文物三維模型研究及其在應用中面臨的問題

侯妙樂，姜利利，胡云崗

（北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616）

文物三維模型研究及其在應用中面臨的問題

侯妙樂，姜利利，胡云崗

（北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616）

三維信息留取技術的出現為文物數字化提供了新方法，在文物保護中發揮著越來越重要的作用。文章首先論述了文物三維模型的作用；然后從文物保護需求出發，以實際工程為例，重點分析了文物三維模型的自身特點及其在實際應用中面臨的問題；最后指出，文物三維模型未來的發展與應用還將繼續以數字化留取、病害檢測、虛擬修復、變形監測、三維展示及三維力學分析等應用為主，兼容高精度、快速度及低價位的數據采集設備的研制，對促進文物三維模型的廣泛應用意義重大。同時，信息安全技術集成也是促進文物三維模型在文物保護中的數據共享的重要研究方向之一。

文物三維模型；三維信息留取；信息安全；技術集成

文物是人類在歷史發展過程中遺留下來的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡，歷經幾千年的沉淀和積累，具有了頑強的生命力及存在價值。然而，許多文物在留取下來的過程中歷經滄桑，遭到了不同程度的人為及自然的損壞。目前已岌岌可危，亟須修復和復原。

文物測繪是文物保護中的一項基礎且技術性要求極高的工作。傳統的測量、繪圖、攝影等手段限于自身的種種原因，只能獲取三維文物的二維影像，而無法準確、詳盡地呈現出文物的三維形態，不能為后續的文物數字化保存、病害檢測、虛擬修復、三維展示及三維力學分析等應用需求，提供完整、詳盡的資料支撐。而三維數字建模技術的不斷發展，在很大程度上提高了文物信息獲取的能力。尤其是隨著三維掃描儀的出現，空間三維數據的獲取有了突飛猛進的發展。

1 文物三維模型的作用

三維信息留取，又稱三維數字化留取，是研究快速獲取物體表面空間坐標，進而得到物體三維數字化模型的方法。隨著三維建模技術的不斷趨于成熟，三維信息留取成為文物數字化保護、修復及五千年中華文化弘揚和傳承的有效手段之一。長期以來，科研工作者在該領域進行了廣泛而深入地研究，并取得了許多重大成果。近年來，在文物考古領域也開展了一系列三維數字建模技術應用實踐工作，如：已經竣工的大足石刻千手觀音造像搶救性造像保護項目；故宮博物館正在開展的古建筑數字建模項目；洛陽龍門石窟研究院利用三維建模技術建立的數字檔案等，這些實踐工作對于三維建模技術在文物考古領域的進一步開展都是有益的探索和實踐。同時，也有力地說明了目前大量的三維數字產品模型也已經廣泛而深入地應用到文物的協同研究及保護過程中。它不僅滿足考古發掘過程中科學、準確獲取遺址各類信息的需求，有效地對文物遺產進行數字化保存、展示及保護，同時也為文物的數字測繪、輔助修復、考古資源管理以及虛擬現實等拓展應用提供了基礎的技術支撐。

2 文物三維模型的特點

與一般的實體三維模型相比，文物三維模型數據自身特點顯著。

2.1 數據量增大

文物是人類文明的瑰寶，蘊含著一個時代特有的精神價值、思維方式和想象力，是人類文明、文化與智慧的結晶[1]。我國有著五千余年燦爛的歷史文明，文物遺存也燦若星河。尤其是大型的石質佛像、摩崖石刻、壁畫等為人們廣泛熟知并認同。

以重慶大足石刻為例，其寶頂山大佛灣8號龕的千手觀音造像（圖1）是我國最大的集雕刻、泥塑、貼金、彩繪于一身的立體型摩崖石刻造像，高約7.7 m，寬約10.9 m，正投影面積約84 m2，展開總面積達210余m2[2]。該造像以主尊觀音為中心，呈輻射狀在巖面上雕鑿830只觀音手（不包括造像中小佛的手），每只手心各有一眼，以表現觀世音菩薩的法力無邊與智慧無窮，部分觀音手還執不同法器，在造像中下部還雕刻有脅侍與力士等。

