石質文物的虛擬修復技術

摘 要：針對博物館館藏石質文物修復的問題，提出了針對石質文物結構性病害的虛擬修復方法。首先，收集文物相關資料并對資料進行分類、整理。其次，結合現有資料及石質文物幾何形貌特征對石質文物病害進行分類并對修復可行性進行分析。最后，采用具有針對性的虛擬修復方法對文物的三維模型進行虛擬修復。通過虛擬修復，可以最大限度地結合史料的客觀依據和修復人員的主觀能動性，為文物修復提供低成本試錯的機會，為文物修復成果的展現提供更多的可能性，同時也能夠作為文物數字活化利用的新思路。

關鍵詞：石質文物；虛擬修復；三維模型；數字化；文物修復

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.13.007

0 引言

現如今文物保護從業者不僅可以從實物出發，還能夠通過數字化的技術手段從計算機中提取文物的海量信息，從而更方便快捷地對文物本體進行研究工作。三維激光掃描、攝影測量、CT掃描、電子檔案等數字化手段能夠留存文物的幾何、紋理及相關文獻記載等數據，這些數據儲存在計算機中通過多種形式的調取，為挖掘文物信息提供了極大的便利。博物館肩負對文物進行科學管理、科學保護、整理研究、公開展出和提供使用（對社會主要是提供藏品資料、研究成果）的責任。馬琛提出提升博物館的數字化建設，能夠“提升博物館的管理水平和能力，同時還可以降低文物的安全風險，緩解文物保護與利用之間的矛盾”。

對石質文物的研究是了解人類社會活動、生活民俗等重要信息的方式之一。刁常宇等人通過多種數字化手段結合的方式對杭州飛來峰摩崖造像群進行了數字化信息采集加工及處理工作，最終獲得了文物的保真三維模型、正射影像圖、剖片圖及數字拓片等成果。王園園等人通過數字化修復手段對西安韓森寨元代壁畫進行了數字化修復，并得出“古壁畫實現數字化后不僅打破了常規的古壁畫保護管理技術和管理方式，也為古壁畫數字化保護與數字化管理提供了技術支撐，實現對古壁畫信息資源科學、流動的管理模式”的結論。何勇等人通過數字化手段對山西云岡石窟進行了全方位的信息采集、加工及處理，得到了包括點云模型、三角網模型及真彩色模型在內的一系列模型成果，在此基礎上對模型進行分析得到了洞窟修復前后的對比模型，模擬分析了在不同震動強度下立柱的應力分布效果等，并提出“數字化成果的廣泛應用，是未來數字化發展的主要空間，數據的有效使用是我們未來發展的主要難題”。

本文主要針對石質文物的修復提出一種可行的虛擬修復方法，擬提高石質文物修復的工作效率，并為石質文物的修復流程提供新思路。

1 石質文物虛擬修復方法

隨著時代的演變、社會的進步，文物本身所承載的價值越發重要。為更好地保存文物的價值，對于文物的修復工作要堅持保護文物信息的真實性和完整性，同時堅持“最小干預原則”及“可逆性原則”，采用恰當的修復方法最大限度降低對文物本體及其歷史環境所保有的信息產生不同程度的傷害。因此，嘗試使用虛擬修復技術進行無損修復是文物修復領域未來發展的方向之一。

文物的虛擬修復要做到全面的前期調查，包括：收集整理相關歷史、考古、藝術等資料，采集分析文物本體信息，獲取文物數字化信息，記錄保存環境信息，調查文物病害并對其進行分類，制作病害記錄檔案并繪制病害分布圖等。

