三維掃描技術(shù)在博物館中的應(yīng)用

摘 要：在科技進(jìn)步的浪潮下，數(shù)字化技術(shù)為文物的修復(fù)與利用開辟了新視野，尤其以三維掃描技術(shù)為突出代表。文章深入剖析了三維掃描技術(shù)在博物館中的應(yīng)用現(xiàn)狀，細(xì)致探討了該技術(shù)在文物信息記錄、修復(fù)方案設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)測評(píng)估以及虛擬現(xiàn)實(shí)展示方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過構(gòu)建高精準(zhǔn)度的數(shù)字化模型，三維掃描技術(shù)不僅顯著提升了修復(fù)工作的效率，還極大降低了修復(fù)作業(yè)中的文物受損風(fēng)險(xiǎn)，還為文物的變形監(jiān)測與數(shù)字化展示開拓了新的方法路徑。盡管如此，當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)針對(duì)各類文物的標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)仍有待加強(qiáng)和完善，亟須進(jìn)一步的科研探索，以驅(qū)動(dòng)文物保護(hù)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與革新。

關(guān)鍵詞：三維掃描；數(shù)字化技術(shù)；文物保護(hù)修復(fù)

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.06.030

三維掃描技術(shù)集成了光學(xué)、機(jī)械、電氣及計(jì)算機(jī)科學(xué)等技術(shù)，能夠精密獲取物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換構(gòu)建出數(shù)字模型。對(duì)比傳統(tǒng)的記錄方法，三維掃描技術(shù)展現(xiàn)了快速、高精度及無損接觸的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，顯著提高了工作效率。盡管傳統(tǒng)修復(fù)方法是文物保護(hù)工作的基石，但是在面對(duì)復(fù)雜文物的修復(fù)時(shí)，數(shù)字技術(shù)的介入解決了傳統(tǒng)修復(fù)方法中難以克服的困難。三維掃描與三維打印技術(shù)的聯(lián)合，有效降低了文物在修復(fù)過程中二次損壞的風(fēng)險(xiǎn)，為文物保護(hù)與修復(fù)領(lǐng)域提供了嶄新路徑。此外，三維掃描技術(shù)亦是構(gòu)筑數(shù)字展陳與虛擬博物館的技術(shù)支柱，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，極大地拓寬了文物資源的開發(fā)利用空間，鞏固了其在數(shù)字化保存、修復(fù)展示領(lǐng)域核心工具的地位。本文將深入分析三維掃描技術(shù)在文物修復(fù)與利用中的實(shí)際應(yīng)用，力圖為文物數(shù)字化保存、展示及修復(fù)提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐與實(shí)踐導(dǎo)向。

1 三維掃描技術(shù)的基本原理

三維掃描技術(shù)獲取文物表面信息依托于三種核心手段：激光采集、二維攝影采集及結(jié)構(gòu)光數(shù)據(jù)采集。根據(jù)掃描方法的不同，可分為接觸式掃描與非接觸式掃描兩大類。接觸式掃描依賴于直接接觸文物表面來收集信息，其優(yōu)點(diǎn)在于高精確度，但可能會(huì)對(duì)文物造成損害；非接觸式三維掃描技術(shù)涵蓋激光、電磁波及超聲波三類掃描方法。當(dāng)前，三維激光掃描技術(shù)因其高速度與毫米級(jí)的高精度，成為應(yīng)用最成熟的方法。三維激光掃描技術(shù)尤其適用于那些易損壞文物的掃描，它能夠細(xì)膩地復(fù)原文物的每一處細(xì)節(jié)，為文物的數(shù)字化檔案建立、在線展示及深入的保護(hù)修復(fù)打下堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

激光三維掃描技術(shù)的核心組件為激光測距系統(tǒng)與反射棱鏡裝置，該裝置能夠引導(dǎo)激光以恒定的角速度掃描，同步發(fā)射與接收文物表面反射的激光信號(hào)，以此測定文物表面的間距并獲取其空間坐標(biāo)信息。數(shù)據(jù)收集完成后，對(duì)所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)施以簡化、去噪及網(wǎng)格化預(yù)處理等，旨在構(gòu)建被掃描文物的三維數(shù)字模型。隨后，在UV坐標(biāo)系下，借助高分辨率圖像資料完成對(duì)文物表面細(xì)節(jié)的紋理貼圖處理，從而創(chuàng)造出高度逼真的文物三維模型。

