三維掃描技術在文物保護中的應用

劉昭昭

摘 要：中華上下五千年，存留的文化瑰寶、歷史文物數不勝數，對于國家和人民來說這都是無價之寶。但是，受到人為與自然因素的影響，許多文物遭受了不同程度的損毀，對此，必須針對不同文物性質采取保護措施，傳統的文物保護技術有許多需要改進與創新的地方。本文將對此分析三維掃描技術在文物保護中的運用，從三維掃描技術的基本概念出發，闡述其用于文物保護中的優勢，并探討實際運用案例，為現代化數字博物館的建設夯實基礎。

關鍵詞：三維掃描技術；文物保護；優勢；應用

歷史文化的積淀為我國創造了無數的文化財富，留下了許多獨一無二的文化遺產。文物具有極高的研究、欣賞以及歷史價值，代表著我國不同時代的發展歷程。文物具有不易接觸、紋理多樣、形狀各異的特點，因此有效獲取文物表面的數字模型是關鍵所在。鑒于文物的不易接觸性，同時無損檢測的高要求性，當下，在文物保護中已經運用了無人機、三維掃描技術、近景攝影測量等信息采集技術。

1 三維掃描技術概述

1.1 無人機技術

作為科技時代的產物，無人機具有動力裝置、導航裝置，在設置范圍內，通過計算機設置或者遙控實現自由飛行。20世紀20年代，無人機出現，通過跨世紀的發展，技術的創新，無人機種類繁多。當下，大多數國家都投入了300多種無人機的使用，無人機由于結構、功率、重要、控制方法、飛機重量、使用途徑的不同而分成多種類型，應用于不同的領域。

1.2 激光掃描技術

三維激光掃描技術源于上世紀90年代，是全球定位系統問世之后一個群信的測繪技術。相比傳統技術，激光掃描技術具備信息獲取迅速、準確的特點，同時在信息獲取過程中不會接觸文物，采用高速激光掃描的方法完成測量。該技術通過極高分辨率以及面積大的優勢能夠迅速、準確的定位文物體表的三維坐標，保證空間信息搜集的準確、迅速，為建立三維模型提供新興技術支持[1]。

1.3 近景攝影測量

該技術在測繪文物中得到了廣泛運用，其原理在于通過計算機實現圖像匹配和圖像處理，自行完成圖像坐標區分，從而完成數字正交圖像、矢量線圖以及數字高程模型的構建。該技術對于表面不平整的文物以及不規則的文物能夠實現精準測量，不論是立體的、靜態的，或者是三維景觀、影像圖都能夠實現精準測量。同時為能夠記錄物體運行軌跡，并發揮數據提供的作用。

2 文物保護中運用三維掃描技術的優勢

文物是我國歷史發展過程中留下的文化遺產，對于現代化社會具有極高的歷史價值。因為保存不當等原因，文物在代代傳承中受到了不同程度的破壞，甚至會不復存在，因此，保護文物迫在眉睫。由于傳統文物保護措施暴露出來許多不足之處，所以在科技的迅速發展下，文物保護投入了三維掃描技術的運用。

2.1 當下文物保護中的不足之處

由于文物大小、規模、價值、保存環境等因素的而不同，需要采用最適合的方法進行保護，避免自然因素、人為因素造成的影響。自然因素即是許多文物受到構造、布局的影響，容易受到環境影響，例如空氣濕度、溫度，太陽直射情況以及空氣中的氣體等因素都會影響文物；人為因素即是在展覽、收藏、修復期間大量接觸人群，導致一些已經收到損害的文物在此受損。對于需要修復的文物，以往的方法已然無法滿足當下的需求，其中也存在許多的不足之處，例如，文物修復工作量大、耗時長，尤其是對于復雜的修復問題，修復期間難免會對文物造成二次損壞，再者就是已經完成修復的文物在館藏展示中未得到良好的保護[2]。

