文物保護與數字化技術的結合研究

向旺

摘 要：文物作為歷史文化的重要載體，具有獨特的價值和意義，數字化技術可以通過非接觸性的方式對文物進行采集、保存、展覽和傳播，有效提高文物保護與傳承的質量和效率。文章探討了文物保護與數字化技術的關系、結合的優勢以及結合的原則，重點討論了文物保護中的關鍵數字化技術，包括三維掃描技術、影像處理技術、虛擬現實技術及數據庫與信息管理技術，進一步分析了數字化技術在文物保護中的具體應用，涵蓋了文物數字化采集與建模、保存與修復、展覽與傳播、交互與教育等方面，以期推動文物保護與數字化技術的融合發展，促進文物的保護與傳承。

關鍵詞：文物保護；數字化技術；文物記錄；文物研究；文物展示

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.04.016

文物是一個國家和民族的寶貴財富，是歷史與文化的重要見證，然而由于時間的流逝和外界因素的影響，許多文物受到不同程度的損害，急需進行保護。為了更好地保護和傳承這些珍貴的文物，數字化技術逐漸被應用于文物保護領域。數字化技術能夠以非接觸和非侵入的方式對文物進行高精度的記錄、分析和重建，為文物的保護、研究、展示和傳播提供了新的手段和途徑。

1 文物保護與數字化技術的結合

1.1 文物保護與數字化技術的關系

文物保護與數字化技術的結合是當前文物保護領域的研究熱點。數字化技術是一種基于計算機技術的方法和工具，通過將文物的物理特征和信息轉化為數字形式來實現文物的保護和傳承，與文物保護密切相關，可以為文物保護提供全新的思路和方法。

數字化技術在文物保護中的應用包括文物數字化采集與建模、文物數字化保存與修復、文物數字化展覽與傳播以及文物數字化交互與教育等多個方面。數字化采集和建?？梢跃_記錄和保存文物的形狀、結構和紋理等信息，為后續的保護和修復工作提供基礎數據①；數字化保存和修復可以通過虛擬實驗和模擬分析等手段，實現對文物的非接觸式修復和保護；數字化展覽和傳播可以借助虛擬現實技術和網絡平臺，將文物展示給更多的觀眾；數字化交互和教育可以通過互動式的虛擬展覽和教育應用，提供更加豐富和深入的文物體驗與教育機會。

1.2 數字化技術在文物保護中的優勢

數字化技術在文物保護中具有諸多優勢，為文物保護工作帶來了革命性的變化。首先，數字化技術能夠實現對文物的全面記錄和保護，通過高精度的三維掃描技術，可以將文物的形態和結構以數字化的形式保存下來，避免了傳統方式可能造成的文物信息丟失或文物變形問題。其次，數字化技術能夠對文物進行虛擬修復和增強，通過影像處理技術修復文物的圖像，使其更加清晰和真實。同時，還可以增強文物的圖像，突出文物的細節和特點。再次，數字化技術能夠實現對文物的虛擬展覽和傳播，通過虛擬現實技術，可以將文物以虛擬的形式展示給公眾，實現遠程參觀和互動體驗，為公眾提供更加方便快捷的文物學習與欣賞方式。此外，數字化技術還能夠構建文物的數字化數據庫，實現對文物信息的管理和共享，為文物研究提供方便。

1.3 文物保護與數字化技術結合的原則

文物保護與數字化技術結合的原則是確保文物保護與數字化技術發展之間的平衡，同時也是尊重文物真實性、可持續性和法律倫理。

1.3.1 保護原則

文物保護的首要目標是保護文物的完整性、真實性和可持續性。在應用數字化技術時，應確保對文物的非侵入式獲取和處理，最小化對文物的物理干預。數字化技術應以尊重文物本身的特征和歷史價值為前提，避免對其造成任何形式的破壞②。

1.3.2 真實性原則

數字化技術應確保對文物進行準確的數字化記錄和傳輸，以保證數字化數據的真實性。這要求采用高精度的掃描設備和準確的數據處理算法，以準確還原文物的形態、結構和細節。數字化數據應當與文物的原貌相符，以便進一步的研究、展示和傳播。

