器物類文物超高清三維數字化流程的規范化研究

黃墨樵 劉歡 侯琛琛

摘 要：隨著我國文物數字化保護利用需求的不斷提高，對文物三維數字化的要求逐步邁向超高清階段，即獲取兼具高精度幾何信息和高還原度顏色信息的文物超高清三維模型數據，以滿足迅速更新迭代的應用終端和各類符合高質量發展要求的應用場景。目前成果一致性好、可工程化實施的文物三維數字化流程還沒有得到規模化應用。本文通過對比已有標準化文件，梳理完善數字化流程，探討優化數據加工、質量控制和成果量化評價流程的方法，以期提高文物三維數字化效率、提升文物三維數字化成果質量，為文物保護單位采用三維數字化技術方法采集獲取文物超高清三維數據提供參考性依據和可操作性方案。

關鍵詞：器物類文物，超高清，文物三維數字化，流程設置，標準化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.22.005

0 引 言

文物三維數字化包括文物三維數字化采集和加工流程，是將文物實體以數字技術等技術方法轉化生成具有三維空間特征的數字虛擬可視化數據形態。隨著數字技術的持續發展，目前文物三維數字化在文物保護、研究、展示等方面發揮越來越重要的作用，為文物數據多層次多維度應用提供堅實的三維數據基礎。

從國內文博行業實踐來看，文物三維數字化有以下三方面的發展趨勢。一是有更高精度和更高分辨率的要求。在《“十四五”文物保護和科技創新規劃》中明確提出：加強文物數字化保護，以世界文化遺產、全國重點文物保護單位、館藏一級文物等為重點，推進相關文物信息高清數據采集和展示利用。二是有建立標準化作業的要求。《“十四五”文物保護和科技創新規劃》同樣明確提出建立文物數字化標準規范體系的要求，旨在提升文物三維數字化的效率和質量的同時，形成規模化效應，加強數字文物對實體文物保護利用的助力賦能。三是隨著技術的持續發展，應用終端的不斷迭代更新，新的應用場景不斷涌現，這對文物三維數字化工作提出了更高的要求。不僅需要獲取文物精確的幾何數據，同時也需要獲取具備高擬真度的文物高分辨率顏色信息，以及準確的顏色分布和變化表現，生成兼具高精度幾何信息和高還原度顏色信息的文物超高清三維模型數據。無論是基于國家文物保護大政方針方面的考量，還是基于不斷發展的現實需要，文物超高清三維數字化流程的規范化為文物數字化保護利用的高質量發展提供了具體的實踐方案。

1 技術方法選擇與適用

根據文物采集對象的差異，以及采集目的的不同，從目前文物三維數字化實踐來看，共有三種文物三維數字化技術方法。第一種為三維掃描技術。第二種為攝影測量技術。第三種為三維掃描技術與攝影測量技術的結合使用。

三維掃描技術大約在20世紀90年代中后期就已經開始在國內文博行業逐漸應用，目前已廣泛應用于測繪、病害分析、修復、傳播展示等文物保護利用領域[1]。三維掃描技術在文博行業主要運用的技術有激光三維掃描和結構光三維掃描兩種。雖然三維掃描技術在獲取文物高精度幾何數據方面具有優勢，但單純的三維掃描技術目前尚未能捕捉獲取高分辨率的紋理和準確的著色信息。

近年來，隨著攝影測量技術的持續進步，基于數碼照片的輕量化、快速化三維重建技術在我國文博行業也逐步大量應用，在大空間測繪和文物傳播展示領域應用較多。由于攝影測量技術的數據采集來源是數碼照片，根本上解決了無法獲取高分辨率紋理和準確的著色信息的問題，因此采用攝影測量技術獲取的文物三維模型數據都可以獲得良好的著色信息。但也正是由于直接基于文物二維影像獲取文物三維點云，使點云數據存在較大誤差，特別是面對造型復雜，不規則的文物對象時，這種誤差會隨之放大。與激光和結構光三維掃描相比，生產的模型精度較低。

文物數據的長期保存、文物的科學精細化保護、文物價值的進一步挖掘和闡釋、面向新一代顯示終端的超高清展示傳播，這些代表文物保護利用高質量發展方向的應用領域都需要兼具高精度幾何信息和高還原度顏色信息的文物超高清三維模型數據將三維掃描技術與攝影測量技術進行結合使用，既能發揮兩種技術方法的優點，又能彌補兩種技術方法的不足，保證最終生成的數字化成果既擁有較高的幾何精度，同時也保有超高分辨率的貼圖數據，擁有與實物比擬的高保真度，能夠較好滿足上述一系列面向更高終端應用的需求。

