三維數字化技術在文物保護中應用與作用

王飛 義縣文物保護研究中心

一、文物三維數字化技術下的文物保護

（一）文化遺產保護的重要性

中國有著豐富的文化遺產和古老的遺跡資源。在自然因素和人為因素的雙重作用下，文化遺產會受到一定程度的破壞。這種破壞往往是無法可逆轉的，文化遺產資源是無法追回的。因而，文化遺產所附屬的歷史、文化、藝術、科學價值等重要組成部分也不再存在了。

文化遺產保護與合理利用，近年來已上升為黨和國家的重大方針政策。加強文化遺產的傳承保護，對于一個擁有五千年歷史文化的大國來說，意義作用深遠重大。文化軟實力作為現代社會發展的精神動力、智力支持和思想保證，越來越成為民族凝聚力和創造力的重要源泉，越來越成為綜合國力重要體現。“文化軟實力是重要國力”已列入國家戰略。

要系統梳理傳統文化資源，讓收藏在博物館的文物、陳列在廣闊大地上的遺產、書寫在古籍里的文字都活起來，推動中華優秀傳統文化創造性轉化、創新性發展。加強文化遺產價值挖掘闡釋，服務當代、服務社會，已成為整個社會的共識。

（二）文物三維數字化技術

基于激光測距的三維激光掃描技術，又稱高清測量。由記錄被測表面大量密集點的三維坐標信息和反射率信息，可以充分采集各種大型實體或實際場景的三維數據，進而得到物體的三維模型，如點、線、表面等。在物體的整個連續掃描過程中，物體的各種圖形數據可以快速重建和掃描，得到了密集型三維測量目標點云的大小散射數據。通過計算機建模得到掃描對象的三維模型，然后對模型進行運算，得到掃描對象的信息。近距離攝影測量基于人眼的雙目視野。通過拍攝不同位置的物體，通過切除正交方法計算該區域的內向和外向性元件，并且分析計算實際位置中的圖像點的地面坐標，然后進行了三維模型分析測量對象。3D打印技術包括FDM融合層壓技術和SLA立體聲印刷版在文物復制過程中的應用。首先，3D數字技術用于掃描文化遺物，工業SLA高精度3D打印機用于輸出3D圖像文化遺物信息，以達到文化遺物再現的目的。3D打印機可以準確地測量到0.001微米，使其可以將與文化遺物的完全相同的副本復制并顯示文化遺物的幾何信息。

（三）文化遺產3D數字技術優勢

三點激光掃描技術點云數據可以達到單毫米級，也可以達到亞毫米級。這是一種短程攝影測量或三維激光掃描技術，不與被測物體接觸，最大限度地減少對文化財產的破壞，確保文化財產的安全。三維激光掃描技術可以對目標物體進行連續監測，無須人工操作即可對區域內的物體進行掃描。近距離測量技術通過計算機程序收集數據，自動生成文學模型。三維數字技術具有很強的抗干擾能力，可以在惡劣的環境下工作。與傳統的手工測量技術相比，三維數字化技術可提高5倍以上，掃描范圍超過5000米。

二、三維數字化技術在文物保護中的應用

（一）文化遺產三維信息的收集與存儲

要使文化遺產的價值更受歡迎，最重要的是保存文化遺產的信息。達到文化遺產的保護不停止和可逆轉，讓利用三維數字技術將使文化遺產的信息永久性地存儲在數字中。為了支持數字形式的文化財產信息，必須首先收集文化遺產的信息。目前主要的三維信息采集技術包括三維激光掃描技術和近程成像技術。利用這兩種技術，可以對文物現有的三維幾何信息進行數字化保存，并通過照片保存色彩信息。文化遺產信息采集完成后，可以以GIS平臺、紋理和顏色的形式保存。管理員利用GIS平臺的數據管理和顯示功能實現自動檢索，對文物信息進行管理和顯示，減少文物保護人員的工作量，提高文物保護質量。

（二）文化遺產的復制

將三維數字技術應用于物體再現，采用物體的三維幾何信息和三維打印技術，制作三維打印輔助書。3D打印副本具有高精度和高強度。3D打印復制技術實現了文化財產的高精度復制，實現了大型房地產文化資產展示的需求。

（三）文化遺產數字信息的獲取

隨著三維掃描硬件技術的發展，三維掃描儀本身也變得越來越小。斯坦福大學遺產保護項目的三維掃描了著名的10座雕塑，為我們提供了一個很好的例子，數字模型會變得越來越復雜。浙江大學開發的敦煌石窟虛擬漫游數字掃描復原系統是我國著名數字掃描技術的代表。考古學家不移動考古遺址，也不破壞考古遺址，通過對掃描信息的三維掃描，就可以對考古遺跡的個別文化屬性進行掃描。這種考古方法最為準確，為文獻的保護和修復提供了完整的考古圖形資料。對于博物館中的一些文化遺產，我們也可以通過三維掃描進行數字化和存檔了。