1.3.3 可持續性原則

在數字化技術的應用中，應考慮數字化數據的長期保存、管理和更新，應當建立合適的數字存儲和管理系統，以確保數字化數據的持久性和可持續性，使其能夠長期為學術研究、教育和公眾服務提供支持。

1.3.4 合作原則

文物保護與數字化技術的結合需要跨學科的合作和協同努力，保護機構、技術專家、學術界和社會各界應共同參與，并在項目的不同階段密切合作。只有通過共同努力，才能確保數字化技術的有效應用，并最大限度地實現文物保護與數字化技術的結合。

2 文物保護中的關鍵數字化技術

2.1 三維掃描技術

2.1.1 激光三維掃描技術

激光三維掃描技術通過使用激光束掃描文物表面，能夠快速、準確地獲取文物的三維形狀和表面細節。首先，激光三維掃描技術能夠以非接觸方式獲取文物的準確形狀。傳統文物保護過程中，需要通過手工測量或者使用接觸式掃描儀來獲取文物的三維數據，這可能會對文物表面造成傷害。激光三維掃描技術通過激光束掃描文物的表面，完全避免了與文物的接觸，并且可以快速地獲取大量的數據。其次，激光三維掃描技術可以保留文物的細節信息。文物通常具有復雜的形態和表面紋理，傳統的測量方法難以完整地捕捉到這些細節，而激光三維掃描技術可以高精度地記錄文物的每一個細小的凹凸和紋路，保留了文物原本的形態和紋理特征，為后續的修復和研究提供了可靠的基礎。

2.1.2 結構光三維掃描技術

結構光三維掃描技術利用光學原理和計算機圖像處理方法，通過投射結構光模式并采集反射光來獲取文物表面的三維信息。結構光三維掃描技術具有以下四個關鍵特點和應用：

①高精度：結構光三維掃描技術能夠實現亞毫米級高精度測量，通過投影結構化光模式，相機可以捕捉到文物表面的紋理和形狀信息，并將其轉化為數字化的三維模型，這種高精度的測量結果對于文物保護、修復和研究非常有價值。

②非接觸式：與傳統的接觸式測量方法相比，結構光三維掃描技術是一種無損、非接觸的測量方法，它不需要直接接觸文物表面，避免了對文物的潛在傷害，并能夠快速捕捉到文物的形狀和表面細節，保持了文物的完整性。

③快速掃描：結構光三維掃描技術具有較高的掃描速度，通常情況下只需幾秒鐘或幾分鐘即可完成一次掃描過程，這種快速的掃描能力對于大規模文物的數字化記錄和高效的文物保護工作非常重要。

④數字化應用：結構光三維掃描技術能夠將掃描結果轉化為數字化的三維模型，為文物的數字化保存、虛擬展示和遠程研究提供了可能性。通過這些數字模型，人們可以在虛擬環境中實時瀏覽文物，進行三維重建和模擬修復，提升了文物保護、研究的效率和可視化程度。

2.2 影像處理技術

2.2.1 圖像增強與修復技術

圖像增強與修復技術通過對文物影像進行處理，提升其質量、恢復損傷和修復圖像中的缺失部分。首先是噪聲去除與濾波，文物圖像通常會受到各種噪聲的影響，如模擬信號噪聲、電磁干擾等，圖像增強技術利用濾波器和去噪算法來降低噪聲并恢復圖像的細節，如中值濾波器和小波去噪算法可以有效減少噪聲并提升圖像的質量。其次是補全與修復，文物圖像往往會因為年代久遠或損壞而有部分缺失，這給文物的保護和研究造成了困擾。圖像修復技術可以通過利用圖像中的已知信息，如邊緣、紋理等，推測并填補缺失的部分，采用插值算法、紋理合成和基于深度學習的方法，實現對文物圖像缺失部分的修復與重建。

2.2.2 圖像特征提取與分析技術

圖像特征提取與分析技術通過從文物圖像中提取和分析圖像的特征，可以獲得對文物更深入的理解和認知。技術應用主要有兩個方面：一是邊緣檢測與輪廓提取。文物的邊緣和輪廓特征對于文物形狀和結構的理解至關重要，邊緣檢測技術可以從文物圖像中提取出物體的邊緣信息，幫助研究和保護人員對文物的形狀和結構進行分析和研究。常用的邊緣檢測方法包括Sobel算子、Canny邊緣檢測等。二是紋理分析與識別。文物的紋理特征是其獨特之處，也是鑒定和分類的重要依據。圖像特征提取技術可以從文物圖像中提取紋理信息，并進行紋理分析和識別。通過紋理特征的提取和比對，幫助鑒定文物的真偽、年代和材質等重要信息。

