基于三維攝影技術的雕塑類文化遺產數字化復原技術研究

摘要：目的：文章旨在深入探討三維攝影技術在雕塑類文化遺產數字化復原領域的應用，評估其在文物保護、修復以及教育傳播方面的潛力，為文化遺產保護提供新的視角和解決方案，同時探索技術創新和優化的可能性。方法：文章采用案例分析法，特別關注秦始皇兵馬俑的三維數字化復原項目。通過詳細考察三維掃描技術的精度、數據處理流程及其與增強現實、虛擬現實技術的集成應用，評估該技術的實際應用效果。此外，通過文獻回顧和技術分析，探討當前技術的局限性和未來的優化方向。結果：研究發現，三維攝影技術在雕塑類文化遺產數字化復原中的應用表現出高精度和高效性，特別是在損壞評估、修復規劃、公共展示方面。案例分析顯示，該技術能夠為修復專家提供詳細的雕塑數據，同時通過數字化展示增強公眾的文化體驗和參與。然而，技術應用仍面臨成本較高、操作復雜等挑戰。結論：三維攝影技術在雕塑類文化遺產數字化復原中展現了顯著的潛力，不僅提高了復原工作的精度和效率，而且為文化遺產的保護、研究提供了新的途徑。盡管存在一些實際應用挑戰，但通過技術創新和跨學科合作，這些問題有望得到解決。未來的研究將進一步探索降低成本、簡化操作流程，并增強系統自動化的可能性，以推動三維攝影技術在文化遺產保護中的廣泛應用。

關鍵詞：三維攝影技術；雕塑類文化遺產；數字化復原

中圖分類號：TU-87 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）03-00-03

0 引言

本研究探討三維攝影技術在雕塑類文化遺產保護和復原中的應用，通過分析秦始皇兵馬俑的三維復原項目等案例，展示三維攝影技術如何為古藝術品保護提供精確、非侵入性的解決方案。研究還關注該技術的局限性和未來發展可能，探索技術創新和優化路徑，以促進文化遺產的長期保存和傳承。

1 三維攝影技術的理論與發展

三維攝影技術作為一種融合了光學成像、計算機視覺和圖像處理的先進技術，致力于通過捕捉和分析物體的光學反射來重建其三維結構［1］。該技術的理論基礎深植于傳統的攝影測量學和立體視覺原理，利用多角度的攝像頭捕捉物體，然后通過精確的圖像配準和處理技術獲取三維數據。20世紀初期，三維攝影技術在立體攝影的基礎上逐漸形成，隨著時間的推移，特別是在計算機科學和光學技術迅猛發展的推動下，取得了顯著的進步［2］。

早期，三維攝影主要依賴雙鏡頭相機系統來模擬人類的雙眼視覺，捕捉物體的立體圖像。然而，這些方法在精度和靈活性方面受到限制，無法滿足日益增長的工業和科研需求。隨著計算機圖像處理技術的發展，三維重建技術在精度和效率上取得了巨大的突破。這些進步使三維攝影不僅能捕捉物體的外形，還能精確測量其幾何尺寸，極大地擴展了其應用范圍［3］。

20世紀末至21世紀初，隨著結構光掃描和激光測距技術的集成，三維攝影技術發展到一個新階段。結構光系統通過投射特定模式的光線到物體表面，并分析反射光的變化來獲取物體的精確三維信息［4］。而激光掃描則通過發送激光脈沖并測量其反射時間來確定物體表面的點位。這些技術的結合，不僅提高了三維重建的精度，還加快了數據處理的速度，使三維攝影技術在工業檢測、文化遺產數字化、醫療成像、電影制作等多個領域發揮了重要作用［5］。

近年來，隨著人工智能和機器學習技術的發展，三維攝影技術正邁向更高級別的自動化和智能化。通過集成深度學習算法，三維攝影系統能夠更智能地處理和解析復雜的圖像數據，提高三維重建的準確性和效率。此外，這些技術的應用還推動了創新，如在虛擬現實和增強現實中創建更加逼真的三維環境，以及在遠程醫療和先進制造業中的應用［6］。

2 雕塑類文化遺產的挑戰與需求

雕塑類文化遺產保護在當代面臨的挑戰日益凸顯，這不僅包括因環境腐蝕、物理磨損、意外事件引起的損害，還涉及技術、記錄、管理上的多重難題。環境因素如溫度波動、水侵蝕、空氣污染對古代雕塑造成了不可逆的損害，而技術上，傳統的修復手段往往難以應對嚴重或復雜的損傷，加之許多雕塑缺乏詳細的歷史記錄，使得其研究、保護與修復工作面臨重重阻礙。此外，不完善的保護政策、資金和資源的限制也給文化遺產保護帶來了額外的困難。