隨著顯示終端分辨率已從2K逐漸過渡到4K（3840*2160 pixels）和8K（7680*4320 pixels）階段，一方面這為文物三維模型數據承載和顯示更多文物表面信息提供了技術呈現基礎和手段，使得高質量文物三維模型數據的價值得到進一步發揮；另一方面這也對文物三維模型數據質量，特別是對于模型數據的紋理貼圖分辨率（texture resolution），以及紋理貼圖（texture map）與網格模型（meshmodel）之間的準確映射有了更高的參數要求。為此面向4K以上新顯示終端條件下的文物超高清三維數字化（Ultra-high Definition 3D Digitalization of?Cultural Relics）概念初步成形。

文物超高清三維數字化是指三維數字化的成果紋理模型（texture model），不僅擁有不大于0.2 mm的模型精度，同時兼具匹配4K以上顯示終端的超高清分辨率和清晰效果。紋理模型（texturem o d e l）由網格模型（me s h m o d e l）和紋理貼圖（texture map）構成，紋理模型最終的視覺效果，取決于網格模型的網格精度、密度，以及紋理貼圖的分辨率。其中紋理貼圖參數質量影響最大。參照國際電信聯盟ITU制定的《超高清電視系統節目制作和國際交換參數數值》建議書（ITU-R BT.2020-2）中的技術規定，以對角線長1.5 m屏幕（尺寸1.31m×0.74 m）1：1的圖像顯示為基本輸出規格，確定文物超高清三維數字化的技術指標[2]。由于文物三維模型數據使用較多的應用場景都會涉及到對模型數據的放大觀看，模型數據的局部細節需要充滿屏幕顯示。為此需要以滿足數據局部細節觀看要求來作為底限指標，即要求按1：1對應文物對象1平方分米的面積范圍內不小于4K（3840*2160 pixels）的紋理貼圖分辨率，按dpi換算則是要求紋理貼圖滿足不小于800 dpi的分辨率指標要求。

2 器物類文物超高清三維數字化規范化流程

2.1 已有流程比較與分析

隨著文物三維數字化工作實踐的不斷開展，目前國內已有部分省市開始針對館藏文物（可移動文物）進行三維數字化的流程標準化工作。例如河北省于2020年實施的地方標準DB13/T 5260-2020《金屬類可移動文物三維數據采集規范》、北京市于2021年實施的地方標準DB11/T 1922-2021《文物三維數字化技術規范 器物》、山西省于2023年實施的DB14/T 2720-2023《可移動文物三維激光掃描數字化采集規程》，以及甘肅省于2023年實施的地方標準DB62/T 4726-2023《館藏器物類文物三維數據采集技術規范》均有涉及器物類文物三維數字化流程。其中DB11/T 1922-2021涵蓋了文物三維數據采集和加工的全流程，較為詳細地規定了三維掃描技術和攝影測量技術進行文物三維數據獲取的規范化流程，同時也規定了基于長期數據存儲目的的存檔級文物三維模型數據的采集和加工流程、參數項和指標值[3]。在其他標準化文件中，如DB62/T4726-2023中并沒有將三維掃描技術與攝影測量技術結合的技術方法規范化，只就點云數據加工處理進行了一般性規定[4]。在DB14/T 2720-2023中將對紋理貼圖的數據處理分成了手工和自動兩種，但并未進一步說明如何自動映射，只是簡要說明某些掃描儀具備自動獲取紋理貼圖，并自動將紋理貼圖映射到網格模型上的功能[5]。

此外刁常宇在其著作中對文物三維數字化流程，特別是高保真文物三維數字化進行了簡要流程描述[6]。在域外，2018年Dostal 等人也就高質量文物三維數據的生成流程進行了研究，提出結合了三維掃描儀和計算機視覺攝影測量技術優勢的數據加工方法，稱為攝影測量紋理映射（photogrammetrictexture mapping，以下簡稱PTM）[7]。與Dostal 等人研發出PTM方法的同期，故宮博物院也采用了類似PTM的技術流程，將攝影測量獲得的網格模型替換成三維掃描獲取的更為精準的網格模型，將攝影測量獲取的文物紋理及著色信息映射到三維掃描獲取的網格模型上，以此得到兼具準確幾何信息和顏色信息的高品質文物超高清三維模型數據[8]。

