古典家具數字化保護方法研究進展

張 磊，朱培浩，盧凱杰

天津理工大學 機械工程學院，天津 300384

1 引言

古典家具的工藝繼承與保護是一項重要的研究工作[1-2]，其中的數字化保護方法對于文物保護具有一定的實際意義和實用價值。但長期以來，因保護方法陳舊、技術手段落后，古典家具保護還停留在傳統的資料收集、整理和現場保存等原始做法上，即使運用計算機技術，也僅局限于二維平面圖形保存及文字記載方面[3]，無法真實、全面地反映家具的全部三維數據，尤其是面對具有復雜結構和外形曲面的家具，難以實現精確的數字化還原[4]。大量珍貴的古典家具缺乏專業的保養與修繕，隨著時間的推移，逐步腐蝕、劣化甚至損毀。因此，對古典家居的數字化保護和修復是一項較為重要的工作[5]。如何應用先進的測量技術，完整、真實、準確地記錄古典家具的造型特征、結構關系和詳細尺寸，永久保存文物的三維數據[6]，并利用虛擬現實技術研制具有沉浸感、交互性與實時性的古典家具虛擬展示和漫游環境[7-8]，成為該領域的重要研究方向。文中通過梳理目前國內外古典家具數字化保護中的主要技術和方法的進展情況，對古典家具數字化保護中的數據采集與數據處理、曲面重構與參數化模型重建、數據庫構建、力學分析等進行對比分析，指出古典家具數字化保護的發展方向。

2 古典家具藝術價值及數字化保護

中國古典家具做工精湛、造型優美、圖案精致，承載著我國古代人民生活方式、意識形式和價值取向等諸多信息，形成富有特色的東方家具體系，在世界家具發展史上特色鮮明[9-10]。

古典家具數字化保護作為一種新型的研究手段，其主要形式是通過建立古典家具數據庫（包括三維數據和相關的信息數據），清晰展現我國傳統家具的發展脈絡，為構建家具文化理論奠定基礎。目前國外針對數字化保護已經形成比較完整的體系，而古典家具數據庫的建立在國內仍處于探索階段，表1總結了國內外家具數字化保護方面的主要研究成果。

表1 國內外家具數字化保護方面的主要研究成果

3 古典家具數字化保護方法

近年來，諸多文獻報道了關于古典家具數字化保護方法方面的技術成果，通過梳理，得到古典家具數字化保護的主要工作流程，如圖1所示。

圖1 古典家具數字化保護的主要工作流程

3.1 古典家具數據采集

3.1.1 采集技術分類

古典家具的數據采集包括二維數據采集和三維數據采集。其中，二維數據的采集主要依靠電子設備拍攝數碼影像資料，并將原始的電子影像數據作為后期保護的基礎依據[26]。三維數據采集技術主要有接觸式和非接觸式兩種。采用三維掃描設備可快速獲取物體表面的離散三維數據，具有測繪準確、詳細、獲取方便的特點[27]。三維數據采集技術分類如圖2所示。

圖2 三維數據采集技術

3.1.2 應用現狀

接觸式儀器如三坐標測量機（CMM），其在空間3個軸向上均裝有光柵尺，經光柵計數系統處理，得到被測坐標點的數據，雖然通過逐點采集的方式提高掃描精度，但是檢測時間長、工作量大，往往不能迎合大物件的掃描需求。與接觸式不同，非接觸式測量技術需要借助算法實現信號轉換和三維數據信息的識別。隨著計算機及傳感器的迅猛發展，以光柵式和激光式為代表的非接觸式三維測量技術發展最快。其中，激光式則根據激光測距原理計算得到待測物體的的三維坐標信息；光柵式則根據光學三角原理，如應用FTP方法[28]將快速傅里葉變換用于結構光三維數據測量，通過傅里葉變換輪廓技術測量系統得到空間域信號，經過快速傅里葉變換、濾波和傅里葉逆變換，計算得出物體的三維數據坐標。

