淺析三維掃描技術的應用與思考

摘 要：北京考古遺址博物館利用三維掃描技術與攝影測量、紋理貼圖相結合的數字化手段，獲取了部分館藏文物高精度、全方位的三維數字化信息，為建立文物數字化檔案、文物保護等工作奠定了重要基礎。文章以北京考古遺址博物館館藏遼代白釉穿帶瓶為例，基于三維掃描技術和攝影測量技術的相互融合，探討了三維數字化技術的應用過程及其面臨的相關問題。

關鍵詞：博物館；三維掃描技術；文物保護；應用與思考

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.19.008

0 引言

文物是一個國家和民族歷史與文化發展的見證，如何讓文物、歷史說話，如何利用現代化科技手段有效地保護和利用好文物資源，是當今博物館探究的重要任務。隨著博物館數字化技術的不斷發展，三維掃描技術在博物館數字化中日趨成熟。該技術通過對文物表面進行高精度掃描，以精準、快速、非接觸形式獲取文物三維信息數據的優勢，被廣泛應用于文物保護、虛擬展示等相關領域。為持續推進文物保護工作，便于深化學術研究，探索文物活化利用的新途徑，北京考古遺址博物館通過數字化技術，采集了遼代白釉穿帶瓶的文物三維數據，建立了數字化模型。對未來學術研究、文物保護及虛擬博物館建設等具有非常重要的價值和意義。

《中華人民共和國文物保護法》第四章第四十六條規定“復制、拍攝、拓印館藏文物，不得對館藏文物造成損害”①。此次三維掃描工作采用非接觸式掃描方法，對遼代白釉穿帶瓶進行三維掃描，以獲取文物三維坐標信息，建立點云數據，結合高清攝影測量技術的方法，將拍攝文物影像圖片進行統一調色、信息合并、拼接等操作處理。通過專業軟件進行紋理映射和貼圖，得到高質量的三維圖像。近年來，三維掃描技術結合數字攝影測量技術作為主流的信息采集方法，廣泛地應用于博物館數字化保護當中，這兩種采集方法都具備各自的優勢和特點。三維掃描方法可以高效率地采集數據，但掃描儀器的造價較為昂貴，高精度掃描雖具有先天優勢，但對于紋理色彩的獲取和光源條件有較高的要求。所以，需將拍攝的圖片紋理及色彩信息賦予模型上，才可呈現出更為精準、優質的文物三維模型。

1 文物信息采集與處理

1.1 數據采集

1.1.1 分析掃描工作現場環境

掃描工作要選擇空間開闊、室內恒溫、無劇烈震動的場地環境，以避免受人為或環境因素的干擾，導致文物受損或掃描數據質量的低效。

1.1.2 設備及人員的需求

掃描前，應充分對采集的文物進行分析，并對采集設備進行檢查和調試，綜合考慮設備的選擇以及人員的安排，制定實施方案。針對遼代白釉穿帶瓶的質地和造型特點，選擇無接觸式掃描設備開展三維掃描工作。在人員組織方面，需1名具備3年以上掃描工作經驗的操作人員進行掃描。另需1名安全員，觀察現場環境及人員流動等情況，降低文物受損的風險。安全員須由博物館專業人員擔任，負責文物的安全出庫和擺放等工作。

1.1.3 技術指標及數據成果

此次三維掃描制定了相關技術指標，幾何信息的采集空間精度優于0.05毫米，平均點間距控制小于等于0.2毫米。確保文物本體外無噪點。對于采集的三維模型數據成果，可分為存檔級和展示級的三維模型。特別是展示級模型，由于PC網頁端或展示平臺對場景內的模型有較高的面數及紋理方面的要求，為滿足將來線上平臺的展示，需在原有的高精度模型的基礎上進行拓撲，使其能夠建立高效低模的平衡效果，并于線上公布展示。