管理和法規方面的問題不容忽視［7］。在某些國家和地區，缺乏有效的文化遺產保護政策，即便出臺了相關政策，其執行力度也大打折扣。資金和資源的限制進一步加劇了這些問題，使文化遺產的保護和修復工作難以開展。因此，雕塑類文化遺產的保護迫切需要新的技術手段和方法。三維攝影技術以高精度的數字化記錄能力、非侵入性分析，為解決這些問題提供了新的視角和可能。應用三維攝影技術，不僅可以更有效地保護和修復雕塑，還能通過數字化手段提升文化遺產的教育價值［8］。

3 三維攝影技術在雕塑類文化遺產復原中的應用

3.1 技術應用

在雕塑類文化遺產的復原領域，三維攝影技術已成為一種重要的革新工具。這一技術允許對雕塑進行高精度的數字化記錄，詳細捕捉其形狀、尺寸、質地、顏色等細節，且過程完全非侵入式，保護原作不受損害。高度精確的三維模型對雕塑的狀況評估、損傷診斷、結構穩定性分析至關重要，為修復專家提供了評估損壞程度和制定修復方案的基礎。此外，這些數字化模型還能用于模擬修復過程，允許修復者在實際動手之前預見修復結果，確保選擇最佳方案。同時，數字化雕塑可通過虛擬現實和增強現實技術公開展示，提升公眾的互動體驗和文化教育價值［9］。長期而言，三維攝影技術的定期應用有助于持續監測雕塑，及時發現并應對潛在風險，有效延長其保存期。因此，三維攝影技術在雕塑類文化遺產的復原和保護中扮演著至關重要的角色，不僅提高了復原的精度和效率，還為文化遺產的研究、教育和傳承提供了新的視角。隨著技術的不斷進步，其在文化遺產保護領域的應用前景將更加廣闊。

3.2 案例分析：兵馬俑的三維數字化復原

秦始皇兵馬俑由成千上萬個陶俑和馬俑組成，每一個都有其獨特的面孔和姿態。由于年代久遠，以及受到各種自然和人為因素的影響，許多兵馬俑遭受了不同程度的損壞。因此，對這些珍貴文物進行數字化復原，不僅有助于其保護和保存，還能為研究提供寶貴的資料。

西北大學對秦始皇兵馬俑的三維復原項目是在文化遺產保護領域的一項重大突破，充分展現了三維攝影技術在該領域的深遠影響。該項目通過采用高精度的三維掃描技術，對這些無價的古代雕塑進行了細致的數字化記錄。每個兵馬俑的三維數據都被精確捕捉，包括其獨特的面部表情、服飾紋理、姿態細節，這些數據在生成三維模型的過程中發揮了關鍵作用。精確的三維模型也為雕塑的損壞評估和修復規劃提供了極為重要的參考，使修復工作可以更科學和精確地進行。例如，通過對模型的詳細分析，修復團隊能夠識別出哪些部分最為脆弱或已遭受破壞，從而制定更具針對性的修復策略。此外，三維模型還為學術研究提供了豐富的資源，研究人員可以利用這些模型深入分析兵馬俑的制作工藝、歷史背景和文化意義，從而在藝術史和考古學方面提供新的見解。而在公眾教育方面，這些數字化模型通過虛擬現實和增強現實技術的應用（見圖1），使兵馬俑可以跨越時空限制，在全球范圍內展示。觀眾無須親自前往博物館，就能近距離感受歷史文物的魅力，從而加深對中國古代文化和藝術的認識。這種新型的展示方式不僅使文化遺產保護和傳播工作更加有效，還為全球觀眾提供了一種全新的互動體驗，使他們可以更直觀地理解這些文化遺產的價值和意義［10］。