圖1 重慶大足石刻千手觀音造像正射影像圖（2008年制）

運用高精度掃描儀Romer對千手觀音修復前后整龕進行了精細掃描，數據總量分別為301 GB(修復前）和151.2 GB（修復后），并在現場修復中某些特定時期的手進行了補充掃描，數據量為18.6 GB；運用Faro三維激光掃描儀完成千手觀音整龕修復過程中2期數據采集，數據量達14.2 GB；對千手觀音整龕修復前后進行紋理采集，其中前期紋理數據3 386張，數據量69.7 GB；后期紋理數據6 239張，數據量64 GB。在千手觀音修復過程中也進行了2次局部的紋理拍攝，數據量為2 143張，40.4 GB。數據量之大，可見一斑。

2.2 結構更為復雜

文物是人類在歷史發展過程中遺留下來的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡，文物考古、研究及保護是一項必不可少的、技術性很強的工作。隨著三維數字化、計算機圖形學等技術的不斷精進，目前，已經具備了將實體精確地“復制”成計算機中存儲的三維模型的能力。這樣一來，研究人員就可以先行在虛擬三維模型上完成方案的制訂、調整、實施、結果評價等工作，為實際操作提供試驗材料及參考依據。

然而，與常規實體不同，文物形形色色，千奇百態，具有不相似、不對稱特性。況且，我國古人多喜舞文弄墨，故凡繪畫、雕刻之作品大多刻畫細膩，布局精巧，分層分段，并裝飾華麗，看起來場面宏大，氣派十足。再加上隨著時間的推移，大多文物都呈現出殘缺、破損、不完整情形。至于受損部位、特征、程度，更是不可同一而論。如大足石刻千手觀音，根據現場實地考察可知，手指斷裂，金箔脫落、分層、開裂、卷曲、崩裂、起翹、空鼓等病害多樣，特征各不相同（圖2）。

圖2 重慶大足石刻千手觀音典型金箔病害展示

因此，與常規實體相比，要將文物實體精確地“復制”成計算機中存儲的三維模型，就必須要面面俱到，將各類病癥清晰、準確地呈現出來，進而為后續的病害統計、虛擬修復、保護研究提供最精準的數據。

2.3 數據處理過程更加復雜

文物三維數據處理主要包括點云預處理、三維建模、三維彩色模型構建。一般而言，文物體積都比較大，對大范圍文物進行掃描時，為了保證能對數據進行全面采集，通常需要對掃描范圍進行分區、分塊，并根據劃分規則對其命名（圖3）。此外，對某些具有特殊構造的部分，有時候還需要進行額外的單獨采集。因此，三維激光掃描測量一般要通過多站的掃描，才能獲得整個被掃描物體的完整數據。然而，在數據處理的過程中，數據的拼接、合并等程序是不可或缺的。就一般實體模型而言，實體體積小，數據采集量也就小，因此在數據處理過程中，諸如數據拼接、分割、簡化、合并之類的操作也就顯得不那么必要。然而較一般實體模型，文物三維模型數據處理量大，數據處理過程也就相應地變得更為復雜。

2.4 精度控制更加困難

圖3 重慶大足石刻千手觀音分區與編號（2008年，局部）

中國文物一向以器宇不凡、恢弘大氣著稱，如上文所述千手觀音，高約幾米也不足為奇。因此，數據采集過程中，搭建腳手架輔以操作成了必不可少的程序，如圖4，是重慶大足石刻千手觀音三維數據獲取方案設計。而在掃描過程中，只要腳手架存在微米級的晃動，都可能會導致掃描數據的分層，如圖5，同一曲面出現紅、藍兩層數據。這在一定程度上，為數據獲取過程中的精度控制加大了難度。

圖4 重慶大足石刻千手觀音三維數據獲取方案設計

圖5 重慶大足石刻千手觀音掃描數據分層情況

2.5 數據精度要求更高

文物是歷史文化的沉淀，泱泱中華五千年文明，積累了無數的歷史瑰寶。但隨著時間的推移，在長期自然營力和人類活動的影響下，許多文物都出現了嚴重的局部破壞，亟待修復和復原。三維模型的一大用途就是為細微、潛在病害的識別及尺寸標注提供基礎依據。如圖6，在彩色正射影像圖上，可以較清晰地展現出壁畫裂縫、外部墻體裂縫、外部墻體病害的位置、范圍等情況，能夠幫助壁畫保護修復工作者詳細了解病害種類、損壞程度、分布規律等信息，深入探究病害產生機理，分析病害演化原因，以進行具有針對性的實行搶救修復工作。圖7則是指借助相關軟件，通過三維模型量算，即可獲取文物的長、寬、高、面積、傾斜、扭曲等各方面信息，為文物的進一步研究奠定堅實、可靠的技術基礎。