全面的前期調查數據可作為文物修復的依據，在此基礎上要形成具有針對性的專項修復方案，最終在計算機中對數字化文物進行相應的修復措施。

2. 實驗及分析

2.1 相關文獻整理

本實驗以成都博物館館藏石犀作為對象。該石犀由整塊紅砂巖雕刻而成，長約3.3m，高約1.7m，最寬處約1.1m，估計重量達8.5t。側面雕刻有清晰的卷云紋，材質為四川地區常見的紅砂石，出土地層為西晉地層以下。這個石犀牛的發現與揚雄《蜀王本紀》所載驚人的吻合，并相互印證。《蜀王本紀》載：“江水為害，蜀守李冰作石犀五枚，二枚在府中，一枚在市橋下，二枚在水中，以厭（壓）水精；因曰犀牛里。”李冰做了五頭石犀，其中有兩頭放在郡府府衙中，此次發現的石犀即是“二枚在府中”之一。值得注意的是，有關李冰做五石犀的傳說《華陽國志·蜀志》中也有記載：“作石犀五頭以厭（壓）水精，穿石犀溪于江南，命曰犀牛里后轉置犀牛二頭：一在府市市橋門，今所謂石牛門是也；一在淵中。”成都天府廣場出土石犀，不僅與《蜀王本紀》有關石犀的記載相互印證，也與《華陽國志》有關秦在成都大城“營廣府舍”的記載完全吻合，它從側面印證了都城址中心連續使用2300多年而無變化，闡述了天府之國文化的延續性與穩定性。因此，該出土石犀是成都市極其珍貴的文物，意義重大。

經成都文物考古研究院及文物保護專業人員研究，該石犀由四川地區常見的紅砂石雕刻而成。紅砂巖是四川地區最為常見的文物石材，有多部文獻、書籍對其進行研究。X射線衍射試驗測得紅砂巖的礦物成分主要為碎屑礦物和黏土礦物。其中，碎屑礦物主要為石英、長石、方解石，含有少量赤鐵礦和云母；黏土礦物包括蒙脫石、伊利石、高嶺土和綠泥石，含量為23%～39%。黏土礦物具有顯著的膨脹性，遇水后容易迅速崩解、軟化，它是影響紅砂巖工程性質的主要因素。

2.2 數據獲取與處理

本次數據獲取主要使用FaroArm進行三維數據采集，掃描點位精度±0.03mm，點云分辨率小于等于0.3mm。三維數據的掃描共計六站點，對掃描的源數據通過軟件進行點云去燥、拼接；將拼接后的數據整體進行稀釋處理，使其在計算機中運行更為流暢；通過計算機處理將稀釋后的點云數據生成三角網模型，在此基礎上對其進行數據的修補，使模型數據表面數據連續且完整。

2.3 模型的虛擬修復

石犀目前保存于成都博物館，嚴格的環境質量監控使石犀能夠很好地被保護起來，為研究如何處理其本體存在的病害爭取到了足夠的時間。首先，通過數字化虛擬修復方法能夠很好地避免在本體上“動刀子”，通過計算機虛擬技術避免了對石質文物構成二次傷害；其次，對于模型數據可以進行多種多樣的嘗試，對于病害的修復有了“試錯”的機會；再次，修復成果即時可見，能夠及時對修復方式進行有效的反饋；最后，對修復病害可以進行全方位的信息記錄。本次數字化虛擬修復采用Geomagic軟件進行，擬修復能在數據模型上表現出來的結構或幾何表面病害。

2.4 修復依據

由于歷史文獻的缺乏，無法得知石犀最初的形態。因此，考慮從同時期的文物出發，把石犀類石質文物的形態作為本次虛擬修復的依據之一。石犀不是軸對稱形態，對于大面積的缺失不能以簡單填補方式草草了事，為此通過選取石犀左右對稱面的方式將石犀一分為二，以保存較完好的左側作為右側的修復依據。為方便提取石犀表面病害數據，通過曲率計算將石犀表面變化劇烈的區域與平滑的較完好區域區分開來，作為病害識別依據；其余表面剝落、刻劃等病害以石犀現存表面為修復依據。等分面的選取分別嘗試了外包圍盒對稱、內包圍盒對稱、左右側表面連線的截面及重心對稱四種對稱方式。外包圍盒對稱法概括性較強，選取的對稱面以外包圍盒的左右兩側對稱性為主，不能很好地體現石犀局部不對稱性的特點（圖1）；內包圍盒主要突出石犀軸線方向的特點，選取的對稱面以內包圍盒的左右兩側對稱性為主，概括性強，局部細節突出性差。選取石犀左右兩側表面水平連接線的中點的連線，以該線段組成的豎直于水平面的曲面雖然能夠很好地將石犀均勻等分，但現存的左右兩側表面并不是石犀的原始表面，因此該方法不僅計算時間較長，且細節保留過于全面。最終我們選用計算現存石犀幾何重心的方法，尋找貫穿石犀首尾并垂直于水平面且重心落于其上的平面將石犀分為左右兩側。該方法考慮現存細節的同時，又高度概括石犀的特點，能夠作為本次修復的依據之一。