4 技術創新與優化

技術創新與優化是推動學術研究和應用實踐的關鍵因素。提高三維掃描技術的精度，能夠更細致地捕捉雕塑的細節，如微小裂紋、細微的表面紋理變化、顏色的微妙差異等。此外，集成深度學習和人工智能算法至三維圖像處理流程中，不僅能夠提升數據處理的效率和準確性，還能為復雜的圖像分析提供新的視角，如自動化損傷檢測和結構穩定性分析［11］。在三維數據的應用方面，增強現實和虛擬現實技術的融合能夠為公眾展示和互動教育提供新的維度。通過技術的應用，可以將數字化雕塑以更生動、互動的方式呈現給觀眾，無論是在教育環境中還是在博物館的虛擬展覽中，都能極大地增強觀眾的參與感和學習效果［12］。針對技術優化，提升掃描設備的速度和效率，同時保持高質量輸出，是一個重要的研究方向。這不僅關乎掃描設備本身的硬件改進，還包括優化后端數據處理流程，如使用并行處理技術和云計算資源。此外，開發更為直觀和易于操作的用戶界面，使非技術專業人員，如藝術史學家、修復專家等，也能輕松使用這些先進工具。持續的創新與研究，特別是跨學科的合作，對三維攝影技術的發展至關重要。結合計算機科學、藝術歷史、材料科學等多個領域的專業知識［13］，可以更全面地理解和解決文化遺產保護中遇到的挑戰。同時，持續探索新的三維掃描技術和圖像處理算法，可以為復雜的文化遺產保護提供更有效的解決方案［14］。

5 結語

本研究深入探索了三維攝影技術在雕塑類文化遺產數字化復原領域的應用，并展示了其在保護、修復以及提升公共認知和教育方面的巨大潛力。通過綜合分析技術發展、實際案例應用以及技術創新與優化，強調了三維攝影技術的精確性、非侵入性和靈活性，使其成為文化遺產保護的革命性工具。未來的研究將致力于降低成本、簡化操作流程，并提升系統的自動化程度。展望未來，隨著技術的持續發展和應用范圍的擴大，基于三維攝影技術的文化遺產數字化復原有望在全球范圍內為保護和傳播人類文化遺產作出更加顯著的貢獻。

參考文獻：

［1］ 顧珈靜，劉春，周驍騰，等.基于視覺的明清古家具數字文化檔案高精度三維重建［J］.文物保護與考古科學，2022，34（2）：22-30.

［2］ 汪新葉.黃河文化遺產廊道河南中小型石窟數字化復原與展示研究［J］.大眾文藝，2021（16）：59-60.

［3］ 王英，盧瑞祥，趙亢，等.資產檔案數字化對古建筑保護的作用和意義［J］.建筑技術，2021，52（6）：742-745.

［4］ 陳月瑩，魏文斌.利用BIM技術對麥積山第44窟虛擬復原初探［J］.華夏考古，2021（2）：111-120，128.

［5］ 劉淑強，張瑤，張潔，等.潞綢非物質文化遺產的數字化保護策略探究［J］.毛紡科技，2020，48（9）：99-103.

［6］ 宋藝文.鞏義石窟寺文化遺產數字化建檔保護傳承研究［J］.檔案管理，2020（4）：71-72.

［7］ 北京帝測科技股份有限公司.現代測繪科學技術在文物精細化測繪與數字化保護中的應用［J］.中國測繪，2019（8）：28-31.

［8］ 李明，孫運豪，孫彬淳.無人機傾斜航空攝影在文化遺產保護中的應用［J］.測繪與空間地理信息，2019，42（1）：34-36，40.

［9］ 余培永，劉昭華.三維激光掃描支持下的文化遺產建模應用分析［J］.測繪通報，2018（8）：145-149.

［10］ 梁爽，李海泉，南竣祥，等.秦蜀古道遺產調查中的關鍵測繪技術研究［J］.測繪與空間地理信息，2016，39（11）：94-96，101.

［11］ 瓦西利基·艾萊夫特里烏，迪奧尼西婭·馬夫羅馬蒂，陳曦.雅典衛城修復工程：兼論幾何信息實錄的先進技術［J］.建筑遺產，2016（2）：71-91，2-3.

［12］ 藍萍.近景攝影測量技術在銅鼓數字化中的應用［J］.企業科技與發展，2015（9）：30-32.

［13］ 李德仁.虛擬現實技術在文化遺產保護中的應用［J］.云南師范大學學報（哲學社會科學版），2008（4）：1-7.

［14］ 郭云仲.虛擬現實技術在古建筑復原中的應用研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

作者簡介：崔齡譽（2000—），女，遼寧大連人，碩士在讀，研究方向：雕塑。

湯力（1982—），遼寧大連人，本科，講師，系本文通訊

作者，研究方向：視覺傳達設計。