數字化技術在博物館文物保護與展示中的應用研究

關鍵詞：博物館；文物保護；數字化技術；三維重建；文化傳播；文物展示；攝影測量；文化遺產；數字檔案中圖分類號：TP399;G264 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4110（2025）04（c）-0092-06

Research on the Application of Digital Technology in the Conservation and Display of Cultural Heritage in Museum

—Taking Three Representative Cultural Relics from Gansu Provincial Museum as Examples

JIA Yuzhi

（UniversityCollegeLondon，London，WC1HOPY，England）

Abstract：This study examines thevalue andapplicationof digital technologyinthepreservationand displayof museumartifacts.Throughcase studiesofthrerepresentativeartifactsfrom theGansu Museum—theBronzeGalloping Horse，the Buddhastatue fromCave45oftheMogaoGrotoesandthehumanhad-shapedpolychromepoterybotle—thereseachsystematicallyanalyzesthe proces，accuracyandpracticalsultsofDecostructiontecologbasedopotogammetryesudyindstatthistology fcientlynablesoontactrecordingofartifacts，significantlyrducingtheriskofphysicaldamageasociatedwithtraditional conservationmethods，andthatinteractivedisplaysgreatlyenhancepublicengagement withculturalheritage.Inadition，thersearch criticallydiscussestelimitatiosandpotentialissofdigialtchologyapcations，suchasunevendistributionoftecicalre sources，teeakeningof raditionalmusemfunctions，andchalengesinthelong-tempreservationofdigitalarchives.Tearticle recommendsthatmuseumscarefullselectsuitabletechnologiesandoptimizedatamanagementanddisplaymethodsintheirdigital transformation，in order to balance the preservation and dissemination of cultural heritage sustainably.

KeyWords：Museum;Culturalrelicsprotection;Digital technology;Threedimensinalreconstruction; Culturalcommuication; Cultural relics exhibition; Photogrammetry; Cultural heritage;Digital archive

文化遺產是人類文明的見證，承載著豐富的歷史信息與文化內涵。隨著全球數字化浪潮的推進，博物館作為文化遺產保護與傳播的核心機構，正面臨著職能轉型的必然要求。傳統的博物館運營模式主要依賴于實體展覽和紙質檔案管理，這種方式在文物保護與展示方面面臨諸多挑戰。文物本身會隨時間推移不斷退化，環境因素與人為干預可能帶來不可逆損傷，而展覽空間和地域限制又降低了公眾接觸珍貴文化遺產的機會。數字化技術的引入，尤其是3D建模、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）等技術的應用，為博物館提供了新的發展路徑。借助數字化手段，博物館不僅能夠更高效地管理和保護文物，還能突破物理空間的限制，為全球觀眾提供更為豐富和互動的文化體驗。

本研究聚焦于以下核心問題：攝影測量法基礎的三維重建技術如何有效應用于博物館文物的數字化保護與展示？此技術相較傳統方法有何優勢與局限？數字化技術如何提升博物館文物的教育價值與文化傳播效果？通過對甘肅省博物館銅奔馬、敦煌莫高窟第45窟佛像和人頭形器口彩陶瓶三件文物的案例研究，本研究探討了數字化技術在文物保護與展示中的應用流程、關鍵技術和實際效果，旨在為博物館數字化轉型提供實踐參考。

1文獻綜述

1.1數字化技術與文化遺產保護的理論基礎

數字化技術在文化遺產領域的應用經歷了從二維記錄到三維重建的演變過程。三維技術從20世紀80年代的制造業應用逐漸擴展到考古學和博物館領域，為文物保護開辟了全新路徑。進入21世紀后，高精度激光掃描、結構光掃描和基于攝影測量的三維建模技術取得了重大突破，顯著提高了文物數字化的精度和效率。數字化技術與文化遺產保護理論在多個層面實現了契合。預防性保護理論強調通過科學手段減少文物在保存和展示過程中可能受到的損害，而數字化存檔技術通過高精度的3D掃描和建模，形成文物的永久性數字檔案，為修復和研究提供精確數據支持。特別是對于脆弱或易損的文物，非接觸式技術能夠在不對文物造成物理接觸的情況下，捕捉表面信息并生成高精度模型，避免了傳統方法可能帶來的損傷風險，同時提供更全面的研究數據。

