數(shù)字化博物館的展示和建設(shè)實踐

管東華

內(nèi)容提要：本文對數(shù)字化博物館的建設(shè)工作進行探討研究，詳細介紹了數(shù)字化博物館的展示平臺，分析了數(shù)字化博物館建設(shè)的流程，研究了3D 掃描技術(shù)等數(shù)字采集、處理、存儲工作，總結(jié)了建設(shè)數(shù)字化博物館的經(jīng)驗和工作規(guī)范。

文化遺產(chǎn)承載燦爛文明，傳承歷史文化，維系民族精神，是國家的“金色名片”。數(shù)字化博物館是繼承和弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，把互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果與中華傳統(tǒng)文化的傳承、創(chuàng)新與發(fā)展深度融合，深入挖掘和拓展文物蘊含的歷史、藝術(shù)、科學價值，全面提升文物工作信息化管理水平和公共文化服務(wù)水平的切實措施。建設(shè)數(shù)字化博物館，即運用互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段，整合文物資源，使觀眾可以在網(wǎng)上不受時間和空間限制，身臨其境的欣賞、虛擬地把玩珍貴館藏文物。

一、數(shù)字化博物館——“沒有圍墻的博物館”

數(shù)字化博物館是近年來伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展及其在博物館領(lǐng)域的拓展應(yīng)用而產(chǎn)生的新生事物。它以博物館為主題，具有自由瀏覽與簡易交互的優(yōu)點，可收藏任何可被數(shù)字化的展品，并通過網(wǎng)絡(luò)不斷更新。將館藏文物以高分辨率掃描、數(shù)字化拍攝、3D虛擬制作等技術(shù)加以數(shù)字化處理與存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)完整呈現(xiàn)實體博物館所應(yīng)具有的展示、收藏、教育和研究等功能。

通常情況下，博物館的陳列展示是在一定空間內(nèi)，以文物標本為基礎(chǔ)，按照一定的主題、序列和藝術(shù)形式組合成的，進行直觀教育、傳播文化科學信息和提供審美欣賞的展品群體。1黃海：《博物館3D虛擬文物展示系統(tǒng)設(shè)計研究》，《美術(shù)大關(guān)》2012（1）：141。而數(shù)字化博物館是“無形”的陳列展示，即在“虛擬現(xiàn)實”的基礎(chǔ)上，運用3D 技術(shù)進行虛擬文物的展示。由于數(shù)字化博物館建立在互聯(lián)網(wǎng)上，具有海量的存儲空間，不受時間、展品條件、展覽場地等限制。它通過多媒體展示，使參觀者可以更深刻地感受到文物的特性與精湛的工藝技術(shù)。這種對虛擬文物的把玩和觸摸，更能拉近博物館與參觀者的距離，是博物館宣傳的便捷窗口，更是文物收藏和管理多樣化的體現(xiàn)。

歐美各國及日本等資訊大國與重視文化傳統(tǒng)的國家和地區(qū)都非常重視數(shù)字化博物館的建設(shè)和推廣工作，并且取得了令人矚目的成就。我國的數(shù)字化博物館起步略晚，但自從20 世紀90 年代興起以來，已經(jīng)日益顯現(xiàn)出了喜人的發(fā)展勢頭。臺北故宮博物院于幾年前便開始著手于數(shù)字化研究，并在這一領(lǐng)域取得了一定的成果。2015年底北京故宮博物院端午們數(shù)字館運行，將古代建筑、館藏文物與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，把豐富的文物和深厚的歷史文化積淀再現(xiàn)于數(shù)字世界中。南京博物院的數(shù)字館成果顯著，為觀眾提供臨場性、交互性、參與性的參觀、服務(wù)體驗。更多的博物館都增加了3D 虛擬文物展示系統(tǒng)研究的力度，尤其是虛擬文物與參觀者互動的領(lǐng)域，為博物館展示藝術(shù)的發(fā)展開辟了新天地。

二、數(shù)字化博物館的展示平臺

數(shù)字化博物館展示可以根據(jù)文物類別建設(shè)多個分館入口，包括：玉石器、瓷器、佛造像、古文字、青銅器、雜項、錢幣、石刻、書法、繪畫、自然等。也可以根據(jù)功能集成多個專題化展廳，包括博物館網(wǎng)絡(luò)課堂、鎮(zhèn)館之寶、文物故事、專題活動、各個博物館入口等，將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源進行有效的整合。

圖1 數(shù)字化博物館的展示平臺

（一）文物三維還原展示

數(shù)字化博物館以三維圖形圖像和虛擬現(xiàn)實為載體，將實物展品轉(zhuǎn)化為虛擬影像，規(guī)避傳統(tǒng)展陳方式信息傳遞量少、成本高的缺點，架起展品與觀眾信息傳播的橋梁，觀眾可以身臨其境的欣賞、虛擬地把玩珍貴館藏文物，把枯燥冰冷的傳統(tǒng)展品陳列變成鮮活有科技感的影像，成為實體博物館的完美延伸。