（四）文化遺產的恢復

材料的數字復原技術是利用定點或非定點三維掃描儀掃描文化遺產，將材料的形狀、材質、顏色、材質轉換成數字信息室，并在室內形成個人電腦模型。模型是三維的，三維掃描儀的精度可以達到0.001微米。落下的沙子被打碎并掃描到碎片計算機上。收藏完成后，文化遺產的碎片和缺失部分可以通過數字雕塑軟件進行修復。這不僅節省了大多數文物專家的工作，而且避免了文物修復過程中文物的二次損壞。目前流行的數字雕塑軟件有pix0邏輯zbraush和autodask modbox。這使得復雜的三維造型就像讓孩子們玩泥巴。當然，著名的3DMAX也是必不可少的工具。三維掃描儀掃描的數字信息可以通過掃描儀軟件轉換成多種格式，對其他雕塑和閱讀軟件也很有用。目前使用的三維數據格式有obj、DXF等，這些格式可以用主流的三維軟件打開，生成的obj可以導出其他格式到3dmax00，用多邊建模的方法重試路由。建立了最優路徑方向模型。如果文化資產遭到破壞，你可以重新整理殘片，創建一個新的文化財產模式。將redrivers和重塑模型轉換為obj格式，并引入ZBrush或madbox。雕刻工具修剪根模型并雕刻紋理、銘文等重要細節。在zbriush雕塑之后，我們將模型引入3max并編輯UV映射坐標。接縫可以作為內角和文物的親密點，它利用Photoshop等軟件對文化遺產所需的數據和地圖進行分析。最后，在對作品的紋理進行處理后，我們將3DMAX紋理烘焙器、光照圖和高光澤度圖結合起來，通過先進的3DMAX地形繪制技術，將文化資產、色彩和設計轉化為數字模型，即高清數字單幅作品。最后利用3DMAX軟件進行光學仿真渲染，并進行Vray渲染和虛擬現實生成，在軟件修復階段完成文化屬性的生成。這些數字模型被直接應用到動畫、電影和在線互動媒體中，讓更多的研究者了解文化屬性的價值。

（五）文化遺產在再生產中的作用

FDM技術原理復雜，傳統的平面印刷是由計算機產生的三維全息圖像，三維印刷是根據成形精度按層計算的。根據輪廓按壓三維打印機的噴嘴，形成輪廓層，形成完整的三維圖像對象。物體的固體墨水不是傳統的墨水，而是各種材料，如塑料和金屬。SLA固體印刷技術以光敏樹脂為原料，根據各層的信息對液體光敏樹脂的表面進行處理，掃描區域中的樹脂層在掃描后的固化光聚合作用下移動，物體的另一層使表面的樹脂固化。該方法速度快，可實現任何復雜形狀物體的自動加工，而且精度高。可用于復雜、高精度工作的高速樣機的設計。通過數字全息掃描和軟件的數字恢復，利用激光固化光敏樹脂的特性，利用工業級SLA高精度立體打印機打印出文化遺產。激光高點掃描精確到0.00 l微米。獲得了文化遺產的形狀和表面的紋理，印刷了文化財產的形式，印刷了標題句的形式，紋理和顏色與原文化財產幾乎相同。

（六）文化遺產變形監測

三維信息采集技術具有較高的精度。對文化屬性進行比較，采集不同時期的三維信息，比較不同時期的三維信息數據，得出文化屬性的特征。遠程三維激光掃描儀可以采集文化屬性數據，生成模型，進行疾病調查。三維數字技術可以在計算機上生成文物模型，可以通過文物模型生成任意角度的地圖、數字摩擦圖、零件圖等。這些地圖是用傳統的技術無法獲得的，而且可做到對考古發掘出來的文物，完成技術層面圖紙上的文化遺產的縫合和修復。避免了人為反復實驗的磨蝕力度。即使是有經驗的人，大量的文化遺產，都實現手工完成縫合和恢復是不可能的。利用三維數字化技術，可以將掃描的碎片和執行虛擬縫合的物體，呈現在你的電腦中。體量巨大的文化遺產文物，在計算機中實現復制和再生，其意義和作用是重大的。

三、文物三維數字化技術對文物保護的作用

相關人員可以快速檢索到文物的三維信息，其中文物信息是第一位的。傳統的文物信息技術缺乏，如果沒有完整的文物信息，煩瑣麻煩就太多了。三維掃描技術可以快速、準確地獲取三維圖像數據。設備中采用的三維掃描技術不接觸工件表面，從而保證了工件的質量。傳統的造型方法無法保證文物的完整性，這對于文物完整傳承來說是缺失和遺憾的。利用三維數字技術和三維打印技術，以非接觸的形式采集文物信息，然后建立數字模型，最后形成一個拷貝作為原始對象，簡化了文物的制作，最大限度地體現了文物的實體性，體現了文物內涵的完整豐富性。三維數據信息采集成功后，對原始數據進行處理，對設備數據進行模擬，可對文物再培育復制和再生，對復制文物的形態進行預覽。

四、結束語

由上可知，當前信息技術已被滲入到我國各個行業中，三維數字化技術在文物保護工作中的應用是時代發展的趨勢。文物是歷史文明所遺留下來的寶貴遺產，時間的不斷推進使得文物容易出現一定的損害，而文物三維信息數字化技術的應用，是能夠確保文物長久傳承的技術手段。