1.2博物館文物保護與展示面臨的挑戰

傳統博物館在文物保護與展示方面面臨多重挑戰。首先，有限的物理空間導致大量館藏文物無法全面展出，制約了文物價值的充分發揮；其次，實體展覽中文物易受自然環境因素和人為活動損害，保護與展示之間存在內在矛盾：最后，文物信息記錄方式單一，紙質檔案一旦損毀將造成不可挽回的損失。

現代觀眾對展示體驗的需求也在不斷變化。傳統展示方式互動性有限，難以滿足公眾對沉浸式、參與式體驗的期待，特別是對數字原住民Z世代的年輕觀眾而言，靜態展示已無法有效吸引其注意力和興趣。由于數字化技術普及不均，許多博物館仍依賴紙質檔案，面臨信息存儲不安全、更新不及時、數量有限及難以共享等問題。博物館數字化基礎設施建設不平衡，工作人員的信息技術水平參差不齊，部分館所受限于場館規模和資金條件，難以全面實施數字化轉型。

1.3文物數字化保護與展示的國內外實踐

文物三維重建技術主要沿兩條路徑發展：基于專業掃描設備的三維掃描技術和基于攝影測量的多視角三維重建技術。前者精度高，但設備昂貴、操作復雜；后者成本較低、操作簡便，但在極細微結構重建方面略顯不足。兩種技術各有優勢，適用于不同場景和需求。在國際實踐中，數字化技術已在多個重要文化遺產保護項自中取得顯著成果。巴黎圣母院2019年大火后，預先創建的三維模型成為其重建的關鍵參考，育碧公司在《刺客信條：大革命》中對巴黎圣母院的精細建模也意外地為其修復提供了有價值的素材2。這些案例凸顯了數字化預防性保護的重要性，也展示了跨領域合作在文化遺產保護中的潛力[3]

國內數字化實踐也取得了一定成果。敦煌研究院的“數字敦煌\"項目通過3D建模和虛擬現實技術，將莫高窟壁畫和雕塑數字化并向公眾開放，實現了保護與傳播的雙重目標。對敦煌莫高窟第45窟佛像的三維重建研究，采用雙相機結構光系統成功獲取了高精度幾何信息和色彩紋理，為脆弱文物的數字化保存提供了新的技術路徑4。然而，國內博物館在數字化實踐中也面臨諸多挑戰：技術應用水平參差不齊，數字化資源整合與共享機制尚不完善，公眾對數字化展覽的接受度和參與度有待提升。這些挑戰亟須通過理論創新、實踐探索和政策支持來有效應對。

文物數字化保護與展示已成為博物館領域的重要研究方向。本研究基于既有理論和實踐基礎，通過甘肅省博物館的案例研究，探索基于攝影測量的三維重建技術在文物保護與展示中的應用價值與實施路徑，以期為博物館數字化轉型提供參考。

2 研究方法

2.1 研究設計

本研究采用案例研究法，選取甘肅省博物館三件具有代表性的文物進行三維數字化重建實驗。研究流程包括文獻綜述、實驗設計、數據采集、三維重建、結果分析和應用評估6個階段。通過對比分析傳統文物記錄方法與數字化方法的差異，評估三維重建技術在文物保護與展示中的應用價值。

2.2 案例選擇

研究選取了甘肅省博物館三件代表性文物：銅奔馬、敦煌莫高窟第45窟的佛像，以及人頭形器口彩陶瓶。這三件文物在形狀、材質和歷史價值上各具特點：

（1）銅奔馬（高 34.5cm ，長 45cm ，寬 13.1cm^? ：造型生動，是中國古代藝術的代表作，反映了東漢時期的銅器鑄造技術和絲綢之路文化交流。（2）敦煌莫高窟第45窟的佛像（高 41cm ，寬13cm ，厚 10.3cm^? ）：代表中國佛教藝術的成就，表面細節豐富，保存和研究價值高。（3）人頭形器口彩陶瓶（高 32.3cm ，瓶口 4cm ，底徑 6.8cm ）：甘肅地區新石器時代的典型文物，反映了早期社會的藝術與生活。

