三維掃描技術在文物保護中的應用探討

張文

摘 要：文物保護是社會研究和人類歷史研究中的重點領域，近年來興起的三維掃描技術，在文物保護中有著積極的作用，逐漸成為數字化文物保護的重要手段。文章在研究分析三維掃描技術原理與核心設備的基礎上，結合現階段三維掃描技術的應用現狀，重點探討了該項技術在應用過程中的技術路線與關鍵流程。

關鍵詞：三維掃描技術;文物保護;點云;建模

我國是一個擁有著幾千年燦爛文明的國家，留存至今的文物數不勝數，文物保護是國家歷史研究的重點領域之一。歷史文物沉淀了一個國家的文化和共同記憶，通過文物研究可以探索過去的歷史。如何借由高效、準確的方式，既保護文物本體，又實現文物的展出，是文物保護工作的一個重點研究課題。傳統的測量方式過于簡陋和笨拙，同時呈現的方式單一，遠不能滿足現階段文物保護的需求。三維掃描技術是近年來文物保護領域應用效果較好的一種技術，其以非接觸、高精度采樣和快速建模等特點，在數字化文物保護中發揮了越來越重要的作用。

1 三維掃描技術簡介

1.1 三維掃描技術原理

在文物保護中應用三維掃描技術，其基本原理是利用激光測距技術，并結合動態測量系統，實現數據的采集和建模再現。這里的儀器既包括激光掃描儀，又包括與之相關的組合測量裝置、相機、傳感器以及安裝有專業數據處理軟件的計算機等。

三維掃描技術基本原理是激光掃描儀向文物射出激光脈沖，在其表面產生漫反射，反射的光束由專業的觀測設備采集，通過計算兩者的時間差，求得掃描儀到物體的距離。借助于專業的數據處理軟件，應用測角系統和三角高程原理，得到掃描對象的激光反射強度和三維坐標，進而建立起三維幾何模型。最終通過色彩和紋理貼圖，呈現出更加真實、生動的文物模型。

1.2 三維掃描核心設備

作為三維掃描技術的核心設備，三維激光掃描儀按照掃描空間和搭載方式的不同，大體分為固定式、手持式、機載式和車載式等;按照測序原理不同，又可分為光學三角測量、脈沖式、相位差式等。其中脈沖式激光掃描出現時間最早，測量范圍在幾百至幾千米之間，但是精度較低，只能達到厘米級;相位差式三維掃描儀可以掃描幾十米距離的物體，精度較高，可達毫米級;光學三角測量儀使用三角幾何關系進行測量，距離最近，精度最高達到亞毫米級。

2 三維掃描技術在文物保護中的應用現狀

2.1 三維掃描技術優勢

2.1.1 利用三維掃描可以實現單點采集向批量采集的轉化

單點式采集不可避免地存在抗干擾能力弱，誤差大，工期長，效率低等缺陷。在文物的測繪和保護過程中，需要工作人員開展大量的高精度活動，這也導致了傳統的單點式采集與文物保護需求之間的矛盾。傳統的測繪方式難以得到精確數據，進而導致后期數據處理的誤差，影響了文物考察和保護工作。另一方面，受采集模式的限制，單點式采集無法實現多角度數據的精準對比，難以建立可信的高精度三維立體模型。

文物中存在大量的體積巨大、難以移動的建筑類文物，依靠傳統的測量方式，難以得到全面精準的數據，從而無法反映建筑物外圍的空間關系。與此同時，作為一種難以移動的文物，建筑物的測繪只能在室外進行，受到外界條件的制約較多。引入三維掃描技術后，可實現批量式、連續性的數據采集，采集周期短，效率高，數據密度大，抗外界干擾能力強。三維掃描技術更加貼合文物的實際情況，保證了最終成果與文物實體的一致性。

2.1.2 利用三維掃描可以實現外業測量向內業測量的轉化

大型雕塑和大型建筑都往往需要較多的人力投入室外測量工作，測量工作量大、誤差大。同時在攀爬和搭建腳手架的過程中，不僅存在一定的危險性，還可能對文物的完整性造成損害。南方梅雨季節和西北的風沙環境都可能影響測繪進度，進而影響工期。利用三維掃描技術，可以實現高密度的測繪工作，結合計算機處理得到同比例的測量模型，實現了測量工作的內業化，大大改善了測量的工作環境，降低了工作強度。

