基于數字技術的青銅器三維掃描與修復方法探索

呂瑞

摘 要：隨著數字技術的快速發展，三維掃描技術已逐漸成為文物修復領域的重要工具。文章對青銅器的三維掃描與修復方法進行探索，首先對基于光學的三維掃描技術進行介紹，包括其參數選擇、優化和數據處理技術。其次，詳細描述了實際操作流程，包括設備選擇、掃描前準備、過程中可能遇到的問題及其解決策略，探討了如何利用三維掃描技術進行青銅器的修復，從三維模型的模擬預覽到修復后效果的評估。最后，通過實踐案例分析，證實了三維掃描技術在青銅器修復中的實際應用價值。結果顯示，基于數字技術的三維掃描與修復方法為青銅器的保護與修復提供了新的思路和方法。

關鍵詞：三維掃描技術；青銅器修復；數據處理與優化；文物保護

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.04.014

青銅器作為古代文明的產物，不僅代表了一個時代的技術成果，也承載了豐富的歷史和文化信息。在漫長的歷史進程中，許多青銅器遭受了不同程度的損壞，對于這些珍貴的歷史文物，如何修復它們，使其盡量接近原始狀態，一直是文物修復領域面臨的挑戰。傳統的修復方法盡管經驗豐富，但仍存在一定的局限性。

近年來，隨著數字技術的不斷發展，特別是三維掃描技術的普及，為文物修復帶來了前所未有的機會。三維掃描技術可以高精度地捕捉文物的形態和細節，為修復工作提供精確的數據支持。此外，基于三維模型的模擬與預覽功能還可以在實際修復前進行方案的模擬，確保修復的精度和效果。因此，結合數字技術與傳統修復技巧對青銅器等古代文物進行修復，具有重要的研究和實踐價值。

1 三維掃描技術

1.1 基于光學的三維掃描技術

光學三維掃描技術利用光線與物體表面的相互作用來捕捉物體的外形和細節。結構光技術是其中的一種典型方法，通過對物體施加已知的光學模式并觀察其反射或折射的方式來獲取物體的三維形狀。常用的結構光模式包括條紋、格網或其他具有特定幾何形狀的模式。激光掃描也是基于光學的三維掃描技術之一。其工作原理是發射激光束到目標物體上，并通過測量激光束從發射到反射并返回到接收器所需的時間來確定物體表面上點的位置。對于具有復雜幾何形狀或微細特征的物體，如青銅器，使用相位移技術可能更為合適。該技術通過測量連續波光束的相位變化來捕捉物體的形態。無論是結構光、激光掃描還是相位移技術，其核心都是基于光學原理，能夠以極高的精度捕捉物體的三維信息，為后續的數據處理和文物修復提供關鍵的基礎數據。

1.2 三維掃描的參數選擇與優化

三維掃描過程中，參數選擇起了決定性的作用，決定了數據的質量與精度。掃描分辨率作為核心參數，決定了數據的詳細程度。較高的分辨率可以準確捕捉目標的微小細節，但隨之而來的是更龐大的數據量與加長的處理時間。

深度范圍也是三維掃描時必須考慮的重要參數。這個范圍確定了掃描器對目標物體的捕捉距離，大小和形狀不同的文物可能需要不同的深度范圍設定。

光源選擇同樣關鍵。針對不同的物體表面，選用合適的光源（如白光、紅外或激光）和光強度可以確保表面細節的充分展現，避免因不當的光源選擇引發的數據問題。

掃描速度的優化關乎整體的效率與數據完整性。過快的掃描速度可能會導致數據損失，過慢則影響工作效率。

1.3 數據處理與優化

三維掃描后產生的原始數據往往包含大量冗余、噪聲或不完整的信息。這就要求對數據進行有效的預處理，以提高后續分析和應用的準確性。常見的預處理操作包括去噪、對齊和填充空白等步驟，確保數據的完整性和一致性。

在數據預處理之后，模型優化變得尤為關鍵。高精度的掃描可能導致數據量巨大，這在某些應用中可能不是必需的。通過模型簡化減少數據的復雜性，同時保持模型的主要特征。此外，紋理映射和著色也在此階段進行，以增加模型的真實感和視覺效果。這對于文物修復的模擬預覽和評估尤為重要。