目前，國內已對數據采集方式進行不同程度的創新，張玉華等[29]則提出在應用三維掃描技術進行測算的過程中，要采用手持式設施，保證掃描的連續性，并確保掃描的速度。在此基礎上，林海等[30]提出，在實際測量古典家具時，應綜合使用直接測量法、攝影測量法和三維激光掃描3種測量方法，但對于大尺寸零件，其累積誤差會因測量照片絕對數量的增加、拼合次數的增多而增大。此外，冉險生等[31]引入近景攝影測量技術，通過在不同位置和方向獲取同一物體的兩幅以上的數字圖像，經過捆綁調整、圖像匹配等技術處理和相關數學計算后，得到待測點的精確三維坐標，不但提高了掃描效率，且大幅度提高了大尺寸物體的掃描精度。而徐海濤等[32]基于ASODVS將全景立體技術應用到激光掃描中，通過激光投射點提取算法解決了全景掃描需進行多次數據配準的問題。

總之，光學測量是非接觸式測量中最具代表性的測量方法，相對于接觸式測量，它集光、機、電于一體，具有成本低、測量速度快等優點，是目前三維數據采集的首選方式。而不同的數據采集方式適用于不同的需求，表2對比分析了非接觸式三維數據采集技術的原理和優缺點，并在此基礎上總結了相應的發展方向。

3.2 古典家具三維數據處理

通過三維設備采集得到的數據，還需進行多項后處理工作，主要包括數據配準、數據分割及數據簡化。

3.2.1數據配準

由于三維掃描儀自身視野范圍的局限性，一次掃描過程往往不能得到物體的全部信息，為實現將不同視域下的點云數據統一到同一個坐標系下，需進行三維數據配準[43]。目前配準主要思路是利用相鄰視圖間存在的重疊部分，通過特定的配準算法獲得對應視圖的坐標變換關系。其中基于圖像特征的配準方法[44]是提取參考圖像與待配準圖像中的不變特征，其主要分類及特點如表3所示。

另一方面，通過將現存算法進行合理整合和創新，提出了一種基于最小二乘法計算點到切平面距離的方法，即迭代就近點（ICP）算法[51-52]。通過對ICP算法的不斷優化，國內外獲得許多成果。Granger等[53]提出EM-ICP算法，將最大期望算法應用在ICP算法中，減少初配準步驟；由于配準算法在掃描精度較低的狀況下產生的誤差較大，曹聚亮等[54]以激光采樣點為配準單元，提出一種新的基于反向投影的快速配準算法；對于復雜形狀無法計算特征的問題，胡少興等[55]提出了改進的ICP算法，并以此為基礎，開發了漸進式多視點配準法，利用Tsai標定方法確定三維幾何點與二維紋理點的映射關系，提高了配準速度。針對點云數據優化處理問題，周亞男[56]提出使用專門設備進行系統自動配準的方法，以此提高配準速度和精度。

3.2.2 數據分割

由于復雜物體的曲面往往由多個曲面整合構成，為方便后續數據處理，采用數據分割技術將數據劃分為若干個相關聯的區域。它主要依據幾何特征、色彩及反射光強度進行劃分。目前，Velmurugan[57]提出按照多維度屬性聚類劃分的聚類分析法思想，馬騰等[58]驗證其可行性，為數據分割提供新的發展方向。雖然該新方法具有參數設置靈活，算法魯棒性高等特點，但不可避免需要進行大量的幾何特征統計。

表2 三維數據采集技術的原理、優缺點和發展方向

表3 基于圖像特征的配準方法

3.2.3 數據簡化

在進行點云的降噪處理時，則采用平均法去除噪點，包括簡單平均法，加權平均法及直線滑動平均法等。在完成數據預處理的基礎上，張榮強[3]主張運用多視點云的拼合方法進行點云過濾、數據精簡和點云分塊，實現三維數據的預處理和去噪。此外，林海等[30]也主張運用專業的云處理軟件對三維掃描儀采集到的點云數據進行優化處理，如點云數據的濾波、平滑、縮減、分割、配準、融合等，減低模型重建的復雜性，提高精確度和速度。

3.3 古典家具曲面重構與參數化模型重建

曲面重構主要實現拓撲結構的恢復，其恢復程度直接決定模型還原的精度和質量。曲面重構過程中，拓撲結構會發生畸變，因此需運用特定的重構理論和算法，以保持拓撲結構與模型物體結構的一致性。為此，綜合文獻[59-61]，得到曲面重構的主要方法：（1）采用逼近或插值的方法得到曲面的特征線，再根據正向建模的方法，由特征線生成曲面；（2）直接通過插值或逼近的方法，由點云數據直接生成曲面。對復雜文物進行曲面重構時，采用第二種方法較為常用。

