基于三維攝影技術的文物遺產信息化建設研究

摘 要：利用三維攝影技術建立文物立體數據庫系統，對文物進行統一的信息化管理和應用，全面實現文物資源的采集、分析、交流等多項功能，將文物的保護水平提升到了一個新的高度，實現文物數據查詢公開化、文物文化交流國際化，豐富人民群眾精神生活、傳播歷史聲音，具有一定的歷史意義和社會經濟價值。

關鍵詞：三維攝影；信息化；文物保護

在科技高速發展的現代，隨著生活水平日益升高，人們越來越重視對文物遺產知識的學習，熱愛和保護文物意識逐漸加強。黨的十八大報告中提出2020 年全面建成小康社會要求“信息化水平大幅提升”，“信息化”在以前所未有的速度發展，且已經突破了技術手段本身，并延伸之文物保護領域，文物信息化也開始相關的實踐和探索并穩步前進。國家文物局官方網站近日發布了由國家文物局、國家發展和改革委員會、科學技術部、工業和信息化部、財政部共同編制的《“互聯網+中華文明”三年行動計劃》政策。

湖北省具有深厚的歷史積淀，文物資源十分豐富，第三次全國文物普查各類不可移動文物點36473處、各級博物館197座、館藏文物和標本178萬余套，為我國的文物強省。我省的文物信息化建設工作雖然有初期成果，但仍處于起步階段，2017年文物局為貫徹落實國家文物信息化《“互聯網+中華文明”三年行動計劃》工作，相關單位加強了與相關高校、企業合作，利用現代科技手段全面提高文物信息化水平，為推進湖北文物強省做出新的努力。2016年中國湖北咸豐縣政府采納湖北第二師范學院官彬同志的《咸豐唐崖土司遺址保護改進策略》，并組織專家對唐崖土司進行三維虛擬建模政策研究。本文結合湖北省咸豐縣唐崖土司文物資源信息化建設的實際狀況以及未來文物信息化發展趨勢，詳細描述三維攝影在文物信息化建設中的應用優勢和方案，增強全社會對三維攝影在文物信息化建設領域的認知，從而將文物信息化建設提升到一個新的高度，具有一定的社會效益和經濟效益。

一、文物遺產信息化保護在國內外進展

文物信息化保護在國外發達國家早已經開始，1986年法國美術聯盟利用數字化技術采集了50多萬幅美術文物，并且對盧浮宮進行了數字虛擬重建，實現了盧浮宮里12萬個館藏文物互聯網再現；20世紀末，日本對鐮倉時期的大佛進行三維數據采集，對大佛進行了虛擬修復和重建；美國IBM東京研究所與日本名族學博物館制定了著名的“全球數字博物館計劃”。與國外一樣，國內文物保護工作也隨著科技的進步逐步發展起來，2000年，北京故宮博物館采用三維成像技術實現了“數字故宮”；山東大學數字博物館，對5000多件文物進行了三維信息化采集。

二、文物遺產三維信息化建設的方法

文物信息化建設是指綜合運用三維采集技術、網絡服務技術、數據庫技術等信息化手段建立起來的文物數據檔案，實現對文物的信息化保存、顯現、查詢、交流、分析、管理等等文物信息化工程。文物信息化建設應以政府為主導，制定統一的文物信息采集、采集記錄、文字描述等規范標準，并以各縣、市、省博物館為基礎單位，建立統一的文物信息檢索系統，讓每一個文物都有詳細的“身份證書”；針對不能移動的大型文物，還需要建立文物的電子地址坐標地圖。

其中三維信息采集是建立文物三維信息化中的重點工作。三維模型不僅能夠確切的記錄文物的全方位信息，并且以其逼真的效果能夠極好的對文物進行宣傳，并滿足各個層面人民對文物的賞析、分析、保護交流工作，使之成為各個文物管理部門和社會大眾對文物知識了解的綜合平臺。譬如，中國貴州省已經建立了大型三維文物空間數據庫，并成為了貴州省文物管理、宣傳、保護工作重要的組成部分；因此，文物遺存三維信息化的采集是建設文物遺產信息化的基礎工作，其主要方法有以下幾種：

（一）利用三維軟件對文物進行人工建模

利用3DMAX、MAYA等三維建模軟件對文物進行三維建模，在利用高清數碼相機對文物表面進行紋理貼圖，其工作步驟復雜，對工作人員專業素質要求較高，并且不能完成1：1的還原文物本身，存在誤差，在文物建模中運用較少。

