三維數字讓文物活了

【編者按】

5月18日是世界博物館日。為此，本欄目邀請業內專家撰寫了三維數字技術在博物館中的應用?，F在的博物館更注重參觀者的用戶體驗，無論是復原文物、展覽文物還是網上瀏覽，應用了三維數字技術之后，可讓參觀者在互動的過程中，感受到文物的魅力。

作為一項最新的前沿技術，三維數字技術也可應用于博物館，并在博物館的展覽、展示、科學研究、社會教育等方面發揮著革命性的作用。

博物館作為社會文化的特殊載體，會充分利用數字技術整合文物、文化資源以及結合科學研究，最大限度地發揮服務社會的職能。這是博物館順應時代潮流，拓展博物館未來發展空間的必然舉措。

虛擬中復原

近年來，越來越多的數字化技術應用到博物館中，如故宮博物院與日本凸版印刷株式會社合作的“數字故宮”項目、浙江大學開發的敦煌石窟虛擬漫游與壁畫復原系統、秦兵馬俑博物館與西安四維航測遙感中心合作的“秦俑博物館二號坑遺址三維數字建模”項目等。這些項目的共同之處就在于它們都使用了一個核心技術——三維數字技術。三維技術對于文物的展示有著比傳統照相技術更直觀的特點，而三維掃描也具有傳統人工測繪無法比擬的優勢。因此，該技術最早被應用于大型遺址或者建筑的測繪與展示項目中。

傳統博物館理論將保管、展示、社會教育作為博物館最基本的三大職能，其中保管既包括文物安全，也包括文物保護和科學研究。文物修復的研究工作是建立在科學的文物保護分析和文物修復理論基礎上開展的。文物是不可再生的，但也不能是永生的，文物保護的最終目的是運用現代技術最大程度地維持文物的狀態，無限延長其壽命。對于文物保護分析的研究，最主要的一個任務就是在最小干預的前提下要盡可能多地獲取文物包含的原始信息，在這點上，三維掃描數字建模的意義是非常廣泛的，且具有巨大潛力。

由于三維激光掃描技術具有非接觸式測量、掃描速度快、點位和精度分布均勻等特點，在工藝精細、形狀復雜的單件文物保護領域也有很多應用和成功案例。國外最為著名的有斯坦福大學的“米開朗基羅項目”，該項目將包括著名的大衛雕像在內的10座雕塑數字化，其中大衛雕像模型包括2億個面片和7000幅彩色照片。

參觀者通過觸摸屏了解文物。

首都博物館的網上展覽頁面。

三維激光在文物保護研究的重要意義如下。

在器物描述中發揮作用

器物描述是文物保護分析和修復的第一步。三維掃描得來的數據是文物最原始的精確尺寸數據，在圖像中可以測量器物任意位置的長度、面積，并且可全方位地了解器物形貌特征。這不僅是傳統照相及繪圖技術無法實現的，而且對原器物不會造成二次破壞。同時，對于文物病害的展示，也是最直觀的方式。

對文物復制的幫助

在傳統方法中，文物的復制往往是在原器物上進行翻模，這在一定程度上對器物的表面造成危害，特別是一些脆弱的器物容易在翻模過程中發生無法彌補的損失。而應用三維激光掃描技術，可以在非接觸狀態下為文物建立數字模型，并通過成型技術得到高精度的復制品，這樣大大簡化了文物復制的程序，而且最重要的是不會對文物進行任何破壞。

文物虛擬修復試驗

利用三維處理軟件對已建模的器物數據進行模擬修復，可以預覽修復完成的形貌，這對文物修復方案的制定實施具有指導作用。同時，模擬修復還可以避免由于實際修復操作過程中反復比對、拼接對文物造成的二次破壞。例如破碎瓷器的修復，可以預先經過建立碎片的三維模型，利用計算機進行拼接復原，還可以對缺失部分進行模擬修補，恢復器物原始形貌。當然，這些操作要建立在計算機輔助系統和大量識別算法的基礎上，目前還處在研究階段。

博物館創新性地將三維掃描技術應用在文物復原領域，是三維掃描技術應用推廣的一項突破。三維掃描技術的應用，不僅對文物保護和文物修復工作有重大意義，也為博物館的展示方式開辟了新的領域，為博物館發揮社會教育職能起了積極的推動作用。

