)，不僅是給現(xiàn)場的觀眾一個近距離接觸和觀賞的機(jī)會，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)將其拓展到更為廣泛的地區(qū)，讓更多的人受益。

網(wǎng)絡(luò)互動展示

雖然通過各種技術(shù)手段對文物信息、展覽現(xiàn)場的數(shù)字化展示方式不能取代實(shí)體博物館，但互聯(lián)網(wǎng)打破時間、空間的局限實(shí)現(xiàn)更廣泛的宣傳和公眾教育，是實(shí)體博物館無法比擬的。

首都博物館率先在互聯(lián)網(wǎng)上推出文物三維展示體驗(yàn)欄目，這在國內(nèi)文物展覽展示領(lǐng)域是一次創(chuàng)新的嘗試，為該領(lǐng)域開辟了一個新的發(fā)展思路。

網(wǎng)絡(luò)展示手段多種多樣，相對于其他多媒體技術(shù)，三維數(shù)字技術(shù)對于文物的表現(xiàn)力更為逼真。技術(shù)人員通過對博物館展線上的文物高精度三維展示節(jié)目進(jìn)行技術(shù)加工，使其適合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，便于觀眾在互聯(lián)網(wǎng)上用普通電腦觀看，讓不能親臨博物館現(xiàn)場的觀眾，同樣有機(jī)會領(lǐng)略博物館的藝術(shù)珍品。

此外，以三維數(shù)字技術(shù)為核心的虛擬現(xiàn)實(shí)，可以從展品拓展為展覽場景的展示，讓互聯(lián)網(wǎng)上的觀眾也有身臨其境之感。如此一來，觀眾就可以使用家用PC機(jī)登錄博物館網(wǎng)站的虛擬現(xiàn)實(shí)頻道，進(jìn)入虛擬空間進(jìn)行實(shí)時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種與以往不同的人機(jī)界面形式，這種模擬，通過視覺、聽覺、動感等若干通道，進(jìn)行人機(jī)交互，為用戶提供最佳的人機(jī)通信方式，給用戶提供了一種身臨其境的體驗(yàn)。目前的研究成果和發(fā)展趨勢表明，虛擬現(xiàn)實(shí)將成為繼網(wǎng)絡(luò)之后，對未來信息社會產(chǎn)生重要影響，并最終改變?nèi)祟惖墓ぷ鳌W(xué)習(xí)和生活的技術(shù)。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于博物館的各種展示項(xiàng)目，并隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的加快和計(jì)算機(jī)硬件的進(jìn)步，利用互聯(lián)網(wǎng)科技來呈現(xiàn)實(shí)體博物館展示內(nèi)容，成為一種新的趨勢。

Web3D是在互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。目前，國內(nèi)外有關(guān)Web3D構(gòu)建的多用戶虛擬展覽館的研究主要分為兩個方面，即Web3D虛擬空間的開發(fā)和Web3D網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺的構(gòu)建。隨著技術(shù)的提升，應(yīng)用層面也更為廣闊。國內(nèi)外有很多利用Web3D開發(fā)的虛擬展覽館，如虛擬的網(wǎng)上世博會、虛擬愛爾蘭美術(shù)館、上博的虛擬青銅館、首博虛擬的長江文明展覽等等。

Web3D的虛擬現(xiàn)實(shí)展館為觀眾打開另一扇博物館大門。人們只需打開瀏覽器，即可直接徜徉其間，領(lǐng)略博物館的建筑風(fēng)采，近距離觀賞文物展品。虛擬的博物館內(nèi)還設(shè)有講解員，VIP客戶可在自己專屬的講解員引領(lǐng)下按最佳路線暢游博物館，并傾聽自己感興趣的每件文物的詳細(xì)講解，體驗(yàn)自主式的游覽。

網(wǎng)絡(luò)三維實(shí)時交互技術(shù)的特點(diǎn)如下。

擬真性

觀眾與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界中的一樣。當(dāng)訪問者移動鼠標(biāo)時，虛擬環(huán)境中的圖像也實(shí)時跟隨變化，而且還可以聽到三維仿真聲音。觀眾在虛擬環(huán)境中，一切感知都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。

交互性

系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，觀眾利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行操作，就能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行考察、探索及發(fā)現(xiàn)。

便捷性

觀眾只要會使用瀏覽器打開網(wǎng)頁就可以瀏覽網(wǎng)上虛擬世界，操作簡單，上手容易。很多平臺都支持無限大場景，實(shí)時加卸載技術(shù)能夠保證瀏覽的永久流暢。觀眾可以通過視線切換、推拉鏡頭、超媒體鏈接等動作實(shí)現(xiàn)更多功能。

實(shí)用性

虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)上互動項(xiàng)目可以徹底打破空間的限制，大到宇宙天體，小至原子粒子，甚至可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察; 還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給觀眾，這為一些科技類博物館實(shí)施社會教育提供了有利條件。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以虛擬歷史人物、名人等各種人物形象，創(chuàng)建一個人性化的瀏覽環(huán)境，使觀眾能夠在自然、親切的氣氛中進(jìn)行瀏覽。如在虛擬的博物館大廳中，用戶可以與虛擬的講解員一起交流、討論、了解博物館內(nèi)的各個展品內(nèi)容。

分享性

多用戶虛擬現(xiàn)實(shí)即分布式虛擬現(xiàn)實(shí)，觀眾可以共同分享一個虛擬空間，一起體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，使虛擬用戶達(dá)到一個更高的境界。如此一來，在同一個區(qū)域內(nèi)的觀眾之間也可以彼此交流溝通，暢談參觀感受。

博物館已經(jīng)逐步意識到互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)揮社會教育方面的具大優(yōu)勢，并順應(yīng)時代步伐加快虛擬現(xiàn)實(shí)博物館建設(shè)，三維文物數(shù)字化建設(shè)，采用多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維化，這項(xiàng)舉措將有助于文博行業(yè)推廣科普宣傳，讓更多的觀眾借助博物館這個平臺，學(xué)習(xí)、感受人類共同的文化遺產(chǎn)。這將成為中國甚至世界范圍內(nèi)的博物館展示教育的里程碑。

鏈 接

三維數(shù)字技術(shù)的四大意義

三維數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，讓古老的文物散發(fā)光芒，使新時期的博物館更具魅力。

1.該技術(shù)的應(yīng)用，可以使博物館的展覽脫離實(shí)體展品，擺脫展品不足的束縛，方便傳播，拓展了博物館知識傳播的方式和手段;

2.該技術(shù)的應(yīng)用，可以使傳播方式更為生動直觀，將很復(fù)雜的科學(xué)問題、歷史事件用數(shù)字技術(shù)手段加以再現(xiàn)，讓觀眾一目了然，便于理解;

3.三維數(shù)字技術(shù)的展示手段繁多，觀眾可以在寓教于樂中潛移默化地享受知識，讓更多的參觀者覺得有趣、好玩，從而拓寬了博物館社會教育的受眾;

4.視像展示方式對內(nèi)容的傳播效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他展示方式，這也使博物館應(yīng)用多媒體數(shù)字技術(shù)成為一種趨勢。