三維數據采集是利用測量設備對被測物體進行全面掃描，得到物體的點云數據②。此次三維掃描儀器選擇了Artec Spider手持式三維掃描儀，其3D分辨率可達0.05毫米。掃描前應先對掃描儀器進行精度的評估和驗證，通過科學的評估和分析，提高點云數據的準確性和精度，提供更加可靠的數據支持。在掃描過程中，手持掃描儀距離文物保持15～30厘米的間距，對文物本體無接觸發出脈沖信號，在文物表面產生反射，反饋的信號和數據信息在電腦上將同步顯示，時刻觀察掃描動態提示，微調掃描儀器位置，平穩移動掃描設備對文物進行信息采集，測得三維坐標，獲取文物形體信息和三維數據，確保采集數據精準、完整。由于遼代白釉穿帶瓶內壁及瓶底屬于掃描盲區，掃描儀無法獲取內部點云數據（圖1），后期可利用拍攝紋理的方式進行紋理貼圖。

1.2 數據處理

掃描作業時受人為或環境等因素的干擾，測量結果會含有一些噪聲點和冗余點影響數據質量，且大量的點云數據會直接導致系統軟件運行的速度。因此，對采集的數據進行處理是提高數據質量必要的一項操作。通過專業配套的軟件進行數據處理，重新將點云分開排列，對點陣進行平滑濾波處理，優化不良點云，精簡冗余數據，以便后期對點云數據的拼接、配準及合并等操作。

本次利用逆向工程軟件Geomagic studio完成三維建模，對拼接好的點云數據需進一步優化處理和封裝，構建三角網模型。通過對點、多邊形、曲面環節的逐步操作，從而獲取擬合的NURBS曲面模型，達到優質的三維模型效果（圖2）。該軟件可將掃描的三維數據及多邊形網格轉換為三維數字模型，并將保存的文件輸出為多種文件格式。需要注意的是，對于建立的三維模型進行平滑、光順處理時，調整過度會直接影響文物三維模型的紋路細節信息。

1.3 紋理采集與處理

要想展示一個逼真的文物模型，只有文物的曲面是不夠的，文物材質紋理的表現是文物三維數字化的一個重要環節③。如對于遼代白釉穿帶瓶腹部的細節紋理，想要展示清晰且呈現真實的視覺效果，需要通過攝影技術獲取高質量圖片，將拍攝的多幅二維圖像平鋪到三維模型表面。

1.3.1 前期準備

在進行近景攝影測量采集時，光源的色溫、顯色性、打光方向、光線強度及穩定性等要素直接影響采集影像的色彩準確性。在拍攝現場光源下使用Color Checker卡片，拍攝色彩校準參考照片，再開始影像采集工作。為了保證拍攝數據的完整一致，應架設燈光對采集對象進行同步打光，達到均勻的泛光效果，側面布置帶有紫外線屏蔽罩的閃光燈作為側光源，保證光線對文物的擾動最小。

1.3.2 圖片獲取

本次進行紋理信息采集使用的是索尼A7R4相機，有效像素為6100。利用旋轉臺約每10度拍攝一張，保證每張拍攝的圖像重疊率在65%以上進行有序拍攝。

采集過程中應注意幾點：一是拍攝時盡量使相機與文物保持平行，確保拍攝的圖片為正射影像。二是拍攝文物時盡量保證背景無干擾、無眩光，確保獲取的照片質量。三是對文物進行全方位拍攝不留死角，盡量減少圖像盲區，避免返工所導拍攝工作的低效。

1.3.3 圖片處理

需要對拍攝的影像進行處理，將不同時間、不同光照度下獲取的影像圖片，處理為色彩一致的影像紋理信息。本次圖片處理利用Lightroom軟件，統一管理照片的飽和度和曝光度并刪除拍攝不合格的照片，主要包括調整亮度、色度、圖像的糾正、多張圖像的拼接等。確保用于紋理映射的照片能夠顯示統一的亮度和色彩還原度，使文物各個部分紋理在視覺上協調美觀。