2.2 文物保護中運用三維掃描技術的優勢

社會經濟的迅速發展，科技水平的進步，使得三維掃描技術的運用范圍得到全面擴充，在保護文物的過程中發揮著關鍵性的作用。虛擬現實技術基于三維掃描技術的之上，該技術的運用具有直觀展現文物的優勢，主要原因在于該技術具有精度和點位分布均勻、非接觸測量、迅速掃描等特點。文物保護過程中，無論應用掃描手段，都要以文物受到干預最小的狀態下獲取信息為原則，保護文物的原始狀態，使得文物壽命得以延長。

2.2.1 在不破壞文物的前提下迅速獲取信息

有效獲取信息是保護文物的基礎，只有充分了解文物信息才能實現有效模擬。三維掃描在運用過程中不會直接接觸文物，有利于保護易碎文物以及表面信息易破壞的文物。對于大型文物而言，掃描技術的優勢十分突出，能夠有效完成信息采集工作。例如，有效獲取并重現莫高窟壁畫，該技術的運用有效提高了工作效率，通過完整的保護了壁畫，并且補充了二維拍攝的不足之處。

2.2.2 對于文物復制發揮了巨大的作用

傳統文物復制都是在實物的基礎上完成，難免會對文物造成損壞，對于易碎的瓷器文物更甚，極有可能在復制過程中造成無法挽回的損失。三維掃描技術無需接觸實物便能夠采集數據，并且搭建數字模型，最后采用復制技術構建精度準確的復制作品，不僅優化了復制文物的步驟，還減少了對文物的破壞，給文物復原提供了可靠的數據支持。

3 實際運用案例

在秦兵馬俑的保護中，采用三維掃描技術中Inspeck實行兵馬俑頭部掃描，予以文物保護處理。具體操作過程：掃描采用彩色掃描設備，促使成像之后的兵馬俑更加逼真。由于彩色掃描折射出來的光源偏向于黃色，同時對于掃描處理的結果要求非常高，因此，掃描之前必須對設計系統進行創新，首先處理自帶光照，避免直接使用。同時，Inspeck完成一次掃描只能獲取一個側面圖像，鑒于頭部掃描后期取像需要三維數據，因此在掃描過程中進行的反復掃描（10次），并且頭部上下均掃描1次，側面完成8次掃描[3]。此外，掃描臨近部位是，選擇了重疊數據的運用，促使后期取像時技術處理更方便。然后，掃描完成后，使用Faps系統進行建模處理，刪除其中與頭部無關的數據，通過將建模圖像置入Em系統，便于之后圖像拼湊以及圖像生成。在拼湊過程中，主要整合優化兵馬俑的建模數據，同時Em系統用于處理拼接時，首先要手工在建模上設置3-6個標注點，通過標注點完成最后的拼接處理以及校對工作。

完成頭部掃描后，就要開始圖像掃描生成和采編工作，一般使用Em系統中的兩種方法完成， 其一是Cylindrical，其二是cubic。第一種用于圓柱形文物中，獲得效果甚佳，同時在上述兵馬俑技術處理中獲取精準的信息數據，但是難以即是展現兵馬俑頭表紋路，因此，就投入了第二中方法的運用，cubic法，不僅能夠精準、切實的獲取頭表紋路，還能避免第一種方法的不足之處，精確反映文物的原始面貌，促進文物保護的開展。但是，Em系統在運用中也凸顯出了一些問題，即是導出頭部紋路信息時，不能即是實現坐標上的保存，需要二次處理才能保證掃描信息的完整性。

4 結束語

文物保護中大量運用了三維掃描技術，同時相關技術以及掃描設備也在不斷的完善更新。由于該技術具有成本低、操作便捷、精準度高的特點，對于不規則、復雜化的文物進行掃描，利用高分辨率的成效特性完整保護和修復文物，不僅能夠降低人工成本的投入，還能提高工作效率，促進文物保護事業的發展。

參考文獻

[1]劉宏光，王鑫森，高超.三維激光掃描技術在文物建筑建檔保護工作中的應用探討[J].測繪與空間地理信息，2017（6）：127-129.

[2]孫航衛.全系列三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用[J].文物鑒定與鑒賞，2018（1）：108-109.

[3]汪建波，孫亦東.手持式三維激光掃描儀在文物保護中的應用[J].江西測繪，2017（1）：47-50.