2.2 三維掃描技術國內外應用現狀

20世紀60年代發明了激光技術，隨著激光技術的不斷成熟，三維激光掃描技術逐漸應用于建筑、采礦、醫學等諸多領域。美國、法國、瑞士等諸多海外國家均成立了規模較大的三維激光掃描系統研發企業，在三維掃描技術的原理研究和關鍵設備生產中形成優勢。三維激光掃描技術在20世紀歐美國家中率先投入使用，相對的研究也更加深入，在文物保護領域的應用案例更多。較為知名的項目是美國2003年數字化米開朗琪羅項目，華盛頓大學和斯坦福大學選取了10件著名的雕像進行掃描，得到了2億個面片及海量的照片，成功地對上述雕像進行了三維復原。德國漢堡大學于2004年使用激光掃描技術，對兩座大廳進行了全方位的掃描，得到數字化二維平面布局和三維模型。2015年有學者對LasCuevas遺址進行了三維掃描，重點探討了相移變化。2016年，國外學者利用三維掃描技術對瑞士高山地區的石版畫進行了侵蝕研究。

在數字化文物保護的浪潮下，國內眾多的文物保護團體和文物保護單位也紛紛采用三維掃描技術。故宮博物院與日本單位合作，建立了故宮數字模型，結合虛擬現實技術和三維掃描技術，構建了故宮建筑群數據庫。2007年，秦始皇陵兵馬俑博物館運用三維掃描技術，對2號坑進行了數字建模。首都博物館借助成立的文物保護分析實驗室，對館藏的100余件文物進行了三維掃描和數字建模。2010年，國家“指南針計劃”使用三維激光掃描和傳統手繪相結合的技術，對北京先農壇太歲殿整體結構和彩色裝飾等進行三維數字化重現。

3 三維掃描技術在文物測繪中的應用

3.1 技術路線與流程

應用三維掃描技術輔助文物保護的常規路線分析如下：①掃描現場的勘測與分析。應了解需保護文物周圍的作業環境，大致描述掃描對象的空間分布及外在形態，確定掃描點的位置及標靶等。②根據勘測信息確定掃描技術方案。三維掃描技術方案中應包含二維掃描儀型號、數據采集方案、控制點空間布設、成果類型、項目進度控制方案和數據處理等。③開展野外作業，獲取數據信息。④依據獲得的數據進行拼接、濾波、模型構建等，最終形成所需的數字化成果。

3.2 點云去噪

運用三維掃描技術對文物進行數字化處理，主要的環節包括數據拼接、數據去噪、簡化處理、壓縮分割與三維模型建立。文章重點對點云去噪、簡化壓縮和模型建立三個環節進行分析。

激光點云數據按照點云的空間位置分布，可以分為掃描線點云、陣列式點云、三角化點云和散亂點云四類。采集文物時獲得的三維激光掃描數據為散亂點云，通常掃描之后的原始數據存在大量噪點。如果不對其進行有效剔除，將會影響后續體征點的提取和模型曲面的光滑度。噪點產生的主要有以下三個原因。

①文物本身的特性：文物的材質、外形、顏色、平滑度及反光度等。

②三維掃描觀測系統：掃描過程中的微小震動、三維掃描儀工作特性、相機的分辨率等。

③介質是否存在明顯干擾，主要包括抖動、遮擋和觸碰等。

如掃描的對象是可移動的小型文物，依照掃描過程的噪點分布，大體分為兩個類型：一種表現為噪點遠離文物本體，明顯偏離數據集，震動幅度大，可手動去除;另一種表現為混雜在數據集中，振動幅度小，需借助于專門的算法才能剔除。對于古建筑、雕塑等大型不可移動的文物，其三維掃描得到的點云數據相比前者明顯提升，應將遠離目標文物的點云去除，同時對于遮擋形成的障礙物也要去除。

通過三維掃描技術對得到的離散點進行濾波，首先需要操作人員手動框選，將遠離數據本體的外圍離群噪點去除，然后借助于網格化處理技術，對密集的點云進行濾波，這一過程中常用的算法包括平均曲率流算法、雙邊濾波法、鄰域平均濾波法和拉普拉斯算法等。①

使用拉普拉斯算法進行處理，主要是將異常的高頻噪聲集中起來，借助于多次迭代方式將這部分數據點逐漸擴散，最終達到光滑去燥的目的。拉普拉斯算法最大的優勢在于計算簡單，但是隨著迭代次數的吸收，點云的網格體積會快速下降，最終導致三維模型模糊化。