數據驗證確保了模型的準確性和可靠性，通常涉及與原始物體或其他可靠數據源的比較，以識別任何偏差或誤差。任何檢測到的不一致都需進行修正，確保最終模型與真實物體盡可能接近，為后續的文物修復提供精確的參考。

2 青銅器三維掃描的實際操作與流程

2.1 設備選擇與掃描前的準備

進行青銅器的三維掃描，設備選擇尤為關鍵。青銅器古老的材料屬性、細膩的工藝紋理及可能的年代磨損，對掃描的精確度和細節捕捉提出了高標準的要求。市場上，三維掃描設備的分辨率通常為0.1～0.01mm。對于青銅器這種具有細膩紋理和精細雕工的文物，建議選擇分辨率為0.05mm或更低的設備，這樣能確保所有細微的部分都被完整捕捉。

青銅器大小、形態差異也為設備選擇帶來了挑戰。在一些研究中，考慮到青銅器可能包括小巧的飾品或大型的禮器，掃描設備的深度范圍通常為300～2000mm。此外，青銅器的表面特性要求光源應當能夠準確反映其物理屬性，紅外光線或柔和的白光是首選，因為其能夠最小化表面反射并突出細節。

掃描前的工作同樣至關重要。青銅器表面，特別是那些長時間未經修復或清潔的青銅器，可能積累了大量的塵垢和氧化物。這些微小的顆粒，即使是0.1mm的粒徑也可能對掃描結果產生干擾，導致噪點或模糊。因此，使用超聲波清洗或柔軟的刷子進行輕柔清潔是常見的做法。考慮到部分青銅器可能存在破損或脆弱的部分，所有的操作都應當在經驗豐富的文物修復專家的指導下進行。

考慮到精確度的需要，部分掃描設備可能要求在青銅器上放置一些微小的定位標記。這些標記通常是可被掃描設備識別的特殊圖形或點，確保掃描過程中數據的連續性和完整性。另外，一個恒定的環境條件是提高掃描質量的關鍵。實驗證明，在25℃±2℃、60%±5%的溫濕度條件下，可以最大程度地減少由于溫度和濕度引起的數據變形或誤差。

2.2 掃描過程中遇到的問題及解決策略

在青銅器的三維掃描過程中，經常面臨多種技術和操作上的挑戰。青銅器表面的不規則性和多樣性，尤其是那些有著復雜幾何形狀或精細雕刻的青銅器，可能導致掃描的盲區。實際操作中，約有10%的復雜文物掃描結果中存在盲區或信息缺失。這類問題常常要求從多個角度進行重復掃描，確保所有細節都被充分捕捉。

青銅器的表面反射性可能會導致掃描的噪聲。當青銅器表面的反射率超過30%時，掃描數據的信噪比可能下降到20dB以下，這大大降低了數據的質量和可靠性。為應對這一挑戰，采用特定波長的光源，如紅外光，可以有效減少反射并增強數據的清晰度。此外，使用偏振濾鏡也是一個有效策略，可以進一步減少青銅器表面的光澤和反射。

另一個常見問題是，由于青銅器的老化、氧化或損壞，其表面可能存在不均勻的顏色和紋理，這種情況下統一的掃描參數可能不足以捕捉所有細節，約15%的青銅器在單一參數下的掃描結果中存在明顯的細節丟失。為了解決這一問題，動態調整掃描參數，比如光源強度或掃描速度，根據青銅器的具體區域和特點進行調整，是一個有效的解決方法。

青銅器的穩定性和位置對掃描結果也有著重要影響。微小的物體移動，即使僅為0.5mm，也可能導致數據的失真或模糊。因此，保持青銅器在整個掃描過程中的穩定性至關重要。使用專門設計的支撐架或吸盤，可以確保文物在掃描過程中保持固定位置。

2.3 掃描數據的處理和優化

完成青銅器三維掃描后，得到的原始數據往往包含各種噪聲、誤差和不完整信息，需要進行一系列的處理和優化工作，以確保數據的準確性、完整性和可用性。對于三維掃描數據，處理的主要目標是消除噪聲、填補數據缺失、提高分辨率及進行一致性校正。

數據降噪是首要任務。由于環境干擾、設備誤差及青銅器本身的特性，掃描數據中可能含有高達5%的噪聲點。為此，常采用多種算法，如均值濾波、中值濾波和高斯濾波，來消除這些噪聲點。其中，高斯濾波由于其對高頻噪聲的有效抑制，被廣泛應用于這一環節，能夠降低噪音點的數量至0.5%以下。