進入數(shù)字化博物館，觀眾可以通過滑動屏幕來尋找和欣賞感興趣的文物，比如進入陶器分館的文物展頁，會顯示出陶器分館內(nèi)所有的藏品，可以通過頁面上方的檢索方式包括藏品的類型、質(zhì)地、年代、收藏單位等進行分類查找。鼠標放在藏品圖片上會自動顯示藏品詳細信息，瀏覽起來很方便。藏品的三維還原圖可以通過鼠標滑動放大縮小，360度旋轉(zhuǎn)，可任意放大參觀展品細節(jié)。還可以在線收聽語音講解和收看動畫故事。尤其是將博物館的一些構(gòu)造復雜、功能玄妙的文物進行三維建模，并通過環(huán)物影像和環(huán)場影像等技術(shù)方面的處理，使觀賞者可由點選進入文物各部分的導覽系統(tǒng)，在不觸碰到文物的情況下，虛擬地把玩到這些珍貴的藝術(shù)品，甚至可以欣賞文物的內(nèi)部。

數(shù)字化博物館的文物三維還原展示級別有專家級和公眾級。

專家級的模型精度可達到0.005mm，精確地還原了文物的現(xiàn)有面貌，為文物的科學研究，日后的修復和文物原始信息保存及3D 打印留下了原始而精準的數(shù)據(jù)支撐。在制作過程中為保證達到預(yù)定精度，根據(jù)不同類型及紋理細節(jié)的文物，模型的面數(shù)以百萬為單位計。特殊細節(jié)豐富的文物如頌簋平均可達每平方厘米約3000個面，總數(shù)據(jù)量更是超越了千萬面，突破了常規(guī)三維模型制作方式幾百萬面的物理極限，通常采用專業(yè)的單機計算機展示。在文物的色彩還原方面，采用分辨率尺寸高達4096×4096像素的貼圖，即通常所說的1600萬像素級別的照片，真實還原了文物表面豐富的色彩信息。

圖2 專家級三維還原展示

公眾級展示面向大眾群體，以網(wǎng)絡(luò)，手機，平板為展示載體，以觀賞性和實現(xiàn)讓文物走出去為目的，基于現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)水平實現(xiàn)快速加載。模型精度可達0.1cm，數(shù)據(jù)量以萬面計，有效地還原了文物基礎(chǔ)紋理細節(jié)，將文物的整體面貌充分展現(xiàn)。同時通過相應(yīng)的技術(shù)手段，比如低模和法線貼圖的方式同樣可以呈現(xiàn)高精模型的細節(jié)。在文物的色彩還原方面，采用分辨率尺寸為網(wǎng)絡(luò)版2048×2048，手機版1024×1024 像素的貼圖，即相當于通常所說的400 萬像素和100 萬像素級別的照片，同樣達到了真實還原文物表面豐富的色彩信息的目的。

圖3 公眾級三維還原展示

（二）數(shù)字化專題展覽

圖4 數(shù)字化專題展覽《非洲野生動物大遷徙展》

觀眾進入數(shù)字化專題展覽，就像進入一個真實的展廳，可以自主制訂參觀路線，通過鼠標選擇前后左右來實現(xiàn)每一個展區(qū)空間的360度參觀，通過點擊滑動展品瀏覽展品詳細信息，通過視頻嵌入了解相應(yīng)歷史文化，再現(xiàn)不同歷史階段的數(shù)字影像。這種虛擬展廳是計算機模擬的三維環(huán)境，和真實的三維環(huán)境一樣，使用者可以身臨其境，并操控系統(tǒng)中的每一個對象，它帶給觀眾的是視覺、聽覺、生理和心理等全方位綜合效應(yīng)的新體驗。數(shù)字化展廳的制作采用近年來新興并快速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維影像技術(shù)、照片縫合系統(tǒng)和超精掃描系統(tǒng)，還原真實場景，達到集趣味性、展示性、互動性為一體的綜合性數(shù)字展示效果。在虛擬空間中，觀眾獲得信息的行為完全是主動的，使用者只需簡單地操作終端設(shè)備，便可根據(jù)自己的想法做事，從中激發(fā)出極大的熱情與興趣。這是虛擬空間與傳統(tǒng)三維環(huán)境最大的區(qū)別，也是作為交互性展示手段的最大優(yōu)勢所在。數(shù)字化展廳的展示設(shè)計豐富了人們的情感體驗，為觀眾帶來了多種新經(jīng)驗。

三、數(shù)字化博物館的建設(shè)

