三維數字化技術在非物質文化遺產保護中的應用研究

何曉麗　牛加明

摘要：數字化保護是“非遺”保護發展的一個趨勢，以端硯三維數字化實驗為例，利用三維掃描與數字攝影測量方式相結合的方法建造端硯的真實三維紋理的虛擬圖像。文章探討三維數字化技術在非物質文化遺產保存、傳承、發展以及在相應資源數據建設中的重要作用。

關鍵詞：三維數字技術；“非遺”保護；端硯；中國傳統工藝；民族文化；民間藝術

“非遺”的保護開發對保護民族文化，提升民族文化價值，增強文化認同感、自豪感等都具有重要的意義。用數字化技術保存與研究非遺是目前最先進的方式之一，國內外已進行了多樣化的嘗試，美國是采用田野調查與數字化手段充分結合對非遺進行數字化保存與整理最好的國家，斯坦福大學的數字米開朗基羅項目通過三維激光掃描對米開朗基羅主要作品的數字化技術水平至今難以超越。歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、韓國等也在這方面做了大量工作。歐盟支持的3D-Murale（3D Measurement and Virtual Reconstruction of Ancient Lost Worlds of Europe system）系統由一系列可以記錄、重構、編碼、可視化古代建筑、雕像、陶器碎片、地層、地層、地形地貌的工具組成，主要用于可視化古代歐洲的建筑、雕塑、器物等，如利用該系統重建的酒神狄厄尼索斯像。2001年，聯合國教科文組織就曾面對瀕危的印度卡提亞達姆梵劇，提出建立梵劇檔案和資料館的保護方案；2004年12月與三星電子有限公司合作，以阿塞拜疆國家地毯博物館為依托，支持與推動護絲綢之路文化遺產數字化保項目等。國內“非遺”數字化工作本世紀初開始起步，多種先進的儀器和保護方法在“非遺”保護中得到了廣泛應用，這在很大程度上促進了“非遺”保護工作的進展，如浙江大學CAD&CG實驗室將最新的數字化技術應用到民間舞蹈的保護，對剪紙藝術的數字化保護技術開發與研究等。

本研究將三維數字技術引入到第一批國家級“非遺”項目——肇慶端硯保護中，端硯是民間工藝中的精品，然而端硯精品及一些優秀的作品多被博物館和私人收藏，學習者、研究者和普通百姓難得一見。因此對博物館收藏的端硯文物、端硯制作大師自己保留的作品、部分藏家收藏的精品端硯等進行三維數字化處理，采集的三維數據文件可以制作成數據庫文件，還可以建設VR虛擬漫游形式的交互文件，不僅能提供信息存儲、學術交流和資源共享，還能促進“非遺”的共享，普及硯雕技藝，而且對促進端硯的整體性保護也具有重大的意義。

一、端硯三維重建技術及方法

目前常用的三維數字化技術有數字攝影測量、三維掃描和VR即虛擬現實技術三種，本次測試采用了這三種方法進行三維重建。為了安全和方便起見，從肇慶一端硯廠購置了一塊手工雕刻的二龍戲珠圖紋端硯作為樣品。

（一）VR虛擬現實技術

在實驗室設定好拍攝光線等，將端硯放置在勻速轉盤上，根據轉盤的速度用佳能5d3相機、50mm定焦鏡頭拍攝12張照片，然后在變換端硯的位置，拍攝剛才沒有拍到的地方，在電腦端對圖像進行處理，用軟件（如造型師等）拼接成一個端硯三維圖像。

（二）攝影測量技術

本次試驗采用的國內某公司的數字近景攝影測量系統，其原理以計算機視覺原理（多基線）代替人眼雙目視覺（單基線）傳統攝影測量原理，能把普通單反數碼相機獲得的影像進行快速精密地重建為三維圖像。該方法能在分析文物幾何空間關系的同時獲取色彩紋理圖像，但對光滑物體表面分析時誤差較大。

圍繞端硯一周拍攝，要求每張照片都要有與上一張40%以上的重合，并保證端硯在圖像的中間位置，把拍攝的照片用Photoshop進行灰度處理和邊緣增強，然后導入測量軟件中，根據軟件流程對數據進行處理，形成端硯點云數據。現在獲得的點云中仍存在著較大的噪聲，如果直接基于初始點云重構端硯表面，得到的圖形表面將有一些高低不平，邊緣鋸齒狀呈現，與實物存在較大差異，從視覺感官上效果比較差，因此使用編輯工具刪除模型中的噪聲點，再進一步經過平滑、去噪，采用平面投影法對點云進行三角化，并將三角網轉換成面，得到最終的端硯點云，最后通過紋理映射形成端硯三維模型。