2 三維掃描在文物修復(fù)保護(hù)中的應(yīng)用

2.1 文物記錄與數(shù)字化

鑒于文物的不可再生性，《威尼斯憲章》強(qiáng)調(diào)“一切保護(hù)、修復(fù)和發(fā)掘工作都要有精準(zhǔn)的記錄”①，《中華人民共和國文物保護(hù)法》也明確表明文物保護(hù)修復(fù)要堅(jiān)持不改變文物原狀的原則。實(shí)施任何保護(hù)與修復(fù)措施之前，全面且精確地記錄文物初始狀態(tài)至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)記錄手段，諸如手工繪圖、現(xiàn)場測量或依賴照片、拓片收集資料，不僅受限于人為誤差導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確，還可能面臨對(duì)文物形態(tài)復(fù)雜細(xì)節(jié)難以復(fù)刻的困境。因此，引入科技手段以采集文物信息顯得尤為迫切。三維掃描技術(shù)恰能滿足此需求，它憑借非接觸、無損的特性，高效且精確地完成文物信息的采集與數(shù)字化存儲(chǔ)。這一數(shù)字化記錄和存儲(chǔ)方法不僅突破了傳統(tǒng)信息保存方式的空間限制與物理損耗問題，還促進(jìn)了文物數(shù)據(jù)的長期留存與便捷共享，極大地提高了文物保護(hù)研究的效率，為學(xué)者間的信息交流提供了便利。

數(shù)字化手段帶來了諸多便利，但仍面臨許多挑戰(zhàn)，諸如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性、防泄露和防盜竊等問題。隨著三維數(shù)字化技術(shù)的不斷演進(jìn)，早先構(gòu)建的數(shù)字模型可能因技術(shù)迭代而損失信息真實(shí)性，從而導(dǎo)致歷史信息的缺損與不一致。例如，國際古跡遺址理事會(huì)（ICOMOS）主持的項(xiàng)目中，部分項(xiàng)目取得的數(shù)字化成果在短短2～3年后便遭遇了原有功能和信息丟失的困境。

2.2 文物修復(fù)

文物修復(fù)是文物保護(hù)學(xué)科內(nèi)一個(gè)關(guān)鍵的分支，其核心在于還原文物的原始狀態(tài)，要嚴(yán)格遵循國家保護(hù)修復(fù)規(guī)范，融合傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代修復(fù)技藝，綜合了物理、化學(xué)、美學(xué)及手工技藝等多個(gè)知識(shí)體系，是一門具有藝術(shù)性的應(yīng)用科學(xué)②。因此，一位杰出的文物修復(fù)專家，不僅需要擁有高超的修復(fù)技藝，還應(yīng)懷有深厚的藝術(shù)底蘊(yùn)。修復(fù)工作的質(zhì)量評(píng)估涉及文物材質(zhì)屬性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及當(dāng)前狀況的精確評(píng)估。此外，廣泛累積歷史學(xué)識(shí)、深刻領(lǐng)會(huì)文物所承載的歷史信息特征，同樣是不可或缺的一環(huán)。