2.3 虛擬現實技術

2.3.1 三維建模與渲染技術

三維建模與渲染技術通過創建虛擬的三維模型，并進行逼真的渲染，使用戶能夠以真實感知的方式與文物進行交互和觀察。三維建模與渲染技術有兩個方面的重要應用：一是三維建模。通過使用三維建模軟件對文物進行數字化的重建和建模，這些軟件可以將文物的形狀、紋理和顏色等特征準確地重現出來，通過采集文物的三維掃描數據或手工建模，可以生成高精度的三維模型③。二是逼真渲染。渲染技術能夠為三維模型賦予逼真的外觀和光照效果，通過設置材質、光源和紋理等參數，實現對文物的真實感渲染，渲染技術能夠模擬不同光照條件下的文物外觀，使用戶能夠更好地觀察和研究文物。

2.3.2 交互與導航技術

交互與導航技術在文物保護中發揮重要的作用，使用戶能夠更自然、直觀地與虛擬文物進行交互和導航。交互與導航技術有兩個方面的重要應用：一是手勢交互。手勢交互技術允許用戶通過手勢的識別和追蹤來控制虛擬文物的操作和視角，用戶可以通過手勢進行旋轉、平移和縮放等操作，實現對虛擬文物的自由導航和觀察，這種交互方式更加直觀和自然，增強了用戶與文物的互動體驗。二是虛擬導覽與漫游。虛擬導覽技術可以模擬實際場景中的導覽體驗，將用戶帶入虛擬環境中與文物進行互動，用戶可以通過自由漫游虛擬環境，參觀不同的展覽廳和展品，獲取有關文物的詳細信息，這種導覽方式使用戶能夠以自己的節奏深入了解文物，提升了參觀體驗的自由度。

2.4 數據庫與信息管理技術

2.4.1 數據庫設計與管理技術

數據庫設計與管理技術能夠有效地組織、存儲和管理與文物相關的數據。數據庫設計與管理技術有兩個方面的重要應用：一是數據模型與數據庫設計。數據庫設計是建立高效、可擴展和易于維護的數據庫系統的基礎，在文物保護中，需要根據具體的需求和數據特點選擇合適的數據模型，如關系型數據庫、面向對象數據庫或圖數據庫等，通過設計良好的數據庫結構，確保數據的完整性、一致性和可查詢性。二是數據庫管理與維護。數據庫管理技術包括數據備份與恢復、性能優化、訪問控制和安全性管理等方面，對文物保護來說，數據的安全性和機密性非常重要，數據庫管理員需要確保只有授權人員可以訪問和修改數據，并定期進行數據備份和恢復，以防止數據丟失或損壞。

2.4.2 數據挖掘與知識發現技術

數據挖掘與知識發現技術可以幫助挖掘文物數據中隱藏的模式、關聯和知識，從而為文物保護和研究提供有價值的信息。數據挖掘與知識發現技術有兩個方面的重要應用：一是數據預處理與清洗。文物數據通常存在很多噪聲和冗余信息。數據預處理技術可以對數據進行清洗、去除噪聲、處理缺失值和異常值等。通過數據預處理，獲得更準確、可靠的數據，提高后續數據挖掘和知識發現的準確性和效果。二是模式挖掘與關聯分析。通過數據挖掘技術，從文物數據中挖掘出隱藏的模式和規律，識別文物之間的關聯關系，這對于文物分類、鑒定和研究非常有幫助。例如，可以通過關聯分析發現文物屬性之間的關聯性，從而對文物進行更精確的分類。