這三件文物的選擇代表了不同歷史時期、不同材質和不同復雜程度的文物類型，能夠全面測試三維重建技術的適用性和效果。

2.3 數據采集

數據采集在專業工作室進行，確保了光線均勻、背景一致。采用以下設備與設置：

（1）相機：索尼A7RIV高分辨率相機 9504×6 336像素）。

（2）鏡頭：變焦鏡頭，兼具廣角和微距功能

（3）輔助設備：三腳架、四盞專業補光燈、旋轉轉盤、黑色無反光背景布。

（4）參考物：標準24色色卡和比例尺。

拍攝過程中，文物放置于旋轉轉盤中心，確保360^° 全方位拍攝。相機參數固定（光圈f/22，曝光時間1/125秒，IS0100），采用手動對焦確保每一處細節清晰。銅奔馬共拍攝145張照片，保證照片間重疊率在 70% 以上，紋理不明顯處增加拍攝數量。所有圖像以RAW格式保存，并進行多重備份。

2.4 三維重建流程

本研究采用RealityCapture軟件進行三維重建，主要包括以下步驟：

（1）數據導入：將拍攝的高分辨率照片導入軟件。（2）相機位置計算：軟件自動分析照片間的特征點，計算每張照片的拍攝位置。（3）點云生成：基于照片信息生成初步的點云模型（見圖1）。（4）網格化：將點云模型轉換為三角網格模型（5）紋理映射：將原始照片信息投影到三維模型表面（見圖2）。（6）比例校正：通過識別照片中的比例尺，確保模型尺寸準確。（7）模型優化：刪除噪點，修復網格錯誤，優化紋理 （見圖3）。（8）輸出成果：導出最終三維模型，可選格式包括OBJ、STL、FBX等。

通過上述流程，成功實現了三件文物的高精度三維重建，捕捉了文物的幾何形態、表面紋理和色彩信息。

3 研究結果

3.1 三維重建成果

三件文物的三維重建取得了良好效果。以銅奔馬為例，重建模型成功捕捉了其動態姿態和表面細節，包括馬身上的紋飾和局部磨損。重建模型的精度評估如下：

（1）幾何精度：通過與實物測量數據比對，模型尺寸誤差控制在 ±0.5mm 以內。（2）紋理分辨率：最終模型紋理分辨率達到4K中 4096×4096 像素）。（3）模型多邊形數量：約100萬個面片，確保了細節的準確表達。（4）文件大小：優化后的模型文件約50MB，便于網絡傳輸和展示。

敦煌莫高窟第45窟佛像和人頭形器口彩陶瓶的重建同樣成功，模型質量與銅奔馬相當。三維模型均保留了文物的關鍵特征，色彩還原度高，可以從任意角度觀察并進行虛擬交互。與 Yu 等人（2020）采用的FOTOMOULD系統相比，本研究基于攝影測量的方法操作更為簡便，成本更低，且處理時間更短。數字化技術能夠完整記錄文物的形態、紋飾和色彩信息，有效防正因環境和時間因素導致的破損，保障文物原貌的傳承。雖然在極細微結構的重建上精度略低，但總體重建質量滿足文物數字化保護和展示的需求。

3.2數字化技術對文物保護的價值

構建統一的信息管理平臺，實現文物身份的統一記錄與再現性，是現代博物館數字化管理的必由之路。通過甘肅省博物館文物的案例研究，清晰地看到數字化技術為文物保護工作帶來了多層次的價值。首先，三維重建技術實現了文物的無接觸式記錄，這種方式在保存文物完整信息的同時，最大限度地減少了對原件的物理干擾和潛在損害。傳統的文物研究通常需要多次操作和檢視原件，而數字模型的存在使研究者可以無限次、無限角度地觀察文物，實現了保護與研究需求的完美平衡。其次，三維重建為文物建立了預防性保護屏障。最后，數字模型在文物修復工作中發揮著輔助作用。通過對三維模型的分析，修復專家可以詳細評估文物的損傷狀況，制定精確的修復方案，減少在實際修復過程中對原件的試錯風險。三維重建開啟了文物研究的多維度視角。傳統的文物研究受限于物理條件和觀察角度，而數字模型可以從任意角度觀察分析，甚至可以進行虛擬剖面研究，這對于理解文物內部結構和制作工藝具有獨特價值。