隨著數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，文物保護(hù)與修復(fù)的技術(shù)和策略持續(xù)創(chuàng)新，呈現(xiàn)出多樣化的新興趨勢(shì)。這些先進(jìn)的技術(shù)手段不僅極大提升了修復(fù)工作的效率，還針對(duì)性地克服了諸多傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)中固有的難題。在過去的修復(fù)實(shí)踐里，數(shù)據(jù)收集及文物碎片的拼對(duì)環(huán)節(jié)難免要高頻率直接接觸文物本身，鑒于文物保護(hù)秉持的最小干擾原則，直接在文物實(shí)體上實(shí)施嘗試性修復(fù)的行為勢(shì)必會(huì)對(duì)文物造成一定影響，故而構(gòu)建虛擬修復(fù)模型顯得尤為關(guān)鍵。三維數(shù)字化技術(shù)憑借其非接觸式掃描及三維模型構(gòu)建等流程，有效規(guī)避了直接碰觸文物的問題。通過三維掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可視化軟件，可以實(shí)現(xiàn)文物本體的虛擬重構(gòu)和再現(xiàn)。在三維模型軟件內(nèi)，不僅能夠?qū)ξ奈锬Ｐ瓦M(jìn)行尺寸測量、紋飾提取及虛擬修復(fù)等操作，為修復(fù)策略的制定提供更為直觀的依據(jù)，還允許多次試錯(cuò)與修訂，遴選出最優(yōu)方案。另外，結(jié)合三維打印技術(shù)輔助制作補(bǔ)配件，省去了傳統(tǒng)翻模等煩瑣且失敗率極高的步驟。憑借三維軟件的精密計(jì)算工具，能定制出與文物殘損部分完美貼合的補(bǔ)件模型，這種方式摒棄了傳統(tǒng)修復(fù)中“先鏟平斷茬再補(bǔ)配殘件”的補(bǔ)配方式，既遵循了最小干預(yù)原則，又以高精度完成了文物的復(fù)原工作。

在文物修復(fù)工作中，老化木質(zhì)文物修復(fù)難度很大，但三維掃描技術(shù)的應(yīng)用不僅顯著提升了修復(fù)工作的效率，還有效減輕了人工雕刻過程中固有的主觀影響。譬如故宮太和殿的雕云龍紋望柱頭，此文物曾使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行過黏合處理，但隨著時(shí)間推移，黏合材料老化導(dǎo)致該文物再度碎裂。在這種情況下，傳統(tǒng)修復(fù)手段難以施展。鑒于此，修復(fù)團(tuán)隊(duì)采取了數(shù)字化復(fù)制技術(shù)，通過制作高精度復(fù)制品來繞過直接修復(fù)原件的難題。該過程涵蓋了數(shù)據(jù)掃描、逆向三維建模、模型優(yōu)化處理、三維打印、著色及安裝等步驟，成功地應(yīng)對(duì)了雕云龍紋望柱頭的修復(fù)難題（圖1～圖3）③。

2.3 修復(fù)過程的監(jiān)測與評(píng)估

三維激光掃描技術(shù)展現(xiàn)了在監(jiān)測文物形變方面的應(yīng)用性。文物的安全監(jiān)測大致包含兩方面內(nèi)容：一是文物本體的監(jiān)測，二是空間環(huán)境的監(jiān)測。對(duì)于可移動(dòng)文物來說，文物本體的監(jiān)測尤為重視文物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性，尤其是文物修復(fù)環(huán)節(jié)中可能引發(fā)的變形或損壞。至于空間環(huán)境的監(jiān)控，則著重考察不同環(huán)境條件對(duì)文物狀態(tài)的影響，比如保存環(huán)境的溫濕度波動(dòng)和物理陳列位置變動(dòng)可能對(duì)文物造成的影響。鑒于文物狀態(tài)是持續(xù)發(fā)生變化的，監(jiān)測活動(dòng)需貫穿所有時(shí)間段，確保能實(shí)時(shí)監(jiān)控文物狀態(tài)的任何變化。

在傳統(tǒng)的文物監(jiān)測中，數(shù)據(jù)采集往往局限于特定的點(diǎn)位。盡管這種策略能夠覺察到若干顯而易見的形變或風(fēng)險(xiǎn)，但因未能實(shí)現(xiàn)文物全范圍的覆蓋，對(duì)于局部的細(xì)微變化可能關(guān)注度不足，進(jìn)而有引發(fā)文物結(jié)構(gòu)整體受損的風(fēng)險(xiǎn)。此外，傳統(tǒng)的監(jiān)測體系高度依賴于文字、圖示資料與攝影圖像，這些手段在全方位捕捉及深入剖析動(dòng)態(tài)變化過程方面存在局限，不利于全面評(píng)估文物的保存環(huán)境。

