提要：3D技術(shù)以其精度高、速度快以及無(wú)損等特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，逐漸成為文物測(cè)繪與數(shù)字化的重要手段。然而，在文物保護(hù)應(yīng)用中出現(xiàn)了人工干預(yù)高、成果不實(shí)用、數(shù)據(jù)利用率低等普遍問(wèn)題。基于3D技術(shù)在多項(xiàng)文物保護(hù)修復(fù)工程中的應(yīng)用實(shí)踐分析，認(rèn)為亟需建立相應(yīng)的工作流程及技術(shù)成果規(guī)范，內(nèi)容重點(diǎn)涉及精細(xì)化信息的認(rèn)知與采集、三維建模與質(zhì)量評(píng)估、多元數(shù)字化表達(dá)體系建立及文物保護(hù)專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)用深化等方面。

大足石刻寶頂山千手觀(guān)音造像修復(fù)前后對(duì)比（a 修復(fù)前）

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大足石刻寶頂山千手觀(guān)音造像修復(fù)前后對(duì)比（b 修復(fù)后）

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一、文物保護(hù)的3D技術(shù)需求

由于自然與人為因素的影響，文物不可避免地遭受破壞或消亡的威脅，人們借助各種科技手段對(duì)文物實(shí)施保護(hù)，其中，利用數(shù)字信息技術(shù)，進(jìn)行永久存檔、傳承記憶及相關(guān)研究，成為文物保護(hù)的重要方向。文物自身的特殊性決定了文物數(shù)字化保護(hù)工作的特殊需求，首先為滿(mǎn)足文物保護(hù)最小干預(yù)原則，要求盡量采取非接觸式的無(wú)損技術(shù)手段，其次，由于文物多具有復(fù)雜的立體形狀與空間結(jié)構(gòu)，部分不可移動(dòng)文物還處在異常復(fù)雜的環(huán)境之中，需要采用高新數(shù)字化信息技術(shù)。為此，3D技術(shù)成為文物數(shù)字化應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。目前，3D技術(shù)主要分為激光三維掃描及光柵掃描兩類(lèi)，其核心技術(shù)在于測(cè)距方式，一般而言，基于三角測(cè)量或相位測(cè)距方式的三維設(shè)備能獲得更高的精度，而基于時(shí)間飛行的設(shè)備能達(dá)到更遠(yuǎn)的測(cè)程。3D技術(shù)以其安全性高、精度高、效率高及成果形式豐富等優(yōu)勢(shì)，在文物保護(hù)工作中得到了廣泛應(yīng)用，主要包括：文物信息記錄與存檔[1-2]、考古制圖[3-4]、虛擬修復(fù)或復(fù)原[5-6]、文物保護(hù)工程輔助設(shè)計(jì)[7-8]、文物數(shù)字展示[9]、遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)[10]及其他應(yīng)用[11]。

然而，目前仍存在一些問(wèn)題亟待解決，如文物管理者難以進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估驗(yàn)收及把握合理的資金預(yù)算，文物保護(hù)專(zhuān)業(yè)人員難于制作或使用規(guī)范而實(shí)用的圖件，3D技術(shù)人員因缺乏文物理論知識(shí)而難以避免數(shù)據(jù)處理中不當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)。中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院通過(guò)近十年30余項(xiàng)文物保護(hù)工程應(yīng)用實(shí)踐表明，建立3D技術(shù)在文物保護(hù)應(yīng)用中的相關(guān)規(guī)范，搭建好文物保護(hù)專(zhuān)業(yè)人員與3D技術(shù)人員之間的橋梁，是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵[12]。

二、主要問(wèn)題分析

（一）文物三維數(shù)字化保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏及難點(diǎn)

據(jù)全國(guó)文物保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)文物行業(yè)數(shù)字化保護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)缺乏， 2016年以前，尚無(wú)一項(xiàng)文物數(shù)字化保護(hù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2016年列立了一系列針文物數(shù)字化保護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但未有3D的專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，至2017年才計(jì)劃列設(shè)了《石窟寺壁畫(huà)數(shù)字化勘察測(cè)繪技術(shù)規(guī)程》、《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)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