然而，文物三維模型數據處理是一個精細而漫長的過程。在這一處理過程中，無論是點云的數據拼接，還是點云的數據簡化，又或者是點云的數據合并，對點云數據的每一步處理都伴隨著一定精度的虧損。而文物三維模型是文物最精準的基礎數據，是文物數字化保存、病害檢測及后續虛擬修復工作的前提。因此，較一般三維模型，文物三維模型數據獲取及處理時的精度控制則更為嚴格，信息要求也更為精細。

圖6 彩畫梁病害識別圖

圖7 重慶大足石刻千手觀音手指三維量算

3 文物三維模型初步應用

原始點云數據是文物真實的三維數據，應用廣泛。一則是最準確的基礎數據，在實施文物的精確三維量算的同時，還解決了信息高精度保存的問題；二則當文物遭受到不可逆破壞時，可以為病害的標注與統計、文物的虛擬修復提供最有力的理論與實驗支撐[3]；三則，通過對不同時期點云數據進行處理，可為文物的保護、病害檢測、修復工作提供監測分析[4]；四則，文物三維信息留取的相關模型還可以為三維展示提供更好的數據原型，在普及文化知識的同時，也減少了對文物的人為破壞，達到保護文物的目的。此外，文物一直是考古及科學研究的重點對象，文物三維模型也為文物考古及科學研究提供基礎資料與依據，為其進一步發展奠定基礎。

4 文物三維模型使用中面臨的問題

4.1 模型數據精度不易控制

三維激光掃描儀對施工現場的穩定性要求很高，尤其是高精度的掃描儀器，極其微弱的晃動都有可能影響到數據獲取的精度。文物現場數據采集環境復雜，光線強度、空氣濕度、地表溫度、場地穩定性等，稍有異樣，就會使數據精度發生改變。因此，測量得到的點云數據精度與理想情況下得到的數據精度存在差異。況且文物三維模型數據采集量大，多站掃描數據間配準、坐標系統一等過程都會存在誤差的傳播，進而引起數據精度的降低。因此，如何控制數據采集精度，減少不合格數據量成了文物三維在應用中面臨的關鍵問題。

4.2 模型數據獲取缺乏統一規范

文物三維模型數據獲取缺乏統一規范。首先，文物是人類在歷史發展過程中遺留下來的遺物、遺跡，不同時期的文物從不同的側面反映著不同時期的人文關系，因此，風格迥異、形態不一，以文物創作的時代背景、創作特點為基礎，來開展數據獲取工作不容小覷。其次，施工現場復雜，不同文物所處環境更是不同，如何設站、如何掃描、如何采樣、如何建模都沒有一個固定的模式，須視具體情況而行。故而，文物模型數據獲取缺乏統一規范，成了文物三維模型在其應用中面臨的一大問題。

4.3 無法以用戶要求逐級控制模型數據精度

文物三維模型的主要作用就是為文物三維信息留取、病害統計、三維展示、虛擬修復、變化檢測、文化宣傳及考古等多層次的應用及研究提供基礎依據。然而，不同應用研究就會有不同的精度需求。一般來說，用于三維信息留取、病害統計、虛擬修復等應用的三維模型精度要求較高；而一般的文化宣傳、三維展示之類的應用，精度要求相對較低。但是，精度不同，對點云數據的采集、數據建模及整個過程的成本要求也會隨之而異。更何況，三維激光掃描儀器及建模軟件昂貴、數據建模過程復雜，將耗費大量的人力、物力、財力。因此，如何以用戶要求逐級控制模型數據精度，避免不必要的資金、人員的投入及浪費，將成為文物三維模型在應用中面臨的又一重大問題。

4.4 模型數據廣泛共享困難

4.4.1 儀器設備昂貴

三維激光掃描系統由三維激光掃描儀（圖8、圖9）、便攜式筆記本電腦、數碼相機、掃描儀控制平臺、軟件、數據處理平臺及電源和其他附件設備共同構成，是一種集成了多種高新科技的新型空間信息數據獲取手段。一般來說，一臺三維激光掃描儀就要幾十萬，甚至上百萬，造價昂貴。這在一定程度上，也限制了三維模型在文物保護中的普遍應用。