3 數字化技術在文物保護中的具體應用

3.1 文物數字化采集與建模

文物數字化采集與建模是數字化技術在文物保護中的關鍵環節，它可以通過高精度掃描與重建、文物三維建模與虛擬仿真兩個方面實現。首先，高精度掃描與重建技術可以通過使用激光掃描儀或計算機視覺技術對文物進行全面、精確的掃描，獲得文物的表面形態和細節信息。這種非接觸式掃描方式能夠保護文物的完整性，同時提供了高分辨率的數據。通過對掃描數據進行處理和重建，還原出文物的真實形態，為后續的研究、展示和保護提供基礎。其次，文物三維建模與虛擬仿真可以將文物的數字化數據轉化為可視化的三維模型，并通過虛擬仿真技術還原文物的歷史場景和使用情景。這樣一來，不僅可以在虛擬環境中對文物進行深入的研究和探索，還可以通過虛擬展示的方式向公眾展示文物的價值和魅力。同時，文物三維建模還可以為文物的保護和修復提供參考依據，幫助保護人員更好地了解文物的結構和材質，制定更科學的保護方案。

3.2 文物數字化保存與修復

文物數字化保存與修復主要涉及文物數字化保存與存儲技術、文物數字化修復與保護技術兩個方面。首先，文物數字化保存與存儲技術能夠對文物數字化數據進行有效的保存與管理。通過將文物的數字化信息轉化為數字文件，避免了傳統保存方式中的空間限制和物理損耗，實現文物信息的長期保存④。同時，數字化保存也方便了文物數據的共享和傳播，提高了文物保護研究的效率和水平。其次，文物數字化修復與保護技術可以通過對文物數字化數據進行修復和保護處理，提升文物的可視化效果和信息完整性。例如，通過數字修復技術對文物數字化模型中的缺失或損壞部分進行修復，還原文物的原貌。

3.3 文物數字化展覽與傳播

數字化技術在文物保護中還可以被應用于文物數字化展覽與傳播，主要包括文物數字化展覽技術與設計、文物數字化展覽與多媒體交互。首先，文物數字化展覽技術與設計能夠為文物的展覽提供新的方式和手段。通過數字化技術，文物可以被以全新的形式呈現給觀眾。例如，利用虛擬現實（VR）或增強現實（AR）技術，觀眾可以在虛擬環境中親臨現場，感受其真實的氛圍和細節。其次，文物數字化展覽與多媒體交互可以為觀眾提供更深入的了解和互動體驗。通過數字化技術，觀眾可以通過觸摸屏、導覽系統等設備與文物進行互動，并獲取更多的展覽信息和內容。

3.4 文物數字化交互與教育

數字化技術可以應用于文物數字化交互與教育，主要包括文物數字化交互與虛擬體驗、文物數字化教育與遠程學習兩個方面。首先，文物數字化交互與虛擬體驗可以為觀眾提供更豐富的文物體驗。通過虛擬現實（VR）或增強現實（AR）技術，觀眾可以身臨其境地感受文物的歷史背景和文化內涵。例如，使用VR設備帶領觀眾進入虛擬的歷史場景，與文物進行互動，加深對文物的理解。其次，在文物數字化教育與遠程學習方面，數字化技術拓展了文物教育的方式和范圍。通過在線平臺或移動應用，觀眾可以遠程參與文物的學習和教育活動。數字化技術可以提供文物的多媒體資料、互動學習模塊和在線講座等內容，使觀眾獲得更加全面和深入的文物知識。同時，數字化技術還可以實現遠程講解、遠程導覽等功能，使觀眾無需實地到達文物所在地，就能夠進行教育學習。

4 結語

文物保護與數字化技術的結合研究，不僅為文物的保護和傳承帶來了新的機遇，也促進了文物領域的創新與發展。運用數字化技術可以更好地了解和呈現文物的歷史、文化和藝術價值，同時也為文物的研究、教育和社會傳播提供了豐富的資源和平臺。然而，在實際應用中仍然存在著一些挑戰和問題，需要進一步的研究和探索。希望未來能夠有更多的專家學者和機構加入文物保護與數字化技術的研究中，共同推動文物保護事業的發展和進步。

注釋

①秦杰，白廣珍.文物數字化保護工作發展及展望[J].文物鑒定與鑒賞，2022（23）：33-36.

②杜琛，史新月.河北蔚縣明清壁畫數字化保護與科技創新研究[J].大眾文藝，2023（12）：34-36.

③王鶴，劉軍，齊路晶.基于數字化技術的革命遺址保護探索[J].現代職業教育，2023（21）：117-120.

④喬旭亮.從天龍山文物數字化保護探討文物數字化利用[J].科技與創新，2023（16）：151-153，156.