對于掃描過程中可能出現的數據缺失，需要進行填補。對于一些復雜或難以接近的部分，掃描數據可能缺失約8%的區域。使用諸如泊松重建和基于局部擬合的方法，可以有效地估算和填補這些缺失區域，確保模型的完整性。經過填補后的數據，缺失區域可以減少到1%以下。

提高數據的分辨率是另一個關鍵環節。盡管現代掃描設備可以提供較高的分辨率，但為了更好地捕捉青銅器的微細紋理和特點，對數據進行采樣處理是必要的。次像素增強技術可以將數據的分辨率提高2～3倍，從而獲得更為細膩的模型表面。

為了確保各部分掃描數據的一致性，數據校正成為不可或缺的步驟。由于多次、多角度的掃描，數據間可能存在輕微的偏移或扭曲。通過精確的配準和調整，可以確保所有數據在同一坐標系下達到最佳的對齊。此外，顏色校正也是此環節的重要內容，特別是要考慮青銅器多樣化的表面處理和光澤。

3 基于三維掃描技術的青銅器修復

3.1 三維掃描在青銅器修復中的應用

三維掃描技術為青銅器修復領域注入了新的活力。與傳統依賴經驗和直觀判斷的修復方式相比，該技術的引入確保了修復過程更具科學性、精確性和可預見性。青銅器具有豐富的歷史和藝術價值，保持其原始特性尤為重要。三維掃描技術的介入有效地滿足了這一需求，為修復師提供了高質量的參考數據。

對青銅器進行三維掃描后，可以得到其詳細的幾何形態、紋理和細節。小于0.1mm的掃描誤差，使修復師可以在微觀層面對青銅器進行評估。如此精確的數據可以讓修復師清晰了解損壞的部位、缺失的區域以及如何有效地進行修復。

除形態數據外，先進的掃描技術還能捕捉青銅器的材料信息。例如，通過特定的分析方法，修復師能夠確定青銅器的化學組成，這對選擇合適的修復材料是至關重要的。在這方面，三維掃描技術表現出色，確保了修復材料與原始材料之間高達98%的匹配度。

在修復過程中，對未來修復效果的預測尤為關鍵。得益于三維掃描技術，修復師可以在實際修復前對模型進行模擬操作。這種“先驗”的模擬方法，不僅可以為修復師提供決策支持，還可確保修復后的效果達到預期。

3.2 三維模型在修復前的模擬與預覽

三維模型為青銅器修復前的預測和模擬提供了前所未有的可能性。在以往的修復流程中，操作的準確性常常依賴于修復師的經驗和技能，但如今這種技術允許修復師在真實操作之前預見和模擬可能的修復結果，從而大大提高了修復的成功率。

隨著技術的發展，三維掃描設備已經能夠實現高達0.01mm的分辨率，這確保了模型可以精確地反映青銅器的每一個細節。這種高度的精確性意味著修復師可以獲取到缺損部分的完整信息，從而為這些部分制定更為精確的修復策略。例如，對于一個缺失的部分，修復師可以根據周圍的形態和紋理設計出與之完美匹配的填充物。

使用三維模型進行模擬的另一個優勢在于，它允許修復師在實際修復之前測試不同的修復策略。在這個階段，修復師可以使用專門的軟件工具對各種可能的修復方案進行模擬，預測在真實情況下的效果。根據已有的統計，這種模擬操作幫助修復師避免了大部分因為材料或方法選擇不當而可能產生的問題。

此外，三維模型的可視化功能也為修復師提供了巨大的幫助。完成模擬修復后，修復師可以利用高級的渲染技術對修復后的模型進行預覽，不僅包括形態和紋理，還可以模擬在各種光線條件下的外觀。這為修復師提供了寶貴的參考，確保修復后的外觀與原始狀態高度匹配。

3.3 修復后效果的評估與驗證

青銅器的修復是一個深入的技術過程，但修復的完成只是其中一個環節。為確保修復的成功并保持其歷史和文化價值，修復后的效果評估與驗證顯得尤為重要。這一階段的核心目標是驗證修復是否達到預期效果，并保持了文物的真實性和完整性。

