數字化技術在西沙群島出水石雕文物中的應用

包春磊

數字化信息技術近年來快速發展，三維激光掃描技術（3D）就是其中之一，它采集數據速度快、無接觸、精確度高，高清的幾何紋理信息以數字的形式存儲或構建三維模型，在文物保護、修復及科研中備受青睞。三維激光掃描技術可逼真還原文物的現狀信息，重建高保真可量測的三維模型，數字化永久存檔，為將來實施具體的文物保護工作提供必要的基礎數據以及進行相應的數據加工，還可以進行計算機虛擬修復，記錄不同修復階段重要的文物修復信息數據，評價修復效果，并進行文物的虛擬展示等。

海南省博物館收藏有一批西沙群島“珊瑚島Ⅰ號”沉船遺址水下考古發掘的石雕文物，這些文物具有典型的中國傳統風格，如“八仙過海”傳說石雕人像、獅頂方柱、龍柱、石磨等，雕刻手法嫻熟，圖案精美細膩，從石材選材、雕刻技法、造型風格、題材內容來看，可能是清代福建惠安工匠所生產，應是當時移居東南亞的華僑運往海外修建寺廟宗祠或其他大型建筑物所用的材料。

這批文物在海洋中浸泡數百年，表面覆蓋了一層厚厚的白色沉積物，還有海洋生物貝殼殘體粘附其上，部分遮蓋了文物表面紋飾圖案，有些文物斷裂成幾截，給保護修復帶來了挑戰。為保存文物的原始信息，給將來的保護修復提供依據，又可以向觀眾展示文物三維立體形貌，我們對這批石雕文物進行了三維激光掃描數字化保護，通過近景攝影測量及3D數字建模技術，制作文物三維交互，通過互聯網在電腦、移動設備等多種場合、終端上進行文物的展示、研究、教育，觀眾可以面對面、接觸式、無限制地瀏覽欣賞文物，了解這批文物背后的歷史故事，“讓文物活起來”。

三維數據采集

我們利用三維激光掃描儀對石雕文物進行結構、形態的點云數據采集，以獲取其基礎結構信息。為保證點云數據采集完整性，采集前需對儀器架設點進行合理規劃，按照雕像擺放位置進行站點布設。每一豎立雕像布設8個站點，頂部、底部各4站；平鋪于地面的雕像布設站點數量約為24站，分正反兩面采集，各12站。因掃描數據為多站點拼接，為保證后期數據正確拼接，需對掃描區域周圍進行靶球定位，標靶球擺放時應保證靶球的穩固性，其次要求相鄰兩個架設點能同時觀看到4個或4個以上的靶球，且每個球體觀看范圍應大于二分之一，所有標靶球擺放不應在同一直線。

以上步驟全部準備完畢后，就開始進行儀器組裝、架設，根據前期站點規劃，單個豎立雕像分為上下兩層掃描，上層為頭頂周圍一圈，掃描高度高于頂部20厘米左右，下層為底座周圍一圈，掃描高度離地面20厘米左右。多個擺放在一起的石雕，掃描站數約12站，依據擺放位置左右各一站，從頭到尾依次采集。

高清紋理影像采集

影像采集主要用高清單反相機對石雕文物進行多角度紋理拍攝，獲取石雕表面顏色信息，為文物信息數字化保存及后期三維展示提供數據支撐。影像采集時，采用24色色卡進行色調校準，保證精準色彩還原。在影像采集前，根據影像地面分辨率GSD或DPI的要求和攝影距離，選擇合適的鏡頭（定焦）或焦距（變焦），焦距計算公式：

根據石雕文物采集環境、結構及以上計算公式，選用50mm焦段，像幅5760像素×3840像素，拍攝距離約0.65—0.7m，影像地面分辨率0.063mm。影像采集以單塊船板立面為拍攝單位，采用平行攝影的方式獲取每個獨立區域立面影像信息。相機正對被攝物體，每個攝站拍攝一張影像，橫向重疊度約50%，旁向重疊度約30%，基線長度即為第一攝站與第二攝站間的距離。在數據采集過程中，為保證影像分辨率，每個獨立的區域面需要分多層拍攝完成，拍攝過程順序為從左向右，從上至下。

三維交互制作

對三維掃描采集的石雕文物點云數據進行加工拼接，得到完整的船板三維素模，用專業三維軟件將三維素模與高清紋理照片進行匹配，形成石雕三維彩色模型，基于此模型數據可以制作出三維交互、虛擬復原等數字化成果。

石雕文物的原真模型制作通過三維模型構造軟件3Dmax和圖像處理軟件Photoshop結合實現。將Geomagic預處理生成的三維素模，導入3Dmax中進一步處理，結合Photoshop處理的紋理貼圖，完成石雕文物的三維原真模型建模工作，文物三維模型幾何精度誤差在±5mm，單塊貼圖分辨率為4096像素×4096像素。

三維交互開發采用Unity 3D游戲引擎完成。Unity 3D是由Unity Technologies開發的一個讓工作人員創建諸如三維視頻游戲、物體可視化、實時三維動畫等類型的綜合性游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。將三維模型導入交互空間，根據實際應用需求定制化編制程序腳本，實現極具真實感和體驗效果的三維可視化展示程序，單件出水文物三維交互數據量大小低于500MB。

近年來，我國對海洋文化遺產的關注程度和保護力度與日俱增，水下考古技術突飛猛進，一些重要的沉船及船貨文物被發掘出水，水下文化遺產的保護與開發必將受到越來越多的關注，水下文物因埋藏環境與陸地大為不同，出水后往往因環境變化而導致文物受損，三維激光掃描等數字化技術為出水文物的保護與展示開辟了新的方法，在文物數字化保護方面有著重要的作用，和目前的虛擬現實技術、AI技術一樣將會受到越來越多的關注。

致謝：本文得到2019年海南省基礎與應用基礎研究計劃（自然科學領域）高層次人才項目（項目號2019RC362）基金資助。

（作者為海南省博物館副研究員）