（三）三維掃描技術

三維掃描儀大體分為接觸式和非接觸式兩類。非接觸式分為光柵式三維掃描儀也稱拍照式三維掃描儀和三維激光掃描儀。接觸式三維掃描儀在實際進行測量時對物體表面有損傷，一般很少使用。光柵式三維掃描技術利用攝影測量原理，掃描過程耗時較長。三維激光掃描儀能快速精確地獲取物體的三維信息，但目前絕大多數市面上的激光掃描儀都是單色激光，所以其所形成的物體模型缺少色彩紋理，同時也不能適用于黑色和透明的物體。

由于端硯本身色澤發黑，黑色吸收一切光線，所以無論采用光柵式還是激光式進行掃描都難以得到較為準確的數據，因此在本次試驗中對端硯表面噴涂了顯影劑，然后用深圳精易迅公司的一款光柵掃描儀進行處理，獲得精確地點云數據，最后利用掃描儀自帶軟件自動對準形成三維點云圖像。

（四）攝影測量技術與三維掃描技術結合

端硯除了有豐富的雕刻細節，還有不可忽視的表面紋理及藝人或文人在上面的題字等信息，只有將多方面的信息融合在一起才能完整地重建出真三維真紋理的端硯模型。在以上結果的基礎上，我們又進行了三維掃描點云數據與數字攝影測量方式形成紋理數據重疊方式進行實驗。即將三維掃描儀獲得端硯的幾何數據導入到攝影測量軟件中，將攝影測量方法得到的色彩紋理數據映射到三維掃描數據中，重新得到真三維真紋理的端硯模型。

除以上方法外還可以使用一些軟件建模，如Geomagic、Polvworks等逆向工程軟件在進行非標準物體建模時較為常用，將構建的三角格網模型導入到3D Max等軟件中進行貼圖。但目前來看這種方法工作量巨大，其所建立的數據在對“非遺”保護并沒有實質性的幫助，因此不作為推薦。

采用以上方法獲得端硯三維模型各有優缺點：

從最后成像效果來看：數字攝影測量技術最好，能形成真三維真紋理的端硯模型：三維掃描只能形成真三維，無法體現真紋理；VR技術形成的只是平面影像還不是真正的三維圖形。

從成本考量：采用VR技術最為便宜，只要有數碼相機和一臺性能較好的電腦就可以處理，而采用三維激光掃描儀成本最高，大型三維激光掃描儀上百萬，普及型的也要十幾萬以上，還遠遠達不到消費級水平。數字攝影測量軟件價格不等，從目前了解的情況來看測量價格較高，整套軟件30多萬，除此外俄羅斯、加拿大等過也有類似軟件價格在萬元左右。

從數據精確度來看三維掃描儀最為精確，其精確度可以達到0.1mm，有的可以精確到0.01mm，本次測試由于端硯色澤問題，為了掃描儀能準確地識別在端硯表面噴了薄薄的一層顯影劑，致使一些刀痕、刀路等細節缺失：其次是數字攝影測量方式，相機像素越高，距離物體越近，拍攝越清晰，其精度也就越高，精度可以達0.1mm。VR技術在這方面基本沒有優勢，所形成的只是平面圖像。

從工作時間方面來說，三維掃描儀所需時間較少，一次可以掃描一個面，在電腦端可以自動合成三維模型，數字攝影測量方式所需時間最多，在后期內業處理時需要對每一張圖片進行處理。

根據不同用途，可以采用不同的方法，如僅僅是為了建立虛擬展示可以選擇VR技術，如果是為了保存更多的數據，可以選擇三維掃描方式或數字攝影測量技術

二、三維數字化技術在端硯保護中的優勢

根據以上實驗結果可以看出三維影像具有以下幾個突出優勢：

（一）三維影像資料直觀、逼真、易懂

二維平面數據資料所獲的數據只是單一視角信息，缺少其他視角信息，使用者只能了解一些簡單的信息，而三維影像除了上下和左右兩個維度之外，又增加了一個前后維度，這樣在二維平面中無法了解的信息如雕刻的深度、刻刀的轉折、物體背部的信息等都可以展示出來，非常直觀地反映出物體的具體狀況，普通觀眾欣賞時能產生逼真、直接、具有空間感的的感知。

（二）全方位多角度的完整記錄

端硯的六個面可以通過照片、拓片、圖紙記錄，但它們具體的空間組合關系無法通過這種平面形式表現出來。三維數據能夠多角度、完整地、立體地、反映出端硯的信息。現有的三維掃描儀（無論激光掃描或結構光柵掃描）可以非常準確高精度地將人視野所能看到的各個面記錄下來，且所得數據精度可以達到0.1mm甚至0.01mm，與傳統手工測量相比其準確度可以提高數十倍甚至上百倍。

（三）消除信息采集死角

以往對端硯信息采集時候較為重視其雕刻面而忽視其他面，另外采用傳統方法時雕刻曲線、凹凸、被遮住的地方很難準確的反映，而借助三維掃描技術和數字攝影測量技術數據采集時能夠克服不規則形狀物體數據采集的難點，只要是能看得到的地方都可以輕松獲取，可以連續而不留任何死角地反映出端硯全部細節信息。