20世紀60年代，Bezier提出Bezier曲面理論，通過調整局部曲面的頂點實現曲面重構，但是該法無法處理連續的曲面數據。為此，Gordon提出B樣條曲面，解決了曲面拼接連續性問題。在此基礎上，引入拓撲優化空間，通過對算法在網格控制及網格細分上的優化創新，Zhao[62]提出基于遺傳算法GA改進B樣條曲面重建技術；Tekumalla[63]結合最小二乘擬合算法實現曲面的光化處理。

而在實際古典家具曲面重構過程中，張榮強[3]提出，當前兩種主要的曲面構造方法分別是B樣條或NURBS曲面為基礎的曲面構造和三角Bezier曲面為基礎的曲面構造，并闡明了先構建基礎面，再構建過渡面，最后添加細微圓角特征的曲面重構過程。此外，郁舒蘭等[14]也提出以融合二維繪圖和三維造型于一體的MDT軟件作為設計平臺，以NURBS方法實現曲線和曲面的最終構建。與此不同的是，林海[30]則將預處理后的點云數據以參考文件的方式導入BIM軟件（如Revit），通過捕捉點構成線、面和實體，完成古典家具的模型重建。

姬勇等[64]針對傳統文物數字化重構方法中存在的成本昂貴、文物損壞程度較嚴重等問題，提出了基于笛卡爾網格的三維重構技術，該重構技術以六面體網格作為最基本單元，采用對實體進行逐層切割獲得截面域輪廓線的剖分算法，并借助計算機圖形學的掃描線填充算法對文物進行三維成像重構。除上述基于深度圖像的建模方法外，周明全等[65]提到了基于序列圖象的建模方法，該方法針對照相機拍攝的序列圖像，通過多視圖像預處理、攝像機標定、點云模型生成、點云三角化等步驟，來實現三維建模。

3.4 古典家具力學結構分析

針對參數化模型的拓撲優化設計，Nicholls[66]利用有限元軟件對箱式家具結構中角接頭的應力及應變狀態進行分析，準確預測家具所受的撓度。何風梅等[67]提出基于ANSYS對板式家具進行有限元分析的方法，在提高設計效率的同時，實現了家具的可靠性及模塊化設計。對于復雜結構家具模型的有限元分析，張立等[68]以榫卯結構為例，主張預先將模型導入參數化三維設計軟件，然后經過數據格式轉化后再將模型導入到ANSYS中進行網格劃分，最后進行外載荷加載并求解。該步驟實現了家具的部分結構整體化結構分析，并進一步驗證了ANSYS軟件對家具進行力學結構分析的可行性。對于家具關鍵節點結構優化問題，董廣斌[69]通過ANSYS語言編程，分析了丁字榫結構強度和剛度最大情況下的榫長和榫厚比，為國內局部結構關鍵節點的分析提供思路。

表4 唯一ID生成方案改進對比

綜上，國內外學者利用有限元法對各種形式的家具進行結構性分析的方法實現了參數化模型的強度校核和結構參數優化，為家具數據化的導入提供了量化保障。

3.5 古典家具數據庫構建

3.5.1數據庫構建

古典家具數據庫的構建是數字化技術體現的最直接形式。數據庫不但可實現所有用戶數據共享，而且可減少數據信息的冗余度。由于數據庫中的數據具有一定的獨立性，其邏輯結構和應用程度在變化時不會影響數據的顯示與使用，可保證數據在存儲與傳遞過程中的唯一性與準確性。為此，吳義忠等[70]提出基于XML的三維參數化標準庫系統，通過對API接口組建的開發，實現三維參數化模型信息的輸入及輸出。劉文金等[19]提出利用圖像處理、文字處理等專業軟件對所收集的各類資料進行預編輯處理的方法，并以微軟公司研制的Visual Basic.Net為開發平臺，通過Microsoft SQL Server 2005的強大數據處理功能進行完整的數據庫設計。呂希奎等[71]將OpenGL與三維建模軟件相結合，采用Oracle數據庫進行管理，彌補了OpenGL在建模方面的局限性，并實現了模型的查詢檢索和瀏覽。王欣等[72]基于OpenGL技術構建數據的基礎上，采用ActiveX數據對象（ActiveX Data Objects，ADO）技術提供標準接口，通過API接口[73]實現數據存儲、檢索以及數據庫的訪問，實現數據的高效控制與管理。賀春光等[20]則在現有蒙古族傳統家具二維圖案數據庫系統基礎上，首先運用AutoCAD及Sketchup軟件進行三維圖案數據庫的創建與數據錄入，然后運用瀏覽插件Archivision Discovery Viewer實現三維動態瀏覽功能，最后運用Archivision Active X技術將三維數據庫封裝在現有的數據庫系統中，確保數據的安全性和可靠性。