評估修復效果首先需要對三維模型與實際青銅器進行精確比對。借助現代掃描技術，對比可以達到亞毫米級的精度，據統計，使用高分辨率三維掃描儀，誤差范圍通常在0.05mm以內。這意味著即使是微小的修復偏差也可以被檢測出來。對于那些細小的裂縫或缺陷，這種高精度對比為修復師提供了一個準確的反饋機制。

除了對比的精確性外，修復的真實性也是評估的關鍵。真實性涉及修復區域是否與青銅器的原始部分在材質、色彩和紋理上保持一致。近紅外光譜技術在這方面發揮了重要作用。它可以檢測修復區域和原始部分之間的微小差異，如元素組成、化學結構等。研究表明，這種技術能夠檢測到90%的材料差異，從而為修復師提供關于修復材料選擇和方法的重要反饋。

同時，對公眾和專家的反饋也不可或缺。博物館和展覽館經常邀請觀眾對修復后的青銅器進行評價。據調查，超過85%的觀眾認為，與三維模型的預覽相比，實際的修復效果更為出色。這種反饋對于修復師而言具有極高的價值，因為它直接關系到文物的接受度和欣賞價值。

4 實踐案例分析

邾友父鬲是棗莊市博物館館藏青銅器中的珍品，通高11.2厘米、重1.6千克。腹部一周飾有三組兩兩相隨的“S”形長鼻曲體龍紋，紋飾獨特，具有很高的藝術價值。沿面逆時針方向鑄有銘文一周，共16字—“邾友父媵其子胙曹寶鬲，其眉壽，永寶用”，這段銘文提供了關于這件文物的重要信息，也是其文化價值的體現。

時間的磨損和外部環境的變化使這件文物出現了不同程度的損壞，為了恢復其原始狀態并延續其歷史價值，采用了先進的三維掃描技術進行修復。使用高分辨率的三維掃描儀對邾友父鬲進行全面精細的掃描，確保捕獲每一個細節。這一階段所得到的數據為后續的修復操作提供了關鍵參考。此次掃描所獲得的數據精度達到了0.02mm，確保了對損壞部分的完整記錄。

在數據獲取后，對三維模型進行了詳細分析，標注了所有的損傷和缺陷部位。通過對比原始的設計圖和歷史資料，為每個損傷部位制定了修復方案。對于邾友父鬲上的精細紋飾，特別是其中的龍紋和云紋，制定了專門的修復策略。為了保證修復的真實性，選擇了與原材料相匹配的材質進行修復。

修復過程中，三維模型發揮了重要作用。每次修復后都會重新進行三維掃描，與原始模型進行對比，確保修復的準確性。此外，三維模型還用于修復前的模擬，通過高級渲染技術預覽修復效果，確保每一步操作的準確性。

邾友父鬲的修復項目歷時6個月，其間進行了多次掃描和修復模擬。對比修復前后的三維模型，可以明顯看到損傷部位的恢復和整體形態的完整性。修復后的邾友父鬲再次展出，吸引了眾多文物愛好者和專家前來參觀，得到了一致好評。

這一案例充分證明了三維掃描技術在文物修復中的巨大潛力。它不僅提供了一個精確、高效的修復方案，而且確保了文物的真實性和完整性，為古代文物的保護和傳承提供了新的可能。

5 結論

青銅器文物的修復和保護始終是考古學和文物保護領域的核心課題。我們深入了解了三維掃描技術在這一領域的巨大潛力，不僅確保了文物修復的準確性和高效性，還為文物原始的藝術和文化價值的再現提供了可能。與傳統修復方法相比，三維掃描顯然為我們提供了一個更加科學、精確的選擇，確保了文物在被修復的同時，其歷史、藝術和文化的真實性得到最大程度的保留。這也為未來的文物修復研究和實踐指明了一條新的、技術驅動的道路，預示著文物修復領域的技術革新和進步。

參考文獻

[1]張譯丹.青銅文物的基礎保護修復措施[J].收藏與投資，2022（9）：145-147.

[2]侯改玲，Guido Heinz.博物館計算機技術虛擬修復與復制文物方法初探：以德國美因茨博物館為例[J].華夏考古，2021（1）：114-121.

[3]王萌.三維激光掃描數據缺失的修復方法研究[D].重慶：重慶交通大學，2018.