（二）利用序列影像技術對文物進行三維模型

基于文物二維圖像對文物進行快速三維重建，其方法操作簡單，不受空間和時間的影響、成本低，自動化程度高、效率快，但是數字化完成的文物三維模型數據獲取不完整，文物信息缺失較為嚴重，完成不能夠滿足文物三維重建的要求。

（三）利用激光掃描實現的文物三維重建

激光掃描技術發展到現代已經非常先進，通過激光掃描儀建立出來的文物模型精準度較高，且工作效率快。但是，激光掃描工作原理是利用激光在文物表面進行接觸來獲取三維數據，直接的光接觸對文物本身是存在傷害的；并且激光掃描儀對文物深色部分或者高反光部分有一定的掃描障礙，需要在這些部分涂上顯影粉后再進行激光掃描，顯影粉對文物將會造成直接的污染傷害；尤其在掃描一些結構較為復雜的文物時，需要在文物表面直接添加人工標志點，對文物也是極大的直接傷害，這些步驟在文物三維建模中都是不允許的。

（四）利用三維攝影技術完成文物三維重建

三維攝影是基于Photoscanshop計算機軟件技術、攝影相結合的三維建模系統，前期利用攝影方法全方位拍攝文物圖片數據，后期利用軟件自動化合成，具有速度快、成本低、精度高特點，采集技術遠高于激光掃描。

三、三維攝影在文物信息化建設中的應用優勢

三維攝影是利用最少干預手段，高速準確的對文物進行數據三維可視化采集，直觀呈現文物三維特征。其主要優勢如下：

（一）文物三維數據化快速采集

人們可以隨時利用手中數字影像設備對文物進行資料采集，并將采集的數據利用軟件進行自動化三維拼接，隨意將平面圖片資料轉換成三維數字信息，而不像以前需要用專業的攝影設備、攝影人員和三維軟件進行圖片三維拼接制作，減少了很多步驟、程序和設備，基本可以隨心所欲的實現文物三維展示。

（二）文物資源整體性展示

現在大多數文物信息化展示基本以單獨圖片、文字記錄為主，此類信息展示不僅不完整，且大量的高質量圖片耗費網絡資源，翻閱起來費時費力。三維攝影完成的文物三維數字化展示，能全方位的展示文物的完整細節，并且可以將文物置身于原始的環境，重造“體驗式文物”展示，讓觀眾在虛擬的三維空間中，真正感受文物的整體效果，設身處地的了解文物的歷史功能，達到以往信息化展示不能達到的展示和保真效果，充分發揮這些彌足珍貴文物的歷史教育作用。

（三）文物虛擬修復和重現

文物是歷史長河留給人們的一筆寶貴的財富，但是由于歷史發展的過程中自然風化的侵蝕、事故火災、人為的原因，使得很多文物受到不可逆轉的損壞，無法還原文物本來的原貌。利用三維攝影的方式，將文物現存的三維數據錄入電腦，再進一步對文物損壞部分進行虛擬重建，讓觀者通過電子屏幕感受文物昔日的輝煌，并且如果重建過程中出現錯誤，能隨時更改糾正，避免了因為資料不足帶來的錯誤重建。

（四）零損傷的開發文物的歷史經濟價值

文物信息化的保護與開發往往處于矛盾之中，傳統的激光掃描方式提取文物三維數據，或多或少的對文物都會產生光污染，隨著非接觸式三維數字攝影技術的發展，這一難題日益將解開。三維攝影以最小損害的方式建立文物立體數字化展示，可以在對文物零損傷的狀態下，大力開發文物的文化價值和經濟價值。三維攝影技術不僅有利于其保護傳承，而且有利于立體、浸入式、完整性的虛擬現實產業鏈的開發，形成相對應的3D電影、數字博物館、動漫、游戲等文化產業，推動文物文化事業的發展，將文物保護力轉化為文化生產力，產生一定的文化經濟效益，進一步調動廣大民眾對文物傳承和保護的積極性。

利用三維攝影技術建立的文物立體數據庫系統，對文物進行統一的信息化管理和應用，全面實現文物資源的采集、分析、交流等多項功能，將文物的保護水平提升到了一個新的高度，實現文物數據查詢公開化、文物文化交流國際化，豐富人民群眾精神生活、傳播歷史聲音，具有一定的歷史意義和社會經濟價值。