此類(lèi)文物標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研制的難點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：一是文物的豐富多樣性而又唯一性，如何從差異性中尋求共性具有較大難度；二是文物保護(hù)行業(yè)是多學(xué)科交叉介入，如何吸收不同行業(yè)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)為文物行業(yè)所用，難免需要求同存異的過(guò)程。

（二）文物三維數(shù)字化工作程序中多學(xué)科交叉性需求強(qiáng)

文物三維數(shù)字化一般包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、方案設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、成果應(yīng)用等主要工作環(huán)節(jié)，而在各個(gè)環(huán)節(jié)中均需要多學(xué)科人員的共同參與。其中：在現(xiàn)場(chǎng)踏勘工作中，除了解文物的基本形狀特點(diǎn)及環(huán)境外，更需要了解文物保護(hù)的具體需求、文物的相關(guān)歷史資料，以更合理的進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；在方案設(shè)計(jì)及外業(yè)數(shù)據(jù)采集階段，除了3D技術(shù)人員要盡可能優(yōu)化數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案外，同時(shí)要學(xué)習(xí)了解一些文物的基本知識(shí)，更需要文物專(zhuān)業(yè)人員在第一手原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查中發(fā)揮重要作用；在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果應(yīng)用環(huán)節(jié)，尤為強(qiáng)調(diào)多專(zhuān)業(yè)人員的共同介入，方能保證制作的圖件與模型能滿(mǎn)足文物保護(hù)應(yīng)用的切實(shí)需求。

三、應(yīng)對(duì)策略思考

基于上述問(wèn)題分析，就3D技術(shù)在文物保護(hù)應(yīng)用中的策略與主要研究方向進(jìn)行探討：

（一）文物信息精細(xì)化認(rèn)知與采集

有形物質(zhì)是文物信息的基本載體，主要包括外表形狀信息和表面紋理信息。如何保證外部幾何信息的精準(zhǔn)性及紋理信息的逼真性，成為文物信息精細(xì)化采集的首要目標(biāo)任務(wù)。但是在以測(cè)繪信息技術(shù)為主的數(shù)字化行業(yè)傳統(tǒng)上多聚焦于有形的“物”，對(duì)于無(wú)形的、而又蘊(yùn)含文物重要價(jià)值的“文”的理解往往有所欠缺，造成再高精的測(cè)繪技術(shù)也可能只是體現(xiàn)出文物的形貌而非神韻。因此，在實(shí)施數(shù)據(jù)采集前需要進(jìn)行基于文物價(jià)值認(rèn)知的空間分析，從而選擇更合理的采集方式。

在文物信息采集時(shí)，一方面，要注重文物數(shù)字化精度的選擇，需要通過(guò)前期采集試驗(yàn)，進(jìn)行設(shè)備比選，確定最佳精度和密度，盲目采用儀器進(jìn)行所謂的高精度采集往往會(huì)導(dǎo)致垃圾數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及海量數(shù)據(jù)處理的困難性。另一方面，文物數(shù)字化保護(hù)所指的信息范圍應(yīng)有所界定，廣義的文物數(shù)據(jù)信息還包括無(wú)損及無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)、本體及環(huán)境勘察數(shù)據(jù)、遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，在文物保護(hù)工作中，可結(jié)合常規(guī)數(shù)字化保護(hù)數(shù)據(jù)的不足及保護(hù)工作的需要，提取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為補(bǔ)充。

（二）三維建模與質(zhì)量評(píng)估

文物三維建模目前多依賴(lài)于Geomagic等成熟的專(zhuān)業(yè)軟件，技術(shù)上已鮮有突破，而更需要的是建立標(biāo)準(zhǔn)的建模工作流程，包括點(diǎn)云處理接、三維幾何建模及紋理貼圖等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中盡量避免因人工干預(yù)而造成的特征數(shù)據(jù)丟失，包括點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云拼接及點(diǎn)云除冗等主要環(huán)節(jié)。在三維空間幾何模型構(gòu)建中多采用三角網(wǎng)方式，與傳統(tǒng)方式建模有所區(qū)別的是，為突出文物局部細(xì)節(jié)，往往需要實(shí)施多尺度不同精度的建模。在彩色三維模型的構(gòu)建中注重特殊視角的選擇及邊界差異的消減。此外，在三維建模的各環(huán)節(jié)均需要實(shí)時(shí)評(píng)估質(zhì)量。

