基于三維掃描技術(shù)的館藏青銅器文物數(shù)字化保護(hù)研究

摘要：隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，三維掃描技術(shù)已經(jīng)成為文物修復(fù)和保護(hù)的重要工具，同樣也為青銅器文物的數(shù)字化保護(hù)提供新的可能?；诖?，文章在分析三維掃描技術(shù)的原理、類型及其在文物保護(hù)中的重要性和優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，以蘇州博物館館藏海獸鎏金雙耳熏爐為例，從數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建、數(shù)字化呈現(xiàn)等方面，探索基于三維掃描技術(shù)的館藏青銅器文物數(shù)字化保護(hù)方法，旨在為青銅器文物數(shù)字化保護(hù)工作提供全面的技術(shù)參考與理論支撐。

關(guān)鍵詞：三維掃描技術(shù)；館藏青銅器；文物仿制；文物修復(fù)

青銅器作為古代文明的重要象征，承載著豐富的歷史文化信息。然而，歲月的侵蝕、人為的破壞以及環(huán)境的影響，使得眾多館藏青銅器在保存和展示的過程中不可避免地出現(xiàn)不同程度的損壞。傳統(tǒng)的文物保護(hù)方法往往難以全面恢復(fù)其原貌，且存在操作復(fù)雜、耗時(shí)較長等問題。三維掃描技術(shù)的引入，能夠以非接觸、高精度的方式獲取青銅器文物的造型、紋理等三維信息，為館藏青銅器文物的研究、修復(fù)、展示和傳承提供有力支撐。

一、三維掃描技術(shù)概述

三維掃描技術(shù)主要基于激光測距或光學(xué)成像原理，通過發(fā)射激光或結(jié)構(gòu)光投射到物體表面，測量光線發(fā)射的時(shí)間或相位差來確定物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)、物體表面的變形情況，從而獲取物體的造型、結(jié)構(gòu)、紋理、材質(zhì)等細(xì)節(jié)[1]。

三維掃描技術(shù)根據(jù)掃描方式的不同，可分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式掃描技術(shù)需要物體與掃描儀直接接觸，適用于表面細(xì)節(jié)豐富且不敏感的物體；非接觸式掃描技術(shù)無須接觸物體，適用于青銅器、陶瓷等易損、珍貴或形狀復(fù)雜的文物。另外，非接觸式掃描技術(shù)又可細(xì)分為激光掃描、結(jié)構(gòu)光掃描和光學(xué)掃描。激光掃描通過激光束在物體表面的移動(dòng)來捕捉三維信息；結(jié)構(gòu)光掃描通過投射特定的光條紋圖案到物體表面，利用變形圖案來獲取表面細(xì)節(jié)；光學(xué)掃描通常利用相機(jī)拍攝物體，通過圖像分析獲得三維數(shù)據(jù)[2]。近些年，隨著三維掃描技術(shù)的不斷成熟和精度的不斷提升，其在館藏青銅器、陶瓷等文物的數(shù)字化保護(hù)、修復(fù)和展示等方面的運(yùn)用日益廣泛，為館藏文物的保護(hù)和研究提供了更為精確和高效的解決方案。

二、三維掃描技術(shù)在館藏青銅器數(shù)字化保護(hù)中的應(yīng)用優(yōu)勢

相對于接觸式掃描儀以及光學(xué)掃描而言，非接觸式激光掃描技術(shù)因其高速度、高精度、操作方便等特點(diǎn)，已成為博物館和研究機(jī)構(gòu)首選的三維掃描方法。非接觸式激光掃描在館藏青銅器數(shù)字化保護(hù)中的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.精準(zhǔn)全面的數(shù)據(jù)采集

目前三維掃描技術(shù)能夠獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，精確捕捉青銅器的紋飾、銘文等細(xì)節(jié)，為修復(fù)與研究提供可靠依據(jù)。此外，三維掃描相對于傳統(tǒng)的測量方法和三維建模方式而言，能夠快速、無損、完整地獲取文物的幾何形狀、結(jié)構(gòu)及表面紋理信息，為文物保護(hù)各環(huán)節(jié)提供精確的數(shù)據(jù)支持[3]。比如手持式三維激光掃描能夠在10分鐘內(nèi)完成對青銅器表面層位信息的初步采集，厚度識別精度達(dá)到10微米，水平精度達(dá)到50納米，并且結(jié)合太赫茲光波掃描技術(shù)，進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)采集的深度和廣度，能夠在無損檢測的基礎(chǔ)上，精確識別銹層厚度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為文物修復(fù)提供更為詳盡的信息，確保修復(fù)工作的精準(zhǔn)性和高效性。

