三維掃描技術(shù)在牙骨角器藏品數(shù)字化中的應(yīng)用

張楠　靳旭　宋苑

摘要：三維掃描技術(shù)是一門(mén)新興的立體測(cè)量技術(shù)。麋鹿苑運(yùn)用三維掃描技術(shù)初步完成了對(duì)館藏鹿角藏品的數(shù)據(jù)采集、加工工作。三維掃描技術(shù)與鹿角藏品的結(jié)合對(duì)糜鹿苑的科研、科普、旅游產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以及未來(lái)鹿角比對(duì)系統(tǒng)的研發(fā)工作產(chǎn)生了積極的影響。

關(guān)鍵詞：博物館 三維掃描 鹿角 藏品 三維模型

中圖分類號(hào)：J05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）04（a）-0016-02

三維掃描技術(shù)是一門(mén)新興的立體測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)以激光或結(jié)構(gòu)光為測(cè)量媒介，能夠快速采集物體表面的三維坐標(biāo)信息，獲得完整的原始測(cè)繪數(shù)據(jù)，并高精度地重建掃描實(shí)物。目前，三維掃描技術(shù)已在虛擬現(xiàn)實(shí)、建筑設(shè)計(jì)、能源化工、考古發(fā)掘等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。這一技術(shù)具有精度高、速度快、數(shù)據(jù)通用性強(qiáng)、節(jié)約時(shí)間和成本等特點(diǎn)，且不會(huì)造成測(cè)量物表面的變形和損傷。因此，近年來(lái)，我國(guó)已有部分博物館采用三維掃描技術(shù)對(duì)易受損壞的藏品進(jìn)行數(shù)字化處理。

在博物館中，牙骨角器是一類較為常見(jiàn)且易受損壞的藏品。以鹿角藏品為例：鹿角的主要成分是碳酸鈣，表面極易受到酸的侵蝕。在鹿角藏品的鑒別、研究、布展等過(guò)程中，往往需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量、拿取和搬運(yùn)。鹿角長(zhǎng)期暴露于空氣中，或觸碰到手部油脂，會(huì)增加其遭到污染、酸化的風(fēng)險(xiǎn)，容易造成珍貴標(biāo)本、文物的損耗和損壞。與此同時(shí)，部分鹿角枝權(quán)繁多，三維形態(tài)復(fù)雜，傳統(tǒng)的陳列方式很難充分傳達(dá)藏品蘊(yùn)含的全部信息。因而，如何將新技術(shù)與博物館展示方式緊密結(jié)合，提高藏品的數(shù)字化程度，增加其知識(shí)含量與互動(dòng)性，已成為博物館發(fā)展中需要探索和思考的問(wèn)題。該文僅以北京南海子麋鹿苑博物館為例，探究三維掃描技術(shù)在鹿角藏品數(shù)字化工作中的應(yīng)用及成效。

1.麋鹿苑博物館的概況

北京南海子麋鹿苑博物館，又名北京麇鹿生態(tài)實(shí)驗(yàn)中心，是一所以麋鹿研究、生物多樣性保護(hù)為主旨的科研、科普性事業(yè)單位。它坐落于北京城區(qū)東南方約10km處，占地面積約55 hm²。作為北京第一批免費(fèi)向市民開(kāi)放的戶外生態(tài)博物館，北京南海子麋鹿苑博物館（簡(jiǎn)稱麋鹿苑）在傳播科學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)青少年認(rèn)識(shí)自然、探索自然等方面發(fā)揮著重要的作用。

自1985年成立以來(lái)，麋鹿苑常年致力于麋鹿及鹿角相關(guān)課題的研究。目前，館內(nèi)收藏有各類鹿角標(biāo)本、亞化石、古代文物近萬(wàn)件，涉獵鹿類包括麋鹿、馬鹿、水鹿、梅花鹿、西伯利亞狍等多個(gè)物種。龐大的鹿角藏品數(shù)量一方面為物種甄別、形態(tài)研究等科研工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，另一方面，對(duì)藏品展示、數(shù)據(jù)管理、藏品歸類、博物館數(shù)字化、藏品保存等工作提出了更高的要求。

2015年，麋鹿苑運(yùn)用三維掃描技術(shù)對(duì)館藏的約50件鹿角藏品進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和加工工作。三維掃描技術(shù)的應(yīng)用對(duì)麋鹿苑的科研、科普等工作產(chǎn)生了積極的影響。

2.鹿角藏品的數(shù)據(jù)采集步驟

藏品選取階段，從麋鹿苑館藏的鹿角藏品中篩選出不同年齡段、不同鹿種，具有代表性和特殊性的鹿角，并對(duì)藏品進(jìn)行物種鑒別，清潔、人工測(cè)量和備案登記。選取的鹿角物種具有多樣性，包括麋鹿、馬鹿、梅花鹿、狍子、白唇鹿等。