三維掃描技術(shù)中三維激光掃描與傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，為可移動(dòng)文物的安全監(jiān)控帶來了革新。三維激光掃描技術(shù)能夠捕獲文物的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過跨時(shí)段點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比，詳盡了解文物的各種變化情況，涵蓋文物位置偏移、傾斜角度、細(xì)微結(jié)構(gòu)變形及破損狀況等。與傳統(tǒng)手段相比，三維激光掃描技術(shù)顯著提升了監(jiān)測的精確度，全面涉及文物的宏觀形態(tài)與微觀細(xì)節(jié)，使文物形變的評(píng)估更為周密與精確。

2.4 模型的虛擬展示與公共教育

近年來，國內(nèi)學(xué)術(shù)界在考古學(xué)與文化遺產(chǎn)研究領(lǐng)域，針對(duì)文物保護(hù)、學(xué)術(shù)研究及公眾教育展示等多元需求，廣泛采用了三維激光掃描技術(shù)、高分辨率影像處理以及虛擬技術(shù)，并將這些先進(jìn)技術(shù)集中應(yīng)用于文物的保護(hù)修復(fù)、大規(guī)模現(xiàn)場展示、互聯(lián)網(wǎng)傳播平臺(tái)構(gòu)建以及數(shù)字化博物館系統(tǒng)的開發(fā)上。

中華文明探源工程是國家“十五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，獲得了國家文物局的鼎力支持。在此框架下，南京博物院、故宮博物院及敦煌研究院等多家單位申報(bào)“遺址保護(hù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)預(yù)研究”課題④，該課題致力于探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文物展覽、復(fù)原及保護(hù)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

借助數(shù)字博物館的構(gòu)建，文物資源的保存與虛擬復(fù)現(xiàn)得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而推動(dòng)實(shí)體博物館的收藏、研究、展示及教育職能向更廣闊領(lǐng)域延展，促進(jìn)文物資源全民共享⑤。游客可通過館內(nèi)先進(jìn)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢索、觀摩，了解館藏文物的超清數(shù)字文物資料。同時(shí)，借助內(nèi)容管理系統(tǒng)，博物館還能夠在線上進(jìn)行虛擬策展，實(shí)現(xiàn)一鍵部署線下展覽，以及展示以往實(shí)體展覽的數(shù)字化版本，深度剖析展品細(xì)節(jié)。博物館通過虛擬策展、數(shù)字展示、學(xué)術(shù)講座及教育培訓(xùn)等活動(dòng)，為學(xué)者專家與研究型觀眾開展線下學(xué)術(shù)探討、授課等提供多種空間。

在數(shù)字化展覽實(shí)施過程中，博物館面臨若干挑戰(zhàn)，諸如原始環(huán)境信息的缺失、展示內(nèi)容的局限性及展覽協(xié)調(diào)不足等問題。在當(dāng)前情況下，博物館對(duì)考古數(shù)字信息的展示多側(cè)重于遺址和文物兩類數(shù)據(jù)，對(duì)于考古發(fā)掘的航拍圖像、探坑圖紙、視頻資料等其他形式的數(shù)據(jù)展示較為不足，限制了信息的全面?zhèn)鬟f。

當(dāng)考古發(fā)現(xiàn)的文物被安置于博物館進(jìn)行展示時(shí)，它們與原始埋藏環(huán)境的關(guān)聯(lián)在某種程度上被削弱。這一現(xiàn)象在數(shù)字化展示技術(shù)的運(yùn)用下更為顯著。誠然，數(shù)字化手段賦予了觀察者更為精細(xì)的視覺體驗(yàn)及多元的觀賞維度，卻在很大程度上阻礙了觀眾深入領(lǐng)會(huì)文物背后所承載的文化含義。

2.5 數(shù)字化文物保護(hù)發(fā)展與困境

近年來，我國在數(shù)字化文物保護(hù)領(lǐng)域取得了顯著的發(fā)展。2003年11月，中國博物館學(xué)會(huì)數(shù)字化專業(yè)委員會(huì)的成立標(biāo)志著我國文物數(shù)字化保護(hù)工作駛?cè)肓丝燔嚨馈?/p>