四、文物三維信息化方案

（一）數據獲取

文物從外觀形狀上大致可分為規則文物和不規則文物，規則文物表面數據的獲取相對容易，主要在于文物主體的光線，不能用均勻的光線，均勻光線下的規則文物出來的圖片信息內容相同，軟件無法識別機位，所以盡量使用45°光線對文物打光，這樣可以提高后期電腦軟件的機位辨析度，否則容易形成軟件錯誤的單一機位定位（如圖一）。不規則文物表面信息的獲取較為困難，尤其是文物表面結構較為復雜、出現病害、顏色較深的情況下，為了精準的獲得文物的表面信息，需要精確設定好機位，機位的分布要根據文物的結構進行均勻的變化，保持在同一坐標系上，然后在統一的時間、色溫、技術參數的要求下，對文物進行數據獲取。其數據捕捉的過程分為三步：

（圖一）

1.前期準備工作

首先現場對文物進行布光，確定光源位置后，再調整光源色溫，將光源色溫穩定在4500K左右，然后確定拍攝位置和軌跡，保證每張照片最少有20%的重疊。

2.拍攝工作

拍攝時照片的清晰度是關鍵，為了保證焦點清晰，需要用三腳架或者拍攝軌道進行穩定拍攝，盡量避免手持相機拍攝。拍攝時應該保持相機在計算機的控制下進行數據采集，利用計算機屏幕能更好的觀察拍攝出來的實際效果，便于及時的調整拍攝現場條件。

3.照片選擇

由于拍攝的時候，相機的自然抖動和人為因素，都會照成拍攝照片重復和缺失，這些都會造成后期三維成型的障礙，因此需要對照片進行查漏補缺的篩選。

（二）數據調整

由于色溫、曝光、拍攝不穩定的因素，相機拍攝出來的圖像都需要進行嚴格的色彩管理和大小調整，利用專業的色彩管理系統，做到每張照片的色彩盡量還原，大小尺寸也達到相應的要求，以免影響后期三維合成的效果和速度。

（三）三維建模

三維攝影建立的模型主要是依靠軟件Photoscan軟件自動化完成點云建模、三角網格建模、三維表面建模、三維實體渲染四個步驟，該過程需要統一調整建模數據信息，操作簡便、快速，節約了人力、物力和時間（圖二）。

（圖二）

（四）文物三維信息數據庫設計

文物三維信息其精度較高、數據量大、在數據庫處理過程中，面對如此海量的數據處理，很容易造成系統的崩潰，針對如此海量的信息處理，普遍的作法是將這些數據利用文件夾分類，完成數據庫檢索，并建立索引文件，以便快速的查詢出結果。

五、文物三維信息化中面臨的問題

三維攝影完成的文物三維信息化建設，從目前來看主要存在以下幾個問題：①色彩還原，在利用數碼相機對文物表面數據進行采集時，由于光線、拍攝角度、拍攝時間和拍攝器材的區別，拍攝出來的圖片不能完全還原對文物表面的色彩，因此在進行三維軟件合成之前，則需要專業的色彩管理團隊完成色彩還原這一步驟。②雖然文物三維信息化可以社會公開化，但并不代表所有的文物信息都可以隨時隨地的共享，應該保證部分文物的隱私權，分階段，分層次，分領域、分地域的公開文物信息，既要保證文物的安全性又要保證文物的社會教育意義。③隨著科技的發達，影像信息成為了衍生于實體資源的無形資源，文物的三維信息在傳播和應用過程會造成一定的文物信息泄露，對于文物資源的知識產權保護問題需要放在工作的重中之重。④文物三維信息化是歷史發展的需要，任重道遠，當今對于文物和計（下轉第頁）（上接第頁）算機知識全面了解的人才頗為稀有，國家教育部門應加大專項人才的培養，爭取早日全面實現文物三維信息化。

六、結語

利用三維攝影提取的文物信息，可以在對文物最小傷害的前提下將文物資源進行保護和開發，從而解決了歷史文物保護和開發之間的主要矛盾，大規模的利用三維攝影建立文物信息化工程，符合現代黨和國家的文物保護方針政策，是信息化時代文物保護和開發的必然選擇。

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作者簡介：官彬（1981—），女，湖北武漢人，副教授，湖北文化產業經濟研究中心研究員，主要研究方向：三維攝影。

基金項目：本文為2014教育部人文社會科學研究青年基金項目“《3D高清攝影在文物保護中的應用研究》項目批準號：14YJC760014”成果之一。