（三）多元數(shù)字化表達(dá)體系建立

傳統(tǒng)上對(duì)文物的描述為照片及文字方式，存在單一和抽象的問(wèn)題?；?D技術(shù)，極大地豐富了文物信息形式，但是需要結(jié)合文物工作者的慣例及常規(guī)平立剖面圖特點(diǎn)，形成基于3D的文物多元數(shù)字化表達(dá)體系。結(jié)合多種文物保護(hù)工程需求，文物多元數(shù)字化表達(dá)體系可歸為三大類(lèi)9小類(lèi)：

1、基礎(chǔ)模型類(lèi)：即三維幾何模型。該模型為根據(jù)處理過(guò)的點(diǎn)云直接構(gòu)建的未著色彩的三維模型，可用于展示及簡(jiǎn)單的尺寸量測(cè)，也是其他圖件模型的基礎(chǔ)。

2、基本描述類(lèi)：包括白模圖和正射影像圖兩類(lèi)。白模圖實(shí)為三維幾何模型不同視角的二維平面圖。正射影像圖是利用數(shù)字高程模型經(jīng)過(guò)逐像元進(jìn)行投影差改正、鑲嵌、剪裁而生產(chǎn)的影像，兼具影像和幾何信息，直觀(guān)而可直接量測(cè)，成為文物保護(hù)工程中最基本的一類(lèi)圖件，如在文物病害調(diào)查中可直接作為底圖進(jìn)行病害標(biāo)注和面積統(tǒng)計(jì)等。

3、專(zhuān)題表達(dá)類(lèi)：主要包括特征線(xiàn)劃圖、剖面圖、等值線(xiàn)圖、骨架線(xiàn)圖、透視圖、展開(kāi)圖等7類(lèi)。特征線(xiàn)劃圖是體現(xiàn)文物形態(tài)特征的一類(lèi)重要圖件，如考古線(xiàn)圖。剖面圖是通過(guò)對(duì)圖形按照一定剖切方向所展示的內(nèi)部構(gòu)造圖示，包括全剖、半剖及階梯剖圖等，是文物保護(hù)工程中進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)所需要的重要圖件。等值線(xiàn)圖是是用數(shù)值相等各點(diǎn)聯(lián)成的曲線(xiàn)（即等值線(xiàn)）在平面上的投影來(lái)表示被攝物體的外形和大小的圖，可用于工程設(shè)計(jì)或雕刻復(fù)制。骨架線(xiàn)圖是用與原形狀連通性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相一致的細(xì)曲線(xiàn)作為理想表達(dá)的一種對(duì)象表示，是對(duì)文物特征的一種抽象描述。透視圖是在人與文物之間設(shè)立一透明的鉛錘面作為投影面，人的視線(xiàn)透過(guò)投影面而與投影面相交所得的圖形。展開(kāi)圖是在文物表面沿一條特定的線(xiàn)切開(kāi)后鋪平成平面圖形，可用于文物修復(fù)設(shè)計(jì)中的對(duì)比研究或展示。

（四）文物保護(hù)專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)用深化

文物保護(hù)工作范圍十分廣泛，在具體的文物保護(hù)專(zhuān)項(xiàng)中需要結(jié)合特殊需求對(duì)3D基礎(chǔ)成果作進(jìn)一步加工。在文物修復(fù)前，為避免不當(dāng)?shù)男迯?fù)，可結(jié)合原始文物3D模型圖件及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)，并借助VR/AR等技術(shù)，提供若干虛擬修復(fù)效果，供專(zhuān)家比選以確定更合理的修復(fù)方案。在文物數(shù)字展示中，可將3D成果作為基本素材或進(jìn)一步加工，豐富展示內(nèi)容。在遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)中，可將不同時(shí)間的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，達(dá)到全方位的立體監(jiān)測(cè)。為加強(qiáng)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)，可在三維模型中添加數(shù)字水印。為便于三維數(shù)據(jù)成果的管理與使用，可建立三維可視化系統(tǒng)平臺(tái)。

3D技術(shù)的詳細(xì)應(yīng)用案例，

請(qǐng)留意后續(xù)內(nèi)容……

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撰文：吳育華，許東

圖片：吳育華

編校：劉葳

審核：彭蕾