2.高效的數(shù)據(jù)處理與建模

通過三維掃描獲取的大量原始數(shù)據(jù)，仍然有不少缺損或多余的部分，須經(jīng)過專業(yè)的逆向工程軟件的去噪、簡化、拼接和優(yōu)化處理，才能確保模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，便于后續(xù)的分析利用。另外，通過處理后的數(shù)據(jù)能夠快速構(gòu)建三維模型，在青銅器修復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。比如在利用三維掃描獲取青銅器精準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，修復(fù)師可以更準(zhǔn)確地確定修復(fù)材料的形狀、尺寸和位置，提高修復(fù)的精度和效果，使修復(fù)后的青銅器在外觀和結(jié)構(gòu)上更加接近原貌。此外，借助三維建模技術(shù)能夠快速設(shè)計(jì)并打印殘缺部位，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬修復(fù)操作，提前評估不同修復(fù)方案的可行性和效果，避免在實(shí)際修復(fù)過程中因操作不當(dāng)而對文物造成二次損傷，降低修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)。

3.有效減少文物損傷

三維掃描技術(shù)在館藏青銅器的數(shù)據(jù)采集和修復(fù)過程中，非接觸式的數(shù)據(jù)采集方式避免對青銅器文物表面造成刮擦、磨損等損傷，符合文物保護(hù)的“最小干預(yù)” 原則，最大程度地保留文物原始狀態(tài)，尤其適用于珍貴、脆弱或易損的青銅器。另外，三維掃描技術(shù)能夠?yàn)槲奈锏男迯?fù)和保養(yǎng)提供重要的數(shù)據(jù)支持，以更好地評估其青銅器文物的損毀程度和修復(fù)需求。與此同時(shí)，基于三維掃描生成的高精度三維模型還可以為修復(fù)工作提供可視化的指導(dǎo)，幫助修復(fù)師制定科學(xué)合理的修復(fù)方案，使文物保護(hù)工作更加有的放矢，降低人為破壞和自然因素對文物造成的損害。

4.數(shù)字化展示與傳播

基于三維掃描技術(shù)所獲取的精準(zhǔn)三維模型，為青銅器的研究、修復(fù)和展示提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)和傳承，推動(dòng)了文博事業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。另外，在青銅器三維模型的基礎(chǔ)上，可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等技術(shù)，創(chuàng)建虛擬展示平臺，讓觀眾在虛擬環(huán)境中全方位、多角度地欣賞青銅器，提供更加沉浸式的觀展體驗(yàn)，突破傳統(tǒng)展示方式的空間和時(shí)間限制[4]。另外，還可以將青銅器的三維模型及相關(guān)信息制作成數(shù)字展覽、在線課程、互動(dòng)游戲等形式，并借助互聯(lián)網(wǎng)、云平臺以及抖音、快手等新媒體，將青銅器的文化價(jià)值和藝術(shù)魅力廣泛傳播，吸引更多人的關(guān)注和了解，促進(jìn)文化遺產(chǎn)的普及與傳承。

三、三維掃描技術(shù)在館藏青銅器數(shù)字化保護(hù)中的應(yīng)用

以蘇州博物館館藏海獸鎏金雙耳熏爐為例，利用三維掃描技術(shù)獲取熏爐的精準(zhǔn)三維模型，并利用逆向工程軟件對模型進(jìn)行修復(fù)和重構(gòu)，成功還原熏爐的細(xì)節(jié)和紋理，不僅為后續(xù)的修復(fù)工作提供精確的參考依據(jù)，而且為館藏青銅器文物的數(shù)字化展示和傳播奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。三維掃描技術(shù)在館藏青銅器文物數(shù)字化保護(hù)中的應(yīng)用實(shí)踐路徑具體如下：

1.設(shè)備的選擇與準(zhǔn)備

在開展三維掃描之前，一方面需要對館藏青銅器文物的表面進(jìn)行清潔，去除表面的灰塵和污漬，以保證掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，為保障文物在掃描過程中的自由旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，需要將文物穩(wěn)穩(wěn)地固定在支架上；另一方面需要根據(jù)青銅器的大小、形狀、表面材質(zhì)等特點(diǎn)，選擇合適的三維掃描儀。由于海獸鎏金雙耳熏爐的尺寸為12.8×10.6×17厘米，表面細(xì)節(jié)豐富，因此選擇高精度的手持式三維掃描儀，確保掃描數(shù)據(jù)的精確性和細(xì)節(jié)捕捉。此外，對三維掃描設(shè)備以及用于數(shù)據(jù)的采集、處理、分析的Geomagic Studio逆向工程軟件進(jìn)行調(diào)試，確保設(shè)備與軟件的兼容性和穩(wěn)定性，避免因技術(shù)故障影響掃描效果。

2.數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化

由于三維掃描儀無法一次性掃描到被測物體的全部數(shù)據(jù)，需要從多個(gè)角度、多個(gè)方位對青銅器進(jìn)行掃描，以獲取其完整的三維數(shù)據(jù)。因此，將海獸鎏金雙耳熏爐放置于轉(zhuǎn)盤之上，在固定三維掃描儀的情況下，通過轉(zhuǎn)盤的勻速旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)對青銅器文物的多角度掃描，確保每個(gè)細(xì)節(jié)都被精確捕捉。在獲得高精度三維掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用Geomagic Studio軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪和優(yōu)化，生成平滑且無冗余的三維模型，進(jìn)一步提升模型的精細(xì)度和真實(shí)感（圖1）。