3.5.2 唯一ID生成方案

數據庫的不斷增大意味著檢索效率將大幅度下降。為此，給對應模型圖案創建并匹配唯一ID顯得尤為關鍵。常見的數據庫自增長序列按照自然排列，雖然簡單方便，但是在數據庫合并或遷移時會發生ID沖突，導致數據庫擴展受限。因此，可采用集群式生成方案，即每個子數據庫所設置的起始數字不一致但步長一樣，有多少子數據庫就設置相應步長。此外，唯一識別碼（Universally Unique Identifier，UUID）技術根據文件信息（以太網卡地址、納米級時間信息等）創建獨一無二的無序數字代碼，但是由于代碼組成過于復雜，往往不具備可讀性；因此，微軟制定一項UUID組成標準，并稱之為GUID；但本質上，GUID依舊是亂序，隨著數據量增大，信息索引的維護帶來性能上的損耗將更加明顯，為此，Nilsson[74]提出一種COMB類型的GUID，將時間信息與GUID組合，保證唯一性的同時滿足了ID的有序性，以此提高檢索效率。各方案對比如表4所示。

3.5.3 數據庫運行流程

綜上所述，通過對物體進行三維數據采集、處理以及模型重建等操作，基于數據庫構建技術，通過特定的輸入端口（如API端口）將三維模型信息導入數據庫中，并依據模型信息生成對應的唯一ID，方便數據庫檢索和模型瀏覽，并為后續模型的立體投影提供基礎。古典家具數據庫的運行流程如圖3所示。

圖3 數據庫運行流程

4 古典家具數字化保護趨勢

當前，社會各界都在積極開展對物質文化遺產和非物質文化遺產的數字化保護工作。保護這些珍貴的文化遺產不僅出于學術研究需要，而且保持民族文化的傳承、維護世界文化多樣性和創造性，并為后續文化創新提供了重要依據。了解和認識國內外文化遺產在數字化保護方面的發展趨勢，有助于開拓思路，突破單一學科研究的技術局性，將數字化技術更好地應用到古典家具的保護工作中。

（1）數字博物館（Digital Museum，DM）

DM是指通過數字技術手段構造數字空間之上的博物館。而數字博物館[75-77]則在博物館數字化的基礎上實現對藏品的收藏、管理及虛擬展示，并通過局域網、互聯網建立信息網絡服務體系。數字博物館不但打破了實體博物館地理、時間限制因素，也打破了信息單向傳遞的方式，大大提高了與觀眾的互動性和藏品資源開放共享程度[78]。

相對于國外，國內數字博物館的建設進展相對較慢。從20世紀90年代起步，我國的博物館數字化實驗經歷了3個發展階段，即由博物館與互聯網對接開始，經過了博物館數字化和數字化博物館兩個進程[79]。目前，為解決數字博物館數據單一性、缺乏關聯性和互動模式單一等問題，需充分利用物聯網、云計算、移動互聯、大數據處理等技術，實現數字博物館向智慧博物館[80]的過渡。但大數據僅僅是發現數據之間的關聯性，無法在根本上找到數字化變量間的因果關系，對數字化保護的深層次理論問題仍然缺乏解釋力[81]。因此，大數據的應用與數字化保護的學術研究如何進行合理對接，也是值得學者們繼續探討的話題。

（2）虛擬現實技術（Virtual Realty，VR）

VR作為一種多通道的新型人機交互接口，通過視覺、聽覺、觸覺和重力感等多種感覺通道可實現與計算機虛擬世界的交互，從而產生身臨其境的體驗[82]。VR技術在文物保護方面同樣有著廣泛的應用，借助數字影像、三維展現、多媒體與寬帶網絡等技術，可構建以網絡傳播為手段的綜合數字平臺。目前，VR博物館缺少成熟的導覽系統，觀眾難以捕捉展品的細節且自由漫游體驗相對較差。因此，基于WIFI室內定位技術的語音導覽系統逐漸投入使用，用戶通過登錄預設頻道，系統自動識別定位后自動播放錄音內容。另一方面，西方國家通過與移動電信廠商的合作，聯合開發VR虛擬現實展覽軟件，用戶可佩帶VR設備并鏈接移動端，實現遠程參觀博物館。

