3D技术在文物保护应用中的若干问题与对策探究（上）

提要：3D技术以其精度高、速度快以及无损等特点优势，逐渐成为文物测绘与数字化的重要手段。然而，在文物保护应用中出现了人工干预高、成果不实用、数据利用率低等普遍问题。基于3D技术在多项文物保护修复工程中的应用实践分析，认为亟需建立相应的工作流程及技术成果规范，内容重点涉及精细化信息的认知与采集、三维建模与质量评估、多元数字化表达体系建立及文物保护专项应用深化等方面。

大足石刻宝顶山千手观音造像修复前后对比（a 修复前）

详细见后文

大足石刻宝顶山千手观音造像修复前后对比（b 修复后）

详细见后文

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一、文物保护的3D技术需求

由于自然与人为因素的影响，文物不可避免地遭受破坏或消亡的威胁，人们借助各种科技手段对文物实施保护，其中，利用数字信息技术，进行永久存档、传承记忆及相关研究，成为文物保护的重要方向。文物自身的特殊性决定了文物数字化保护工作的特殊需求，首先为满足文物保护最小干预原则，要求尽量采取非接触式的无损技术手段，其次，由于文物多具有复杂的立体形状与空间结构，部分不可移动文物还处在异常复杂的环境之中，需要采用高新数字化信息技术。为此，3D技术成为文物数字化应用研究的热点。目前，3D技术主要分为激光三维扫描及光栅扫描两类，其核心技术在于测距方式，一般而言，基于三角测量或相位测距方式的三维设备能获得更高的精度，而基于时间飞行的设备能达到更远的测程。3D技术以其安全性高、精度高、效率高及成果形式丰富等优势，在文物保护工作中得到了广泛应用，主要包括：文物信息记录与存档[1-2]、考古制图[3-4]、虚拟修复或复原[5-6]、文物保护工程辅助设计[7-8]、文物数字展示[9]、遗产监测[10]及其他应用[11]。

然而，目前仍存在一些问题亟待解决，如文物管理者难以进行质量评估验收及把握合理的资金预算，文物保护专业人员难于制作或使用规范而实用的图件，3D技术人员因缺乏文物理论知识而难以避免数据处理中不当的人工干预。中国文化遗产研究院通过近十年30余项文物保护工程应用实践表明，建立3D技术在文物保护应用中的相关规范，搭建好文物保护专业人员与3D技术人员之间的桥梁，是解决上述问题的关键[12]。

二、主要问题分析

（一）文物三维数字化保护标准规范缺乏及难点

据全国文物保护标准化项目统计调查，发现文物行业数字化保护相关标准相对缺乏， 2016年以前，尚无一项文物数字化保护的行业标准，2016年列立了一系列针文物数字化保护相关标准，但未有3D的专项标准，至2017年才计划列设了《石窟寺壁画数字化勘察测绘技术规程》、《馆藏文物数字化三维模型重建与质量评价》两项行业标准。

此类文物标准规范研制的难点主要有两点：一是文物的丰富多样性而又唯一性，如何从差异性中寻求共性具有较大难度；二是文物保护行业是多学科交叉介入，如何吸收不同行业中的相关标准的优点为文物行业所用，难免需要求同存异的过程。

（二）文物三维数字化工作程序中多学科交叉性需求强

文物三维数字化一般包括现场踏勘、方案设计、外业数据采集、内业数据处理、成果应用等主要工作环节，而在各个环节中均需要多学科人员的共同参与。其中：在现场踏勘工作中，除了解文物的基本形状特点及环境外，更需要了解文物保护的具体需求、文物的相关历史资料，以更合理的进行方案设计；在方案设计及外业数据采集阶段，除了3D技术人员要尽可能优化数据采集技术方案外，同时要学习了解一些文物的基本知识，更需要文物专业人员在第一手原始数据的质量检查中发挥重要作用；在内业数据处理及成果应用环节，尤为强调多专业人员的共同介入，方能保证制作的图件与模型能满足文物保护应用的切实需求。

三、应对策略思考

基于上述问题分析，就3D技术在文物保护应用中的策略与主要研究方向进行探讨：

（一）文物信息精细化认知与采集

有形物质是文物信息的基本载体，主要包括外表形状信息和表面纹理信息。如何保证外部几何信息的精准性及纹理信息的逼真性，成为文物信息精细化采集的首要目标任务。但是在以测绘信息技术为主的数字化行业传统上多聚焦于有形的“物”，对于无形的、而又蕴含文物重要价值的“文”的理解往往有所欠缺，造成再高精的测绘技术也可能只是体现出文物的形貌而非神韵。因此，在实施数据采集前需要进行基于文物价值认知的空间分析，从而选择更合理的采集方式。

在文物信息采集时，一方面，要注重文物数字化精度的选择，需要通过前期采集试验，进行设备比选，确定最佳精度和密度，盲目采用仪器进行所谓的高精度采集往往会导致垃圾数据的产生及海量数据处理的困难性。另一方面，文物数字化保护所指的信息范围应有所界定，广义的文物数据信息还包括无损及无损检测数据、本体及环境勘察数据、遗产监测数据等，在文物保护工作中，可结合常规数字化保护数据的不足及保护工作的需要，提取部分数据作为补充。