使用雙邊濾波算法處理，核心原理依然是高斯函數，利用空間分布的非線性濾波函數將點和數據進行圖像化處理。有國外學者分析了非線性濾波的特征，并總結歸納得到基于網格模型的雙邊濾波算法、算子，該種方式的優勢是能夠在去除噪聲的同時保持模型的特征，不足之處在于雙邊濾波去噪算子過分依賴局部特征，去除嚴重干擾噪聲的效果較差，主要表現在多次迭代后去除效果難以控制，可能出現紋理丟失的現象。

平均曲率流算法最早由Desbrun提出，使用該方法需要先估算曲率，然后讓網格頂點按照平均曲率速度移動。該種方法能夠解決拉普拉斯算法中的頂點偏移現象，但是在網格頂點移動的過程中，會產生一定的不規則三角面片，影響整體的采樣率和模型建立。

3.3 點云簡化與壓縮

點云簡化與壓縮主要針對難以移動的大型古建筑群和雕塑群，站點掃描得到的數據太大。結合大量的處理過程，發現并非所有的數據都對后期的三維模型建立有用，同時大量集中分布的點云中存在較多的冗余信息，導致后期三維建模過程組織困難、數據處理量大、處理時間長，這就要求在保證三維建模精度和紋理特征的前提下，盡可能地對點云進行簡化和壓縮，減少數據量，降低后期三維建模過程中的處理難度，常用的方法包括包圍盒算法、簡化算法、區域重心法、坐標增量法等。①

近年來有國內學者提出了一種新型的提取方法，可對簡化算法進行改進，改進的程度與點云大小的選取有關，簡化效果決定于提取的K鄰域。藺小虎基于傳統的坐標增量法，提出了一種將掃描線從一維向二維擴展的點均壓縮算法，并借助于數據處理軟件，對比了兩種算法的壓縮效果。于海霞通過大量的長方體區域壓縮算法計算，指出在點云密集的區域，可使用重心壓縮法。近年來，諸多學者研究了八叉樹法和k-d樹法，可進一步提升壓縮的效果。

3.4 建模方法

傳統的建模方式時間長、工作量大、精度低，測量過程不可避免地需要與文物本體接觸，可能導致文物損壞。借助于三維掃描技術實現建模多借助專門的數據處理軟件。建模的過程屬于實物再現的過程，因此，上述軟件也可稱為逆向工程軟件。雖然建模軟件較多，處理過程基本相似，先是需要提取點云數據，并將其轉化為多邊形;然后依據數據壓縮方法，對點云數據進行簡化。上一步驟可以得到NURBS曲面，將得到的曲面借助于CAD等軟件進行數據導出。②

在實際對文物進行三維建模的過程中，由于構造和結構相差較大，需使用不同的方法進行構建分離。索俊峰在處理蝴蝶廳模型的建立時，將現代測量技術和三維激光掃描技術結合在一起，提出了一種室內外一體化處理方式，將古建筑分為不同的構件進行單獨建模。化蕾以客家土樓為研究對象，將土樓內外部的點云分開，并分別提取內部和外部的輪廓線，進行內部和外部的單獨建模。王金在利用三維掃描技術處理遺址墓葬陶器時，結合C++語言提取特征曲線，并借助于傅里葉系數完成了特征曲線的聚類分析。實現模型建立的最根本的問題是重構自由曲面，常用的曲面重建方法包括變形曲面重建、隱式曲面重建、分片線性曲面重建等。③

4 結語

三維掃描技術在文物保護中的應用，經過了多年的實踐并取得了積極的效果。不少學者對于文物保護中的三維掃描技術、關鍵問題和關鍵技術做出了大量的研究，并制訂了多項基礎標準，完善了工藝流程，在此基礎上，文物保護領域的三維掃描系統逐漸構建并成熟。以數字化為基礎的三維掃描技術推動了文物保護工作的重大進步，尤其是大型古建筑群和石窟等不可移動的文物。對于小型可移動文物，三維掃描技術在數字修復和數字呈現方面也有重大的技術優勢。但是也有注意到現階段的三維掃描技術與虛擬現實相結合，還存在儀器成本高、處理數據量大、結構復雜、文物難以呈現等問題。