全方位展覽

當前，不論是國內還是國外的博物館，所面臨的最大挑戰就是采用何種方式來普及傳播博物館知識、文化，同時又讓受眾體會到樂趣和觀賞價值。大部分參觀者，尤其是本應作為博物館核心參觀者的年輕人，對博物館慣常沉悶的表現方式感到厭倦。同時，如今的展覽已經不是傳統意義上的展覽了，它是一個立體的、全方位的展示，要從不同層面與角度展示主題，運用多樣的展示手段和方法，深化展覽主題。但是，一些珍貴文物出于安全和保存條件的限制，不允許參觀者從任意角度觀摩實物。因此，很多博物館在面對以上問題時，采用了多媒體的表現方式。對比其他多媒體技術，三維數字技術在文物展示方面具有很多優勢。

首先，如同在文物保護研究中一樣，運用三維激光掃描技術可以將文物的尺寸最為精確地記錄下來，并通過模型優化、紋理匹配等技術手段將文物逼真再現; 同時，可以多角度、高清晰地展示參觀者在展柜旁無法觀賞的任意角度和精度的文物細節; 其次，這種方式為非接觸式的，對文物保護具有重要意義。

精品文物的展示能吸引普通觀眾的興趣，但由于陳列手段的限制，許多展品只能觀賞器物的一面，不能看到全部，特別是器物的底部和細節部分。因此，利用先進的三維掃描技術和單位建模技術，把部分文物進行完全復原，這樣不僅可以讓觀眾在屏幕上自由欣賞文物，任意旋轉文物從各個角度欣賞，還可以放大文物觀看細節; 在豐富展覽形式和內容的同時，更大程度地滿足了觀眾的求知欲和好奇心，豐富了觀眾參與的互動項目。

文物高精度三維展示項目，需要對所展示的文物進行三維掃描、數字建模、紋理匹配、藝術加工等多道程序。文物復原的精度和質量，直接決定了最終的展示效果。

但幾個技術難題需要解決如下。

模型優化

文物模型的高精度、高準確度與程序、機器設備、制作速度的承受能力的矛盾決定了模型優化具有較高的復雜度和技巧性。

復雜的雙曲面文物模型對貼圖匹配有較高的要求，需要對模型網格進行良好的優化。這種優化雖然耗費時間，但會極大提高后期制作的速度和品質。

在制作中需要將百萬面甚至幾百萬面精度的原始模型進行優化，要保障程序的承受能力，同時又要保證有足夠的細節。

紋理匹配

在虛擬現實器物制作中，雙曲面模型難度最大，貼圖與模型的映射關系也最為復雜。紋理匹配是工作中最為復雜和繁瑣的工序，佛、玉石、陶瓷、青銅這些文物幾乎都是這類模型，要保證高品質的展示效果，以人類當前自動貼圖匹配技術是達不到的，這樣就需要技術嫻熟且對文物熟知的工作人員手動完成制作。

文物的高還原性決定了紋理匹配的難度，在色彩和紋理校正、無縫拼接方面需要投入更多的精力。

藝術性

文物的準確性和藝術性對制作也提出了很高的專業要求，在質感、布光、視覺表達方面同樣需要投入更多的精力。不同質感的文物需要不同的布光設置、反射環境、實時渲染設置。

經過技術制作和藝術加工的文物精品高精度三維展示作品，以觸摸屏為載體，被設計在博物館展覽的展線中，它不僅是對實體文物展的一個有益補充，也為博物館觀眾帶來了全新體驗?，F在觀眾可以在首都博物館的文物精品展廳里，通過觸摸屏輕松地瀏覽文物的各個角度、充分欣賞文物局部、仔細觀看文物表面的紋理。

一件件文物精美絕倫，它展現了前人高超的技藝，凝聚了古人卓越的智慧，雖然飽經風霜，歷經時間的洗禮，但經過博物館能工巧匠之手，將其修復成原樣，并重現昔日光芒。如今，我們又用現代化的技術手段將其虛擬展現，不僅是給現場的觀眾一個近距離接觸和觀賞的機會，也可以通過互聯網將其拓展到更為廣泛的地區，讓更多的人受益。

網絡互動展示

雖然通過各種技術手段對文物信息、展覽現場的數字化展示方式不能取代實體博物館，但互聯網打破時間、空間的局限實現更廣泛的宣傳和公眾教育，是實體博物館無法比擬的。

首都博物館率先在互聯網上推出文物三維展示體驗欄目，這在國內文物展覽展示領域是一次創新的嘗試，為該領域開辟了一個新的發展思路。

網絡展示手段多種多樣，相對于其他多媒體技術，三維數字技術對于文物的表現力更為逼真。技術人員通過對博物館展線上的文物高精度三維展示節目進行技術加工，使其適合網絡環境，便于觀眾在互聯網上用普通電腦觀看，讓不能親臨博物館現場的觀眾，同樣有機會領略博物館的藝術珍品。