（二）三维建模与质量评估

文物三维建模目前多依赖于Geomagic等成熟的专业软件，技术上已鲜有突破，而更需要的是建立标准的建模工作流程，包括点云处理接、三维几何建模及纹理贴图等关键环节。在点云数据处理中尽量避免因人工干预而造成的特征数据丢失，包括点云预处理、点云拼接及点云除冗等主要环节。在三维空间几何模型构建中多采用三角网方式，与传统方式建模有所区别的是，为突出文物局部细节，往往需要实施多尺度不同精度的建模。在彩色三维模型的构建中注重特殊视角的选择及边界差异的消减。此外，在三维建模的各环节均需要实时评估质量。

（三）多元数字化表达体系建立

传统上对文物的描述为照片及文字方式，存在单一和抽象的问题。基于3D技术，极大地丰富了文物信息形式，但是需要结合文物工作者的惯例及常规平立剖面图特点，形成基于3D的文物多元数字化表达体系。结合多种文物保护工程需求，文物多元数字化表达体系可归为三大类9小类：

1、基础模型类：即三维几何模型。该模型为根据处理过的点云直接构建的未着色彩的三维模型，可用于展示及简单的尺寸量测，也是其他图件模型的基础。

2、基本描述类：包括白模图和正射影像图两类。白模图实为三维几何模型不同视角的二维平面图。正射影像图是利用数字高程模型经过逐像元进行投影差改正、镶嵌、剪裁而生产的影像，兼具影像和几何信息，直观而可直接量测，成为文物保护工程中最基本的一类图件，如在文物病害调查中可直接作为底图进行病害标注和面积统计等。

3、专题表达类：主要包括特征线划图、剖面图、等值线图、骨架线图、透视图、展开图等7类。特征线划图是体现文物形态特征的一类重要图件，如考古线图。剖面图是通过对图形按照一定剖切方向所展示的内部构造图示，包括全剖、半剖及阶梯剖图等，是文物保护工程中进行详细设计时所需要的重要图件。等值线图是是用数值相等各点联成的曲线（即等值线）在平面上的投影来表示被摄物体的外形和大小的图，可用于工程设计或雕刻复制。骨架线图是用与原形状连通性和拓扑结构相一致的细曲线作为理想表达的一种对象表示，是对文物特征的一种抽象描述。透视图是在人与文物之间设立一透明的铅锤面作为投影面，人的视线透过投影面而与投影面相交所得的图形。展开图是在文物表面沿一条特定的线切开后铺平成平面图形，可用于文物修复设计中的对比研究或展示。

（四）文物保护专项应用深化

文物保护工作范围十分广泛，在具体的文物保护专项中需要结合特殊需求对3D基础成果作进一步加工。在文物修复前，为避免不当的修复，可结合原始文物3D模型图件及相关数据进行修补，并借助VR/AR等技术，提供若干虚拟修复效果，供专家比选以确定更合理的修复方案。在文物数字展示中，可将3D成果作为基本素材或进一步加工，丰富展示内容。在遗产监测中，可将不同时间的三维数据进行对比分析，达到全方位的立体监测。为加强数字产品的版权保护，可在三维模型中添加数字水印。为便于三维数据成果的管理与使用，可建立三维可视化系统平台。

3D技术的详细应用案例，

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参考文献

[1] 王恒. 云冈石窟测绘方法的新尝试—三维激光扫描技术在石窟测绘中的应用[J]. 文物，2011，01：81-87.

[2] 蔡广杰. 三维激光扫描技术在西藏壁画保护中的应用[D]. 北京：首都师范大学，2009.

[3] 陈鑫，程虎伟. 三维激光扫描技术在田野考古中的应用—以黎城金代砖石墓为例[J]. 文物世界，2012，06:67-69.

[4] 谭登峰，张亮，赵川，等. 三维激光扫描仪在四川石窟寺考古测绘中的运用与思考[J]. 石窟寺研究，2013， 334-342.

[5] 吴育华，胡云岗. 试论数据采集与虚拟修复在大足石刻修复中的应用[J]. 中国文物科学研究，2013，03:33-36.

[6] 侯妙乐，吴育华，胡云岗，等.石质文物三维信息留取技术及应用[M]. 北京：中国大地出版社，2015：71-89.

[7] 汤羽扬，杜博怡，丁延辉. 三维激光扫描数据在文物建筑保护中应用的探讨[J]. 北京建筑工程学院学报，2011，04:1-6+36.

[8] 杨蔚青，李永强，王阁，白丁. 三维激光扫描技术在土遗址保护中的应用—以隋唐洛阳城定鼎门遗址唐代道路遗址保护为例[J]. 中原文物，2012，04:98-101.

[9] 张序，李兆堃，袁铭，等. 苏州虎丘塔三维数字化表达研究与应用[J]. 测绘通报，2012，12:51-53.

[10] 黄兵，侯妙乐，胡云岗. 基于三维激光扫描技术的出水文物形态监测[J].北京建筑大学学报，2017,33（1）：43-48.

[11] 薛晓轩. 基于三维激光扫描的文物保护管理系统的建立[J]. 测绘与空间地理信息，2014，02:99-101+105

[12] 吴育华，胡云岗，张玉敏. 大足石刻大佛湾文物三维扫描及保护应用[M]. 北京：文物出版社，2017.

撰文：吴育华，许东

图片：吴育华

编校：刘葳

审核：彭蕾