2.5 病害修復

根據曲率計算，將石犀表面幾何形態的病害分為缺失、剝落、刻劃、空洞狀風化及裂隙等病害（圖2）。將缺失類病害按左右兩側對稱性進行修復；剝落、刻劃、裂隙、空洞狀風化等病害按現存石犀表面進行修復。

缺失類病害的修復：將左側保存較完好的部分從模型中截取出來，變換坐標和位置后移動到右側殘損部位；刪除右側殘損部位的三角網絡模型；根據刪除的部位裁剪左側相應部位使大小合適；最后將三角網絡縫合，調整縫合區域使之沒有分層或重復構網，如圖3所示。

剝落病害的修復：將剝落凹陷的部分剪裁后抬升至病害周圍區域的均值面；將抬升的病害區域盡量細分剪裁，使整體跟隨病害周圍區域的三角網曲率進行相應的變化；最后將所有三角網進行縫合，有漏洞的區域進行補漏，如圖4所示。

裂隙病害與刻劃病害的修復方式相同。選取病害區域后進行三角網絡刪除；將病害區域周圍完好的部分三角網絡通過旋轉、平移等坐標轉換方式填補至裂隙區域；調整網絡曲率后與周圍網絡進行縫合，如圖5所示。

空洞狀風化病害分布面積廣，且在幾何形態上表現出大小不一的密集三角網凹陷，逐一修復會耗費大量時間和人力。因此，選用表面平滑的方式對病害區域進行修復。通過改變三角網絡的曲率分布能夠很好地決此類問題，如圖6、圖7所示。

3 虛擬修復成果及分析

通過數字化技術對石犀進行了較全面的信息記錄及數據挖掘與利用。使用三維重建技術對石犀進行了原尺寸模型重建，并在此基礎上對文物本體進行了一些研究，如對稱性研究、病害研究、病害虛擬修復、藝術形態研究、3D打印等。通過對稱性研究，我們發現石犀經過長時間自然及人為因素的影響，左右兩側形成大范圍的不對稱，并對該數據進行了記錄；通過病害研究，我們全面記錄了石犀表面病害尺寸數據；通過虛擬修復技術，我們記錄了完整的修復過程及各病害的修復的位置、面積、體積等數據；藝術形態研究可以對石犀卷云紋飾進行深入研究；結合3D打印技術能夠及時展示修復成果。通過虛擬修復技術，記錄了完備的石犀本體病害相關數據，能夠利用本次數據進行長期文物保存狀況的監測及預警，能夠為石犀病害的形成、發展及演變提供數據支撐，能夠為文物保護工程的開展提供可靠檔案記錄，能夠為文物修繕工程的開展提供參考。

4 結論

進入數字化新時代，國家相關部門對文物的保護利用提出了新的要求。文物工作者應緊隨國家戰略，緊密結合當前技術條件，順勢而為，在文物保護利用之路上不斷開拓進取，完成保護好珍貴歷史文化遺產、傳承好中華優秀傳統文化的歷史使命。

成都博物館石犀虛擬修復研究的開展，證實了虛擬修復技術在可移動文物保護工程實踐中是可行的，能夠為實際文物保護工程提供具有參考價值的模擬訓練和強有力的數據支撐。開展文物虛擬修復同實際修復工程一樣，需要做到詳盡的資料查詢、數據挖掘、修復方式及手段的分析論證。不同病害需要“對癥下藥”，應用不同的虛擬修復方法針對性地進行病害修復。各個病害的修復過程做到全記錄，對文物負責、對文化傳承負責。

未來，虛擬修復技術可作為文物實際修復工程的“先遣部隊”，文物修復工程中遇到的問題均可在計算機中模擬演練，為實際修復工程保駕護航。數字化技術在文物保護領域的應用定然會大放異彩，我們拭目以待。

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