3.3數字化技術對文物展示的拓展

數字化技術對文物展示的拓展不僅體現在形式上的創新，更深刻地改變了公眾與文化遺產互動的本質。通過交互元數據的引入，可以顯著提高虛擬修復的透明度，使數字化展示不再是簡單的三維重建，而是一個交互式、可驗證的過程8。

首先，三維數字化技術成功突破了傳統展覽的空間限制，使文物的觸達范圍從有限的實體展廳擴展到無邊界的數字世界。通過網絡平臺，甘肅省博物館的珍貴文物可以被全球各地的觀眾隨時訪問，無論是學術研究者還是對中國文化感興趣的國際公眾，都能便捷地接觸到這些歷史瑰寶。例如，將銅奔馬的三維模型上傳到Sketchfab平臺后，短期內就吸引了來自多個國家的數千次訪問，遠超實體展覽的覆蓋范圍。其次，數字化展示極大增強了觀眾的交互體驗。傳統展覽中，文物往往置于玻璃柜中，觀眾只能從有限角度遠距離觀看，與文物之間存在明顯的物理和心理隔閡。而在數字環境中，觀眾可以自由旋轉、縮放三維模型，從任意角度細致觀察文物的每一處細節。再次，數字技術催生了創新的展示形式。結合虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術，文物展示超越了靜態呈現的局限，轉向動態、沉浸式的文化體驗。在實驗中，嘗試將人頭形器口彩陶瓶的三維模型置于虛擬復原的新石器時代場景中，通過情境化展示，幫助觀眾理解文物的使用方式和文化背景。這種沉浸式體驗增強了文物的故事性和情感連接。最后，數字化展示實現了文物信息與相關知識的有機整合。在傳統展覽中，文物說明往往受限于展板空間，只能提供基本信息。而在數字平臺上，可以將文物模型與豐富的歷史背景、考古發現、專家解讀等內容相結合，構建多層次的知識網。

4討論

4.1 數字化技術應用的多元價值

數字化技術在博物館文物保護與展示中的應用，體現了保護性、教育性和傳播性的多元價值[%]。從文物保護角度，它提供了非接觸式的記錄方法，減少了實體操作對文物的潛在損害；從教育角度，它創造了更直觀、互動的學習體驗，增強了觀眾對文化遺產的理解；從傳播角度，它突破了時空限制，擴大了文物的影響力和可及性。與傳統的文物管理方式相比，數字化技術帶來了工作流程的變革。傳統博物館主要關注實體文物的收藏、保管和展示，工作重心在物理空間；而數字化轉型后，博物館的工作擴展到虛擬空間，包括數字資產管理、在線展示、用戶交互等新領域。這要求博物館工作人員具備跨學科知識和技能。

4.2數字化技術應用的辯證思考

從博物館功能轉變的視角看，過度依賴數字化展示可能導致實體博物館功能的弱化。研究表明，數字化體驗與實體參觀是既互補又競爭的關系。在歐洲部分地區的博物館實踐中，精美的線上展示確實拓展了受眾群體，但同時也減少了部分觀眾的實地參觀意愿。技術資源不平等問題同樣值得關注。本研究雖然證明了三維重建技術的價值，但必須承認，這套解決方案在中國各地區博物館的適用性存在顯著差異。一線城市大型博物館與基層文博機構之間的數字鴻溝不容忽視。一些博物館可能面臨設備匱乏、專業人才不足、維護成本高等實際困境。這種數字不平等可能導致文化資源在數字空間中的重新集中，與文化普惠的初衷相悖。長期保存問題構成另一重挑戰，與實物文物相比，數字資產面臨媒介老化、格式過時和技術更迭的特殊風險。