（3）增強現實技術（Augmented Realty，AR）

AR是以VR技術為基礎，將計算機信息（如文字、聲音、圖像或GPS數據）實時疊加顯示到現實場景，實現自然互動的人機交互技術[83]，與VR既有聯系又有區別。VR完全沉浸于計算機生成的虛擬場景中，而AR是虛實結合的技術，為實現真實環境和虛擬世界的有機結合架起一座橋梁。在國內，AR技術在文物古跡的保護和復原上略有成效，陳靖等[84]提出基于關鍵幀匹配的增強現實跟蹤注冊算法，構建出基于視頻透視式頭盔顯示器的移動增強現實系統，實現了圓明園大水法遺址的數字重現。基于AR交互式的數字博物館系統已初現雛形，鐘志鵬[85]及杜鳳儀[86]基于增強現實技術，在博物館導覽中的應用進行了初步研究，設計了基于視頻透視技術和人工標志物的增強現實技術的博物館展示系統。相對于傳統博物館而言是一個較大的突破，打破了傳統博物館固定僵硬的體驗方式，創造出一種靈活多變的全新觀展模式。但目前AR交互式博物館體驗系統的結構功能單一，體驗效果不佳。

（4）AR-VR混合技術博物館

AR-VR博物館展覽互動系統[87]可將VR技術與AR技術相結合，利用VR技術的沉浸感及增強現實的交互感提升參觀者參觀博物館的交流互動體驗。系統分為兩個模塊：（1）博物館虛擬漫游模塊；（2）增強交互模塊。博物館虛擬漫游模塊使用VR技術生成一個虛擬環境[88]；而增強交互模塊基于AR技術，通過攝像頭采集場景視頻，采用計算機視覺跟蹤注冊方法將虛擬信息疊加在真實場景中，增強展品信息的展示，系統具體框架結構如圖4所示。

圖4 AR-VR系統框架

目前，國內基于多媒體的運用及數碼影像技術的應用，初步實現了古典家具從靜態展示到三維動態立體全方位的展示。為滿足時代需要，古典家具數字博物館應通過AR-VR混合技術，營造層次豐富的空間和迷幻多變的音效氛圍及全方位和多通道的實時感官交互的虛擬場景，從而將展品的展示空間轉換為一個關于文化、歷史和知識的體驗空間。給參觀者身臨其境的沉浸感受，更多地了解家具展品背后所蘊含的文化內涵。在展現家具展品功能性和藝術性的同時，體現審美休閑、普及教育及科研的社會價值。另一方面，隨著網絡技術的發展及手機的智能化發展，基于移動增強現實的博物館導覽方式將推動古典家具數字博物館的普及。為此，數字博館可通過互聯網技術向用戶提供參觀、學習、研究、交流等多種服務。

5 結論與展望

中國古典家具的數字化保護技術應用研究立足于解決中國古典家具研究與當前中式家具數字化設計脫節的狀況，可彌補古典家具在保護中信息易老化、易失真等缺陷，為中國傳統家具的傳承、應用及推廣探索出一條新出路。傳統家具的數字化保護工作涉及到光學、設計學、計算機學及博物館學，是一項綜合研究課題。文中針對古典家具數據庫的搭建，綜合分析并總結了數字化保護中的數據采集與數據處理、曲面重構與參數化模型重建、力學分析等技術與方法的發展現狀與趨勢。目前，在實現一維測距和高精度測量的基礎下，三維激光測量技術應向二維、三維測距方向發展，逐步實現掃描速度更快，掃描精度更高，更輕便攜帶的目標；在數據處理方面，基于特征提取的配準算法適用范圍受限，而ICP算法收斂速度較慢，因此需要結合遺傳算法減少迭代次數；在有限元分析方面，國內在仿真精度方面與國外差距較大。因此，需將有限元仿真分析與計算機輔助設計與制造技術相結合，形成集設計、模擬分析、優化及制造為一體的科學化家具保護與設計體系。

最后，針對目前新媒體技術和計算機輔助技術的發展，總結了數字博物館的發展進程。在完善古典家具數據庫建立體系的基礎上，將古典家具數據庫與新型數字博物館的結合是一個重要發展趨勢。