（四）資料可以長期保存

傳統的保存介質難以長久保存，時間長了紙質、照片等容易發霉、脫色，磁帶容易脫磁，如果保存不當很容易發生蟲蛀，水火等災害也時有發生。而獲取的端硯三維數據存儲為數字信號內容，可以借助光盤、硬盤、半導體等數字存儲載體等長期保存。

（五）有利于網絡傳播

網絡已經深入到人們的日常生活之中，將端硯研究文獻端硯作品三維數據、技藝傳承人口述史、技藝介紹等資料分門別類，建立一個端硯研究數據庫，并將其內容發布到網絡，可以方便人們檢索，使其被更多的受眾認識、接受并進行傳播。

（六）能基于三維圖像能產生近乎真實的體驗

把采集的端硯數據通過軟件處理后，輸出至專業VR制作軟件進行素材整合，即可生成端硯制作技藝的VR虛擬交互演示文件。建立一個端硯雕刻場景，可以對其進行虛擬模擬雕刻，讓人們在模擬的環境里體驗并操作，建立一個虛擬博物館場景，可以讓人感覺如同真實的端硯博物館，使體驗者在非真實的體驗過程中得到近乎真實的體驗效果，這樣的體驗方式能吸引更多的人參與進來。

三、端硯三維數字化資源的應用

對收集整理的端硯三維數據還可以進一步加工整理、應用，如果僅僅采集資料而不加以應用，那就失去了數字化的意義，端硯的三維數字化數據對今后的科研、傳播、交流“非遺”的普及等都有著重要的意義。

（一）科學研究與學習需要

利用三維技術獲得端硯三維影像可以為不方便見到實物的研究者提供精準的可測的數據資料，以及準確的紋理信息等如廣東省博物館鎮館之寶清末廣東三大名硯之一的千金猴王硯被珍藏于玻璃箱中，由于光線等方面問題，很難看清楚該硯的雕刻細節，如果采用三維數據模型，觀眾就可以從電腦屏幕看到雕刻細節、造型特征、甚至細致入微的刀路等都能分辨出來。條件許可的情況下可以將三維數據用三維打印或者雕刻的方式重現大師的作品，這對于端硯的研究者、傳承者、愛好者來說如同親手撫摸大師作品一樣，可以從細節等方面詳細的理解大師作品的技法等。

（二）滿足“非遺”文化交流和傳播

可以建立虛擬場景，如博物館場景，將端硯三維數據融入到場景中，形成虛擬數字化博物館，發布到網絡上，用戶可對端硯進行任意的視角改變操作，近距離多方位觀看，借助軟件可以任意測量其各個部位的深淺到底、彎曲狀況等數據，這樣可以讓更多的公眾近距離了解端硯，起到科普和宣傳的作用。

（三）進行虛擬端硯設計

三維數據資料除了為研究人員提供詳實的資料外，還能為端硯設計人員提供基于三維立體場景的虛擬設計等

因為端硯原石是不可再生資源，由于無序開采，為了保護資源政府對一些老坑已經封閉，現存的老坑石料已經很難得到，一些藝人手中珍藏的端硯石料如果要進行雕刻，可以利用數字化的方法進行虛擬設計，如用其他便宜材料進行進行雕刻，轉化為三維數字格式以后，將原石材質紋理映射到數據上，進行多種類型的嘗試，確定好最適合的雕刻方式和圖樣以后才開始真正對原石進行加工，這樣就可能避免一些錯誤，使得原石的價值最大化。

（四）提供“零距離”的虛擬參觀體驗

大師級別的作品價格高昂，一般都被收藏家或者博物館藝術機構收藏普通人難得一見。隨著現代科技的發展，各種虛擬展示方式開始普及，一些家用級別的VR頭盔眼鏡等設備也進入人們生活，利用觸控屏幕三維影院、VR技術AR技術，游客可在隨時進入虛擬展廳與進行深入體驗和互動。觸控屏幕可以方便瀏覽者自主選擇視角、內容對端硯任意放大縮小、改變方位的欣賞；VR頭盔等可以給用戶帶來更真實的體驗：使用三維交互控制器可以讓游客在三維空間直接進行互動操作。這樣可觀眾可以通過真實、生動、有教益的“虛擬參觀”體驗體會“非遺”的精髓魅力。

總之，隨著對“非遺”保護理念的逐步加深，人們越來越認識到數字化技術對“非遺”保護的重要性，利用三維數字化技術保護“非遺”可以彌補現有措施的不足。一方面這些數據資料能在網絡中被永久保存，而且能快速方便的傳播與交流，資料的應用與普及也遠超現有的保存的方式；另一方面可以將大師作品的三維數字模型直接用3d打印機或雕刻方式復制出來，制作成旅游產品等，這都為今后的端硯的保護與研究打下良好的基礎。

（責任編輯：徐智本）