2.2 規范化流程設置與考量

文物超高清三維數字化全流程主要包括4個作業環節：（1）前期準備，包括方案設計、條件準備；（2）數據采集，包括控制測量、三維掃描、攝影測量；（3）數據加工，包括三維數據加工、攝影測量加工、三維掃描與攝影測量三維重建結合的數據加工；（4）成果存儲，包括成果整理、成果存儲。從整體流程來看，前期準備和數據采集兩個環節在目前相關標準化文件中流程化設置比較清晰明確，與文物超高清三維數字化流程的區別主要集中在數據加工、全流程質量控制及成果紋理模型量化評價環節。因此本章以下小節將著重就文物超高清三維數字化在數據加工、貫穿全流程的質量控制環節及成果紋理模型量化評價的流程設置進行探討。

2.3 相關流程設置的探討

2.3.1 三維數據加工

三維掃描數據加工應按下列要求進行：（1）除去與可移動文物無關的多余部分；（2）消除變形、疊面、交叉面等現象；（3）在符合最大點間距不大于0.5 mm，平均點間距不大于0.2 mm的條件下，進行三角網減量；（4）保證模型精度不大于0.2 mm要求下，進行局部或整體平滑處理；在最大點間距、平均點間距和模型精度符合前述參數值情況下，宜重復上述步驟使網格模型數據量最小。

2.3.2 攝影測量數據加工

攝影測量數據加工應按下列要求進行：（1）消除網格模型中的變形、疊面、交叉面、縫隙等現象；（2）消除紋理貼圖中的模糊、拉伸、接縫、高光等問題；（3）進行紋理貼圖勻色，使紋理顏色均勻統一；（4）在最大點間距、平均點間距和模型精度符合前述參數值情況下，宜優化網格模型和優化貼圖使數據量最小化；（5）重新分布模型UV，消除碎片化UV。

2.3.3 三維掃描與攝影測量三維重建結合的數據加工

在完成三維數據加工和攝影測量數據加工后，其后的工序就應該是將這兩個數據進行擬合映射，將攝影測量獲得紋理貼圖經過烘焙（bake）準確映射到三維掃描獲取的網格模型上，生成最終的成果紋理模型數據。該環節主要由兩個作業流程組成。

一是對三維掃描的網格模型進行UV分塊和展開：（1）UV分塊的邊界應在文物模型的隱蔽、平滑處，且不破壞文物主體紋飾；（2）對UV展開的結果采用棋盤格法進行形變校驗，UV分塊應分布均勻、充滿畫幅、無拉伸。出現形變區域較大或局部變形較明顯時，應對UV分塊調整后，再進行UV展開。

二是在完成UV分塊和展開后，進行紋理貼圖映射烘焙：（1）攝影測量網格模型與三維掃描網格模型之間的誤差與攝影測量生成紋理貼圖的誤差之和，應不大于0.2 mm的紋理貼圖映射位置誤差；（2）使用的烘焙軟件應能將攝影測量三維重建紋理模型的紋理貼圖完整、準確烘焙至三維掃描網格模型上，且輸出烘焙結果評價信息；（3）紋理貼圖烘焙完成后應進行紋理貼圖檢查，重點檢查網格模型曲率大的部位，如出現問題，及時查找原因并解決。

2.3.4 全流程質量控制

要獲得高質量的文物三維模型數據，就需要對數字化全過程進行質量控制。在前期準備環節，在方案設計中需要進行質量控制策劃和設計，并規范采集場地、人員和設備的要求；在數據采集環節，規范控制點的布設和測量，以及具體采集技術方法和實施過程，并在采集完畢后對采集數據進行質量檢查，不將本環節的數據質量問題帶到下一個流程中；在數據加工環節，規范具體加工技術方法和實施過程，在加工完畢對成果紋理模型數據進行檢查。在數據采集和加工環節的質量檢查需要從模型精度、最大點間距、平均點間距、模型完整度、紋理貼圖分辨率、色差平均值及映射位置誤差7個方面進行檢查。覆蓋全過程的質量控制才能最終保證文物三維模型數據的完整性、準確性和可用性。