4.3 實踐啟示與發展趨勢

基于甘肅省博物館文物數字化的實踐經驗，得出了一系列關于技術應用與實施策略的實踐啟示。在技術選擇方面，博物館需要根據文物的類型、保存狀況和展示需求，有針對性地選擇適合的數字化技術路徑。對于形態復雜、表面細節豐富的文物，如銅奔馬，高精度的三維掃描能夠精確捕捉其動態姿態和表面紋理；而對于敦煌莫高窟佛像這類脆弱且不易移動的文物，基于攝影測量的三維重建方法則提供了更為靈活、低干擾的解決方案。在數據管理與共享機制方面，建立標準化的數字資產管理流程至關重要。從本研究的經驗看，完善的元數據體系是確保數字資產長期可用的基礎。這包括對采集環境、技術參數、處理方法和版本歷史的詳細記錄，以保證數據的可溯源性和科學性。同時，適當的數據共享機制能夠促進學術交流和公眾參與，擴大文物數字化的社會影響。博物館可以考慮分層次的數據共享策略：高精度原始數據主要用于專業研究和保護，而適當優化后的模型則可以面向公眾開放，在保護知識產權的同時最大化社會價值。甘肅省博物館的實踐表明，與教育機構、研究單位和文化平臺的合作共享，能夠顯著擴大文物數字資源的應用范圍和影響力。

在展示形式整合方面，未來的博物館展示應該超越線上與線下的二元對立，構建融合互補的混合展示生態。數字化展示不應簡單替代傳統展覽，而應與之形成互補關系，各自發揮所長。例如，在實體展廳中設置互動屏幕，讓觀眾在欣賞實物的同時，通過數字模型了解更多細節；或者通過移動應用提供增強現實體驗，在參觀過程中疊加虛擬信息層，豐富觀展體驗。這種“實虛結合\"的展示模式能夠融合實體文物的真實感與數字內容的豐富性，創造更為全面和深入的文化體驗。

展望未來，以攝影測量法為例，未來AI輔助的照片處理和三維重建技術有望將處理時間從數小時縮短至數分鐘，同時提高模型質量和細節還原度。跨媒體整合將成為趨勢，文物的數字檔案將從單一的三維模型發展為包含視覺、聲音、觸覺等多感官信息的全息數字資產。全球文化遺產數字網絡的構建將促進跨文化交流與合作。隨著數字化標準的統一和技術壁壘的降低，世界各地的文化遺產將逐漸形成互聯互通的數字網絡，使研究者和公眾能夠跨越地域限制，全面了解人類共同的文化財富。總之，文物數字化不僅是技術應用的過程，還是博物館功能拓展和文化傳播創新的重要路徑。通過科學的技術選擇、完善的數據管理、創新的展示整合和前瞻性的發展規劃，博物館能夠充分釋放數字化技術的潛力，在保護文化遺產的同時，創造更具吸引力和影響力的文化體驗，實現傳統與創新的有機統一。

5 結束語

本研究通過甘肅省博物館三件文物的三維重建實驗，系統探討了數字化技術在博物館文物保護與展示中的應用價值與方法。研究表明，基于攝影測量的三維重建技術為文物保護提供了安全、高效的解決方案，同時極大拓展了文物展示的方式和范圍。

文物影像信息采集為博物館的信息化管理、數字化保護和展示提供了最為直觀、可靠的原始圖像信息，是數字博物館建設的基石。數字化技術不僅能夠精確記錄文物信息，為文物的修復、研究和教育提供基礎數據，還能創造沉浸式、互動性的文化體驗，吸引更廣泛的受眾。雖然在技術實施和長期保存方面仍面臨挑戰，但隨著技術的進步和跨學科合作的深入，這些問題有望逐步解決。博物館作為文化遺產的守護者，應積極擁抱數字化轉型，將傳統與創新相結合，構建多元、開放的文化傳播平臺。通過數字化技術的合理應用，不僅能夠更好地保護文物本身，還能讓文物煥發新的生命力，在當代社會發揮更大的教育和文化價值。未來研究應進一步探索數字技術與文物展示的創新融合，關注用戶體驗評估和效果反饋，建立數字文化遺產保護的標準體系和倫理框架，推動博物館數字化工作的規范化和可持續發展。

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