二維數(shù)據(jù)采集階段，考慮到鹿角的形態(tài)復(fù)雜，在安全性方面具有特殊要求，藏品由專業(yè)人員負(fù)責(zé)搬運(yùn)，并根據(jù)不同藏品的外觀形狀、保存狀況、應(yīng)用要求等因素配置燈光，調(diào)整拍攝方案，從多個(gè)角度進(jìn)行攝影。攝影后，針對(duì)未來(lái)不同應(yīng)用方式的圖片進(jìn)行不同的圖像處理、格式轉(zhuǎn)換和保存管理。后期處理以圖片需要為依據(jù)，進(jìn)行包括糾偏、去噪、調(diào)整量度、對(duì)比度、裁剪、合成等方面的調(diào)整和輸出。二維原始數(shù)據(jù)按照RAW格式保存，分辨率300 dpi以上（見(jiàn)圖1）。

三維數(shù)據(jù)采集階段，通過(guò)三維白光掃描儀，以結(jié)構(gòu)光源投影到藏品表面，將物體的表面形狀轉(zhuǎn)換成幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)除噪聲點(diǎn)，數(shù)據(jù)插補(bǔ)，數(shù)據(jù)光順，點(diǎn)云拼接等后期處理，投入數(shù)據(jù)的深度處理及建模。即在點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)于海量的復(fù)雜點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)分割、提取特征值，并根據(jù)數(shù)據(jù)各面片的特征分別進(jìn)行曲面擬合。通過(guò)在面片間求交、拼接和匹配，使之成為連續(xù)光順的曲面，獲得藏品的三維模型。此后，經(jīng)過(guò)結(jié)合此前采集的藏品二維數(shù)據(jù)，對(duì)三維模型進(jìn)行紋理映射、紋理合成、表面著色等方法，給模型表面賦予顏色、光澤度和透明度等屬性值，生成具有真實(shí)感的三維物體。根據(jù)后續(xù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的要求，三維數(shù)據(jù)保存為STL、OBJ和DXF等格式，可以進(jìn)行翻轉(zhuǎn)縮放預(yù)覽（見(jiàn)圖2～圖6）。

3.三維掃描技術(shù)的應(yīng)用意義

麋鹿苑鹿角藏品的三維數(shù)據(jù)采集對(duì)藏品的研究、保護(hù)、展覽、宣傳及博物館功能的建設(shè)具有一定的積極作用。

從科研層面看，藏品的三維數(shù)據(jù)采集能夠滿足科研人員對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的需求。通過(guò)考察各個(gè)年齡段鹿角的體量、密度、三維結(jié)構(gòu)等因素，科研人員可以對(duì)鹿角藏品進(jìn)行更深層次的科學(xué)研究，探尋鹿角生長(zhǎng)發(fā)育中規(guī)律，研討鹿角標(biāo)本、文物鑒別的新標(biāo)準(zhǔn)，提高博物館藏品保護(hù)、管理工作的水平。

從科普層面看，藏品的三維數(shù)據(jù)的采集可以積累鹿類動(dòng)物和鹿角形態(tài)方面的科普資料。采集形成的圖形和模型具有多種用途，可應(yīng)用于包括高質(zhì)量二維打印、高精度三維打印和科普衍生品加工、科普宣傳展示和出版等各種應(yīng)用要求。由此，使社會(huì)大眾擁有更多了解鹿類動(dòng)物的機(jī)會(huì)和渠道，推動(dòng)科學(xué)知識(shí)的普及。

從旅游產(chǎn)品開(kāi)層面看，鹿角作為鹿科動(dòng)物最具代表性的體貌特征之一，其形態(tài)兼具力量與美感，在廣大游客心目中是一種不可代替的符號(hào)。鹿角藏品的二維、三維數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建，為鹿角相關(guān)旅游產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供一條捷徑。

從創(chuàng)新層面看，目前我國(guó)國(guó)內(nèi)鹿角藏品大規(guī)劃的數(shù)字化采集的先例較少。其采集成果是對(duì)鹿角形態(tài)研究、藏品展示、博物館數(shù)字化工作的一次探索和實(shí)驗(yàn)，為日后高新技術(shù)與自然科學(xué)研究、博物館研究的廣泛結(jié)合打下基礎(chǔ)。

從未來(lái)發(fā)展層面看，鹿角藏品的三維數(shù)據(jù)采集為‘飩角比對(duì)系統(tǒng)”的開(kāi)發(fā)做好了準(zhǔn)備。目前，在館藏藏品分類和文物鑒別過(guò)程中，單單依據(jù)鹿角的形態(tài)，分辨出鹿角所屬的物種是有較高難度的，特別是在對(duì)鹿角殘片和已被制成工具的鹿角制品進(jìn)行鑒別時(shí)。以往的鹿角種類鑒別工作，主要是依靠專家學(xué)者對(duì)鹿角的近距離觀察，憑借自身經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)鹿角形態(tài)的比對(duì)，進(jìn)行較為模糊地界定。這種傳統(tǒng)的鑒定方式，效率低，周期長(zhǎng)，主珊眭大，難以勝任藏品批量鑒定，并且在鑒定過(guò)程中，容易對(duì)珍貴的藏品進(jìn)行損害。鹿角藏品的三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、模型建立，使通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)篩選、鑒定不同物種鹿角的獨(dú)有形態(tài)特征成為可能。