此外，以三維數字技術為核心的虛擬現實，可以從展品拓展為展覽場景的展示，讓互聯網上的觀眾也有身臨其境之感。如此一來，觀眾就可以使用家用PC機登錄博物館網站的虛擬現實頻道，進入虛擬空間進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。

虛擬現實技術是一種與以往不同的人機界面形式，這種模擬，通過視覺、聽覺、動感等若干通道，進行人機交互，為用戶提供最佳的人機通信方式，給用戶提供了一種身臨其境的體驗。目前的研究成果和發展趨勢表明，虛擬現實將成為繼網絡之后，對未來信息社會產生重要影響，并最終改變人類的工作、學習和生活的技術。近年來，虛擬現實技術越來越廣泛地應用于博物館的各種展示項目，并隨著網絡傳輸速度的加快和計算機硬件的進步，利用互聯網科技來呈現實體博物館展示內容，成為一種新的趨勢。

Web3D是在互聯網上應用的虛擬現實技術。目前，國內外有關Web3D構建的多用戶虛擬展覽館的研究主要分為兩個方面，即Web3D虛擬空間的開發和Web3D網絡服務平臺的構建。隨著技術的提升，應用層面也更為廣闊。國內外有很多利用Web3D開發的虛擬展覽館，如虛擬的網上世博會、虛擬愛爾蘭美術館、上博的虛擬青銅館、首博虛擬的長江文明展覽等等。

Web3D的虛擬現實展館為觀眾打開另一扇博物館大門。人們只需打開瀏覽器，即可直接徜徉其間，領略博物館的建筑風采，近距離觀賞文物展品。虛擬的博物館內還設有講解員，VIP客戶可在自己專屬的講解員引領下按最佳路線暢游博物館，并傾聽自己感興趣的每件文物的詳細講解，體驗自主式的游覽。

網絡三維實時交互技術的特點如下。

擬真性

觀眾與虛擬環境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。當訪問者移動鼠標時，虛擬環境中的圖像也實時跟隨變化，而且還可以聽到三維仿真聲音。觀眾在虛擬環境中，一切感知都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。

交互性

系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，觀眾利用電腦鍵盤、鼠標進行操作，就能對虛擬環境中的對象進行考察、探索及發現。

便捷性

觀眾只要會使用瀏覽器打開網頁就可以瀏覽網上虛擬世界，操作簡單，上手容易。很多平臺都支持無限大場景，實時加卸載技術能夠保證瀏覽的永久流暢。觀眾可以通過視線切換、推拉鏡頭、超媒體鏈接等動作實現更多功能。

實用性

虛擬現實網上互動項目可以徹底打破空間的限制，大到宇宙天體，小至原子粒子，甚至可以進入這些物體的內部進行觀察; 還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，虛擬現實技術可以在很短的時間內呈現給觀眾，這為一些科技類博物館實施社會教育提供了有利條件。

虛擬現實技術可以虛擬歷史人物、名人等各種人物形象，創建一個人性化的瀏覽環境，使觀眾能夠在自然、親切的氣氛中進行瀏覽。如在虛擬的博物館大廳中，用戶可以與虛擬的講解員一起交流、討論、了解博物館內的各個展品內容。

分享性

多用戶虛擬現實即分布式虛擬現實，觀眾可以共同分享一個虛擬空間，一起體驗虛擬經歷，使虛擬用戶達到一個更高的境界。如此一來，在同一個區域內的觀眾之間也可以彼此交流溝通，暢談參觀感受。

博物館已經逐步意識到互聯網在發揮社會教育方面的具大優勢，并順應時代步伐加快虛擬現實博物館建設，三維文物數字化建設，采用多種技術手段實現網絡三維化，這項舉措將有助于文博行業推廣科普宣傳，讓更多的觀眾借助博物館這個平臺，學習、感受人類共同的文化遺產。這將成為中國甚至世界范圍內的博物館展示教育的里程碑。

鏈 接

三維數字技術的四大意義

三維數字技術的應用，讓古老的文物散發光芒，使新時期的博物館更具魅力。

1.該技術的應用，可以使博物館的展覽脫離實體展品，擺脫展品不足的束縛，方便傳播，拓展了博物館知識傳播的方式和手段;

2.該技術的應用，可以使傳播方式更為生動直觀，將很復雜的科學問題、歷史事件用數字技術手段加以再現，讓觀眾一目了然，便于理解;

3.三維數字技術的展示手段繁多，觀眾可以在寓教于樂中潛移默化地享受知識，讓更多的參觀者覺得有趣、好玩，從而拓寬了博物館社會教育的受眾;

4.視像展示方式對內容的傳播效果遠遠優于其他展示方式，這也使博物館應用多媒體數字技術成為一種趨勢。