2.3.5 成果紋理模型數據量化評價

成果紋理模型數據量化評價是文物超高清三維數字化流程中衡量成果紋理模型數據質量的關鍵環節。應從以下兩個方面共7項量化參數項進行評價：一方面針對成果紋理模型數據的網格模型，模型精度不大于0.2 mm，采用標準器比對法或重復測量比對法檢查；最大點間距不大于0.5 mm，采用軟件分析法檢查；平均點間距不大于0.2 mm，采用軟件統計法檢查；模型完整度不小于95%，采用軟件統計對比法檢查。另一方面針對成果紋理模型數據的紋理貼圖，紋理貼圖分辨率按1：1對應文物對象需滿足每平方分米不小于3840*2160 pixels，采用軟件報告法或推斷法檢查；色差平均值不大于3.5，采用規范計算法或工具軟件法檢查；映射位置誤差不大于0.2 mm，采用報告值求和法檢查。

3 實踐分析與驗證

3.1 采集與加工樣本情況簡介

故宮博物院從2018年開始每年定量采集院藏文物三維數據，從2021年到2022年間按照規范化流程生成了180件文物三維模型數據。這里從其中抽選了12件院藏文物超高清三維模型數據進行規范化流程實施與驗證工作。如表1所示，12件器物類文物的材質和形態各異，大小不一，部分文物表面有較明顯且繁復的紋飾或淺浮雕，有些文物也有較明顯的鏤空和形體遮擋情況。這些情況都為驗證規范化流程提供了較好的樣本類型覆蓋基礎。

3.2 實施效果分析與評價

經過超高清三維數字化流程實施，生成了12件文物三維模型數據成果。直觀上看，12件文物三維模型數據能夠準確還原文物幾何形體信息和顏色信息造型準確，紋理逼真，如表1所示。除直觀檢視外，為了保證文物三維模型數據的可靠性，需要對模型數據成果進行量化評價，從幾何精度、紋理貼圖單位面積分辨率及色差控制三個方面進行量化評價。

在幾何精度方面，將12件文物三維模型數據成果的平均點間距作為量化評估參數項。從表1可以看出，12件文物三維模型數據成果的平均點間距數值趨于一致，能夠說明該文物超高清三維數字化流程的規范性，所生成的數據幾何精度處于同一水平，均不大于0.2 mm。12件文物三維模型數據的單位面積紋理貼圖分辨率均大于4K（3840*2160pixels）的要求，全部符合1平方分米面積內不小于4K標準顯示標準的總像素要求。色差平均值利用軟件工具按CIEDE 2000公式計算，均不大于3.5，將文物三維模型數據的色差控制在較為理想的范圍內[9]。總體上看，經過文物超高清數字化流程生成的12件數據成果總體上符合超高清三維數字化的技術要求。

4 結 語

超高清三維數字化技術能夠提供更真實、精準的器物類文物數字模型，記錄盡可能多的文物表面細節和特征，進一步滿足文物保護、研究和展示的高質量需求。規范化的流程設置可以提高數字化過程的效率與質量，減少不必要人為干預帶來的數據誤差風險。通過適當的技術實現手段及數據處理方法，超高清三維數字化的數據成果可以滿足文物三維數據長期保存的需求，避免因技術快速迭代和終端需求頻繁更新，在較短時間內反復提取文物進行數據采集。標準化的文物超高清三維數字化一方面減少了文物數據采集的綜合成本，另一方面也無疑減少了文物因反復提取而造成損壞的潛在風險幾率。

參考文獻

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[7]DOSTAL C， YAMAFUNE K. Photogrammetric texture mapping： A method for increasing the Fidelity of 3D models of cultural heritage materials[J]. Journal of Archaeological Science： Reports， 2018， 18： 431.

[8]歐陽宏.故宮院藏文物的三維數據采集與應用[J].數字圖書館論壇，2019，182（7）：50.

[9]鄭元林，劉士偉.最新色差公式：CIEDE2000[J].印刷質量與標準化，2004（7）：35-36.

作者簡介

黃墨樵，博士，副研究館員，主要研究方向為文物數字化保護利用標準化。

劉歡，本科，高級工程師，主要研究方向為文物數字化保護利用標準化。

侯琛琛，碩士，高級工程師，主要研究方向為文物數字化保護利用標準化。

（責任編輯：張瑞洋）