3.三維建模與紋理映射

針對三維掃描數(shù)據(jù)存在紋理不清、結(jié)構(gòu)不完整等問題，采用Maya、3d Max和Zbrush等建模軟件進(jìn)行細(xì)節(jié)修復(fù)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)全，確保模型的真實(shí)性和完整性。在三維建模完成后，通過高分辨率紋理映射技術(shù)，將熏爐表面的鎏金紋理精確貼合至三維模型，使模型的色彩和質(zhì)感與實(shí)物高度一致，極大增強(qiáng)了模型的視覺真實(shí)感。海獸鎏金雙耳熏爐的紋理映射和材質(zhì)制作，需要精細(xì)調(diào)整光線和角度，確保紋理細(xì)節(jié)與實(shí)物吻合，以確保數(shù)字化后的熏爐模型能夠真實(shí)反映其原有的藝術(shù)細(xì)節(jié)和質(zhì)感，從而達(dá)到高度逼真的效果（圖2）。海獸鎏金雙耳熏爐高精度模型制作和逼真材質(zhì)紋理的映射，不僅最大程度地復(fù)原青銅器文物的完整性、精準(zhǔn)性和真實(shí)性，還為后續(xù)的數(shù)字化展示和傳播提供高質(zhì)量的視覺素材。

4.三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)用

基于三維掃描技術(shù)對海獸鎏金雙耳熏爐青銅器的三維數(shù)據(jù)重建和復(fù)原，是為了實(shí)現(xiàn)其在虛擬展覽、教育科普和學(xué)術(shù)研究中的廣泛應(yīng)用，提升觀眾互動(dòng)體驗(yàn)，促進(jìn)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)和傳承?；诖耍瑢⒑＋F鎏金雙耳熏爐的三維模型應(yīng)用于數(shù)字博物館、虛擬展覽平臺、教育課件制作及學(xué)術(shù)研究數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建多維度展示體系，不僅讓海獸鎏金雙耳熏爐以全新視角呈現(xiàn)，還能通過交互交流和沉浸式體驗(yàn)，讓觀眾更深入地了解其歷史價(jià)值和藝術(shù)魅力，激發(fā)公眾對文化遺產(chǎn)的興趣和關(guān)注，推動(dòng)文化傳承與創(chuàng)新[5]。比如建立虛擬仿真體驗(yàn)區(qū)，將三維模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，觀眾借助VR設(shè)備身臨其境地感受熏爐的細(xì)節(jié)、歷史背景、制作工藝和藝術(shù)風(fēng)格，極大增強(qiáng)受眾的互動(dòng)性、參與感和視覺體驗(yàn)，大幅度提升館藏青銅器文物的傳播效果和影響力（圖3）。另外，還可以為考古學(xué)家、歷史學(xué)家提供詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)，助力學(xué)術(shù)研究和教育普及，推動(dòng)青銅器文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)和傳播。

5.數(shù)據(jù)存儲與管理

借助三維掃描技術(shù)和逆向工程軟件，完成海獸鎏金雙耳熏爐的三維數(shù)字化重建，對高精度三維模型等數(shù)據(jù)需要進(jìn)行妥善存儲與管理，以確保數(shù)據(jù)的安全性與可用性。首先，需要將處理后的三維數(shù)字模型存儲到專門的數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，確保其長期保存與易于檢索；其次，通過數(shù)字化平臺與公眾以及研究者分享青銅器的三維數(shù)據(jù)，促進(jìn)青銅器文物的科學(xué)研究與文化交流，推動(dòng)青銅器文物研究的深入開展；最后，通過網(wǎng)絡(luò)平臺，將三維模型共享給其他研究人員和社會(huì)公眾，促進(jìn)青銅器文物的廣泛傳播與互動(dòng)體驗(yàn)，提升公眾對文化遺產(chǎn)的認(rèn)知與保護(hù)意識。

四、結(jié)語

綜上所述，三維掃描技術(shù)在館藏青銅器數(shù)字化保護(hù)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。通過精準(zhǔn)全面的數(shù)據(jù)采集、高效的數(shù)據(jù)處理與建模、數(shù)字化展示與傳播，三維掃描技術(shù)不僅為青銅器文物的數(shù)字化保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，還極大豐富青銅器文物的展示形式，提升了公眾的參與度和認(rèn)知水平，推動(dòng)了青銅器文化遺產(chǎn)的傳承與創(chuàng)新。未來，隨著三維掃描技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，必將為文物保護(hù)事業(yè)貢獻(xiàn)更多力量。

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[4]陳宇.基于激光掃描的三維表面重建技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2023.

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作者簡介：

拾祎春（1980—），女，漢族，江蘇徐州人。碩士研究生，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)。