隨著數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的深化應(yīng)用，相應(yīng)的規(guī)范體系與政策措施逐漸趨于完備。2017年，業(yè)界頒布了《石窟寺壁畫數(shù)字化勘察測繪技術(shù)規(guī)程》與《館藏文物數(shù)字化三維模型重建與質(zhì)量評(píng)價(jià)》兩項(xiàng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)⑥，為文物數(shù)字化保護(hù)設(shè)立了具體的標(biāo)準(zhǔn)。2019年，財(cái)政部和國家文物局下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)國家文物保護(hù)專項(xiàng)資金管理辦法的通知》，規(guī)范了國家文物保護(hù)專項(xiàng)資金的管理，明確了其資助范疇，涵蓋國有文物收藏單位一至三級(jí)珍貴文物的預(yù)防保護(hù)⑦、技術(shù)保護(hù)及數(shù)字化保護(hù)等多個(gè)維度。

盡管已取得若干進(jìn)步，但是數(shù)字化文物保護(hù)仍面臨顯著挑戰(zhàn)。首要問題在于，對(duì)于數(shù)字化建設(shè)的基本原理與重要性的認(rèn)知缺失。部分文化遺產(chǎn)管理機(jī)構(gòu)及博物館，對(duì)于數(shù)字化建設(shè)的理解和重視程度不足，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)建高效數(shù)字化管理體系與運(yùn)作機(jī)制的障礙。其次，標(biāo)準(zhǔn)化制度的發(fā)展步伐遲緩。由于數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與制度框架的不健全，加之相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的匱乏，項(xiàng)目實(shí)施過程中標(biāo)準(zhǔn)不一、各自獨(dú)立操作乃至重復(fù)建設(shè)的現(xiàn)象屢見不鮮，這些問題嚴(yán)重阻礙了信息資源共享與開發(fā)利用的廣度和深度。最后，基礎(chǔ)設(shè)施的不完善構(gòu)成了另一大難題，具體體現(xiàn)在全國文物系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫體系等關(guān)鍵設(shè)施依舊薄弱，大容量信息交換通道不暢。這些基礎(chǔ)設(shè)施層面的瓶頸，直接限制了文物數(shù)字化保護(hù)工作的深入開展。

3 結(jié)論

三維掃描技術(shù)在文物修復(fù)與保護(hù)實(shí)踐中已彰顯出重大的應(yīng)用價(jià)值與潛力。該技術(shù)憑借其高精確度及非接觸式的數(shù)據(jù)獲取特性，極大提升了文物信息記錄的可靠性與修復(fù)工作的效率。它不僅能夠用于建立高還原度的文物數(shù)字模型，還能夠與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)虛擬修復(fù)與展示，從而避免了對(duì)文物實(shí)體的直接干預(yù)，以及可能誘發(fā)的二次損害。此外，三維掃描技術(shù)在監(jiān)測文物形態(tài)變化及分析空間環(huán)境方面也起到了核心作用，為文物的長期保存提供了數(shù)據(jù)支持。然而，文物的數(shù)字化保護(hù)工作仍面臨標(biāo)準(zhǔn)化體系不健全、技術(shù)快速更新的挑戰(zhàn)，以及跨學(xué)科合作的復(fù)雜性等諸多問題。這些難題亟須通過深化研究與標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)來破解，以驅(qū)動(dòng)文物保護(hù)技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)。展望未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)體系的日臻完善，三維掃描技術(shù)有望在文物保護(hù)與修復(fù)中發(fā)揮更廣泛的影響力。

注釋

①吳澤英.北京明清城門廣場綠地體系研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2011.

②潘炫辰，劉芳.基于故宮博物院數(shù)字文物庫的信息可視化研究：以“故宮文物醫(yī)院”為例[J].湖南包裝，2024，39（1）：168-170，188.

③④⑤黃齊成.三維數(shù)字化技術(shù)在木器文物修復(fù)中的應(yīng)用研究[J].中國文物科學(xué)研究，2024（2）：81-90.

⑥牛世山.基于GIS、VR技術(shù)的考古對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、復(fù)原和展示[J].南方文物，2015（3）：189-191，198.

⑦魏利偉，李文武，劉俊華.國內(nèi)外文物數(shù)字化保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2016（6）：91-96.