1.4 紋理映射

紋理映射是表現文物模型的一種方式，可將模型表面的細節特征進行精美展示。將現場獲取的二維照片圖像通過軟件對三維模型進行紋理映射，還原對象本身的真實色彩和紋理特征④。本次紋理映射使用3DS MAX軟件，將模型進行分塊和定標處理，同時對三維網格形狀進行匹配。使用經過數據處理的遼代白釉穿帶瓶三維模型和二維圖片，再通過對紋理的編輯、渲染等操作形成貼圖展示，從而獲取逼真的遼代白釉穿帶瓶三維展示模型（圖3）。

2 三維掃描技術成果的應用

以往的文物保護方法是對文物本體進行手工測量，結合攝影技術獲取文物信息數據，不僅消耗了大量的人力、物力和時間，同時該方法容易受到外界因素的干擾，數據上也易出現較大誤差，以此方法呈現的效果也并不理想。而三維掃描技術具備文物信息采集速度快、數據獲取精準、無需接觸文物本體等優勢，更適用于對文物保護的有效應用。對于三維掃描技術的成果轉化利用詳細體現在以下幾個方面。

2.1 作為文物研究基礎數據

可依據三維掃描建立的三維模型，對文物進行分析和研究，無需提用文物即可清晰觀察文物細節，降低對文物的影響。傳統的文物檔案很難體現文物的細節和色彩，利用三維掃描技術可在無接觸情況下獲取三維細節數據，1∶1記錄文物本體的現狀信息，并進行永久的數字化存檔。文物是有生命的，文物的破損、損毀也是不可逆轉的，但文物的三維信息可以永久留存⑤。由于時間的推移或受不可抗力因素的影響，會導致文物產生某些變化，均可利用數字化存檔的三維數據進行對比，便于文物受損情況的分析與研究。

2.2 用于文物虛擬修復研究

隨著現代科學技術的進步，文物保護工作面臨著巨大的挑戰。如今，文物保護工作堅持對文物最小干預和可逆性的原則，未來基于三維掃描和攝影測量等技術的相互融合，以數字化模式精準記錄文物的幾何特征及紋理信息，以更為科學和無損的方式對文物進行虛擬修復是必經的發展道路之一。文物虛擬修復技術是在三維掃描獲取文物模型數據基礎之上，利用計算機虛擬技術對文物模型數據結構和表面進行“修補”。通過虛擬修復，可記錄文物本體、病害形成的相關數據，有利于對文物病害虛擬修復、對稱性研究等，更為將來對文物實體修復和文物修復方案的制定提供了可靠的數據支撐。

2.3 用于文物的虛擬展示

通過三維掃描技術獲取文物全方位的三維模型，可作為虛擬展示的基礎數據。虛擬文物展示是把虛擬展示和實體展示的空間相結合，運用電腦和網絡等軟硬件設備，突破了運用燈光、文字、圖片、展柜等傳統的布展方式⑥，建立觀眾與文物之間的感官互動，實現多種方式的文物觀覽。例如，中國考古博物館利用虛擬展示技術，展示了白底黑花龍鳳紋瓷罐，此文物形制獨特，紋飾精美，肩部繪纏枝花卉紋一周，腹部一面繪龍紋，另一面繪鳳紋，周圍填以卷云紋，在不同角度都可感受到此件文物的獨特魅力。為了便于觀眾不用移動視角觀覽，利用虛擬展示技術將文物三維圖像映射到展柜玻璃外側，觀眾可以點擊屏幕全角度地進行觀賞。既確保了文物在安全前提下完整地展示，又能讓觀眾近距離觀察文物的形態、紋飾等細節，體現了智慧博物館的價值和意義。

2.4 用于3D文物模型的展示

基于三維掃描技術獲得的三維模型數據，可以精準建立3D打印的文物模型。在日常工作中，可能會出現某件文物正在修復或文物限制出庫等情況，若缺少此件文物的展出，有可能會影響整條展線的綜合效果。利用三維掃描技術經過數據處理獲取的三維模型進行3D打印，無需提用原文物，可展出珍貴文物的復制品，如此既降低了文物受損風險，也避免了因人為或環境因素影響對文物產生的損害。