圖8 Focus 3D三維掃描儀

圖9 Romer便捷式關節臂

4.4.2 所有權保護面臨挑戰

文物是人類在歷史發展過程中遺留下來的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡，是研究宗教、歷史、文化、藝術及社會生活等諸多問題的重要歷史資料。通過文物三維模型可以科學、準確地獲取遺址的各類信息，數據留存的歷史價值巨大。此外，如上文所述的有關文物三維模型數據獲取困難、處理復雜等原因，對文物三維模型數據獲取工作將耗費大量人力、物力、財力。故而，獲取和重建的三維模型數據將非常寶貴。然而，在不法商徒肆意侵權、盜版行徑日益猖獗的今天，數字化文物三維模型數據的產權保護面臨著巨大壓力和挑戰，人們開始越來越關注數據信息本身存儲的保密性、來源的可信性，甚至于傳輸過程中的完整性，使得信息安全、版權保護等問題變得愈發嚴峻。這也在很大程度上影響著文物三維模型數據的廣泛傳播與使用，成為制約文物三維模型數據廣泛共享及產業化應用的重要因素之一。

4.4.3 文物三維模型數字水印技術難點多

正如上文所言，文物三維模型所有權面臨巨大挑戰。因此，基于文物模型知識產權標志及保護的數字水印研究將迫在眉睫。但鑒于三維模型較于文本、音頻、視頻及圖像等更為復雜，對水印加密的要求也更高，目前研究還相對較少，進展比較緩慢。此外，雖然自1997年Ohbuchi等[5]第一次提出三維模型數字水印技術的概念以來，三維模型數字水印技術的研究已經取得了長足的進展，但鑒于文物三維模型自身特點（如精度要求更高、數據量更大等）顯著，常規三維模型數字水印算法雖可以加以借鑒，但也不能完全照搬。因此，從文物三維模型的初步應用出發，結合文物三維模型自身特點及其在廣泛使用中面臨的問題，設計適用于文物三維模型的數字水印算法將是今后文物三維模型在文物保護中發展與應用研究的重點之一。

5 總結

文物三維模型在文物保護中的應用逐步深入，未來的發展與應用還將繼續以數字化留取、病害檢測、虛擬修復、三維展示及三維力學分析等應用為主。但是針對文物三維數據量大、精度控制困難等特點，提升數據采集設備精度、速度等性能，降低數據采集成本，對促進文物三維模型的廣泛應用意義重大。此外，文物三維模型所有權面臨巨大挑戰，如何加快信息安全技術的集成，使數據安全問題得到有效解決，也將是文物三維模型發展與應用研究的重點之一。

[1]詹長法,徐琪歆.現代文物修復的思考:以千手觀音造像保護修復為例[J]. 遺產與保護研究,2015,1(1):27- 34.

[2]侯妙樂,吳育華,張向前,等.基于關節臂掃描的文物精細三維信息留取[J].文物保護與考古科學,2014,26(3):94-98.

[3]侯妙樂,楊溯,胡云崗,等.A novel method for the virtual restoration of cultural relics based on a 3D fine model[J].Dyna,2015,90(3):1- 8.

[4]侯妙樂,李樹坤,姜利利,等.A new method of gold foil damage detection in stone carving relics based on multi- temporal 3D lidar point clouds[J].ISPRS International Journal of Geo-Information,2016,5(5):60 .

[5]OHBUCHI R,MASUDA H, AONO M.Watermarking three-dimensional polygonal models[C]// In:Proceedings of ACM Multimedia 97.New York:ACM Press,1997:261- 272.

Research on 3D Model for Cultural Relics and Problems in Practice

HOU Miaole, JIANG Lili, HU Yungang
（School of Geomatics and Urban Spatial Information, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102616, China）

3D information retention, which emerges with 3D modeling technology, has a quick development in recent years. It not only provides a new method for digitization of cultural relics, but also plays a more and more important role in heritage conservation. First of all, the data source of 3D model for cultural relics is discussed. Then, starting from the actual needs of heritage conservation and taking a practical project as an example, the specific characteristics of 3D model for cultural relics and its problems faced in practical applications are analyzed. At last, it points out that the focuses of further development and application of 3D model for cultural relics will continue to be the digital retention, disease detection, virtual restoration, deformation monitoring, 3D display, 3D mechanical analysis and many other applications. However, development of data acquisition instrument which is compatible with high accuracy, fast speed and low price will contribute to the extensive application of 3D model for cultural relics. At the same time, integration of information security technology will also be the research hotspot to promote the further data sharing of 3D model for cultural relics in heritage conservation, as well.

3D model for cultural relics; 3D information retention; information security; technology integration

G112；P234.4

A

侯妙樂（1974-），女，教授，博士，主要研究方向為地理信息系統。E- mail:houmiaole@bucea.edu.cn.

“973”項目“復雜幾何對象高精度數字化重建理論與方法”（2012cb725301）