3 關于三維掃描技術的問題與思考

3.1 個別文物在三維掃描工作中的安全性問題

由于一些文物形制特殊、本體脆弱等原因，給三維掃描工作帶來了較大難度。例如，此次三維掃描的陶制水管，該水管通高67厘米，在托盤旋轉時出于安全性考慮，需要在掃描過程中進行人為保護，防止旋轉臺移動時意外導致文物滑落受損，并利用防震泡沫在底部進行鋪設，做好有效防護措施。

3.2 文物的局部信息無法完美展現

三維掃描技術現已成為文物數字化信息主流技術，但由于某些文物質地、構造的特殊性，在掃描或拍攝中難以完全獲取文物的信息，導致掃描技術的使用上仍存在一些弊端。例如，掃描儀能穿透透明材質，在掃描部分文物時配合使用了玻璃材質的工裝，但也是由于這一特性，此技術對于玉器、瑪瑙器這類有一定透明度文物的掃描還存在一定的局限性⑦。這可能是因玉器和瑪瑙器的材質特殊，掃描的信號光束會有反射，使其無法獲取三維坐標信息。

3.3 技術數據處理的復雜性

對于博物館而言，大量的館藏文物想要全部采集三維數據并不是容易的。如上所述，對一件文物進行三維掃描采集數據，到形成高精度、高質量的三維模型，工作量還是相當大的。不僅需要將原始三維數據導入逆向工程軟件進行數據處理，還要結合攝影技術及專業軟件對高清影像進行紋理信息的采集和紋理處理及貼圖。由此可見，三維掃描技術各環節的數據處理較為復雜，且門檻較高。如未來三維掃描技術在保證現有優勢的前提下，能不斷優化數據處理，提高三維數據獲取效率，簡化操作流程，對博物館數字化建設能發揮更大的作用。

3.4 行業發展與使用成本問題

目前，國內的三維掃描技術已逐漸成熟，技術成果在業內也得到了相應的認可。但由于博物館體積大、文物數量多、人員不足等原因，對于行業的發展有所限制。所以，在諸多理論和技術實踐方面還有待于完善。對于基層博物館而言，配套的技術設備成本較高，運用的工程軟件價格也較為昂貴，在某種程度上限制了博物館內三維掃描技術的普及和應用。

4 結語

通過對三維掃描技術的應用，不僅能全方位地記錄文物的體貌特征，獲取精確的三維數據，還讓館藏文物對參觀者有了“說話”的機會，更為文物保護修復等多方面工作提供了可靠的數據支撐。北京考古遺址博物館基于三維掃描技術對館藏文物進行三維數據的采集，未來將利用三維數字化數據基礎為依托，提高文物保護與科學研究的技術水平，從更多的視角挖掘文物的價值，提升博物館的現代化宣傳效能，也能為博物館數字化成果的轉化及利用提供完整的信息和資源。

注釋

①第五屆全國人民代表大會常務委員會.中華人民共和國文物保護法[Z].1982-11-19.

②黎鵬.基于三維掃描與3D打印的機件建模方法研究與實現[D].邯鄲：河北工程大學，2017.

③周亞男.基于激光掃描技術的文物三維數字化方法研究與應用[D].西安：陜西科技大學，2012.

④陳川.三維激光掃描技術在文物保護中的應用[J].科學技術創新，2023（22）：81-86.

⑤邵壯.館藏文物三維數字化探究：以中國國家博物館為例[J].文物鑒定與鑒賞，2020（24）：97-103.

⑥汪浩.虛擬文物的互動展示方法研究[D].武漢：武漢理工大學，2015.

⑦宋伯涵.北京市大葆臺西漢墓博物館文物數字化建設的探索與思考[J].文物鑒定與鑒賞，2020（15）：104-106.