數(shù)字化博物館建設(shè)涉及各級各類博物館，文物資源數(shù)量龐大，資源數(shù)字化工作艱巨，包括數(shù)字化資源的采集、處理、存儲、展示維護等等。數(shù)字化博物館的建設(shè)需要多個團隊的協(xié)同配合，包括博物館文物保管團隊負責挑選文物、全程協(xié)助數(shù)字采集、撰寫文物說明等；數(shù)據(jù)采集團隊負責3D 掃描、文物攝影、視頻拍攝、初級建模；后期數(shù)字處理團隊負責3D 建模和環(huán)物影像、環(huán)場影像堆疊等終極數(shù)據(jù)修改；網(wǎng)站制作展示團隊負責網(wǎng)站制作、視頻聲音制作、各個終端展示等；大數(shù)據(jù)中心團隊負責數(shù)據(jù)資源的存儲備份、更新、維護等。數(shù)字化博物館的成功運行凝結(jié)了文物工作者和數(shù)字化制作團隊的勞動、智慧和汗水。

數(shù)字化博物館的建設(shè)平臺是基于數(shù)字仿真技術(shù)的文物信息開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，主要包括不可移動文物復原及仿真應(yīng)用系統(tǒng)、可移動文物高精度數(shù)據(jù)仿真應(yīng)用系統(tǒng)、高價值歷史遺物遺跡復原仿真應(yīng)用系統(tǒng)、文物宣傳普及應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)、數(shù)字博物館集成平臺仿真應(yīng)用系統(tǒng)。通過不斷地摸索和經(jīng)驗總結(jié)，數(shù)字化博物館的建設(shè)工作已形成一套完善的文物數(shù)字化制作流程，從文物出庫房至網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化展示，各個細節(jié)面面俱到，使文物數(shù)字化實現(xiàn)了安全快捷的流程化制作。

圖5 資源數(shù)字化建設(shè)流程圖

（一）資源的數(shù)字化采集

藏品數(shù)字資源即數(shù)字化的藏品信息，是指對館藏文物進行數(shù)字化掃描、拍攝圖片和影像、制作三維動畫等方式形成的各項數(shù)字文件，是整個博物館數(shù)字資源的核心內(nèi)容。數(shù)字化博物館建設(shè)需要采集文物的三維數(shù)據(jù)和二維數(shù)據(jù)，即通過3D 掃描的方式取得文物本身的幾何形體的資料，同時運用高解析度的數(shù)位相機進行同步拍攝。從小型文物到大型文物，從可移動文物到不可移動文物，通過制訂不同的掃描方案都可以做到細節(jié)紋理的真實還原。針對館藏文物的特點，現(xiàn)階段3D 數(shù)字建模主要使用了白光和激光兩種相結(jié)合：白光掃描，將文物放置在一個旋轉(zhuǎn)平臺上并設(shè)置好掃描站點，將掃描儀放置固定的掃描站點，利用遙控系統(tǒng)控制白光掃描儀和旋轉(zhuǎn)平臺，最終生成密集點云。該項技術(shù)效率高、成本低、建模快、配準精確、干預(yù)少，適合體積較小的館藏文物進行三維數(shù)據(jù)采集和建模。但是相對新的一門技術(shù)，還是有很多不完善的地方，譬如對于大型物體的掃描無法調(diào)整透視問題以及對黑色物體的掃描技術(shù)方面還是不夠全面等等。激光掃描，是應(yīng)用激光測距的原理，使用三維激光掃描儀發(fā)出一條激光射線，激光照射到被測物體的表面，并收集反射信息，得到該物體表面“點云”空間相對位置的三維數(shù)據(jù)，進而經(jīng)過計算機軟件處理，快速的復制出點、線、面及實體模型。激光掃描發(fā)展至今已經(jīng)很成熟，無論是大型文物還是結(jié)構(gòu)比較復雜的文物都能夠精確仔細地采集，色彩紋理還原程度較高。但是工作周期太長，人工干預(yù)的地方也太多，容易對文物建模的準確性造成影響。2官彬：《3D高清攝影在館藏文物立體化數(shù)據(jù)建設(shè)中的運用》，《貴州大學學報》2015（1）：66-67。后期制作中，需采用大量的3D建模技術(shù)，對物體進行創(chuàng)建，還需要獲取文物圖片進行貼圖，最終形成完整的環(huán)物影像和環(huán)場影像與3D幾何模型堆疊的技術(shù)結(jié)合。

文物資源的二維數(shù)據(jù)需要高解析度的數(shù)位相機同步拍攝，立體文物必須拍攝正視圖、俯視圖、底部圖、側(cè)視圖、局部圖五個部分信息圖片，總數(shù)不得少于108張。對具有花紋、附件、內(nèi)壁銘文、缺損或其他特殊情況的立體文物需對相應(yīng)部位進行局部拍攝。文物攝影側(cè)重的是科學性和真實性，要求畫面能準確反映文物的造型、色彩、質(zhì)地和紋飾等。文物拍攝的背景要簡潔平整、色調(diào)淡雅，不能喧賓奪主，背景用漸變背景紙或有機材料無投影背景。背景的顏色要求色彩簡單黑、白、灰三色，但背景與拍攝的器物的顏色不能太靠近，避免器物與背景融合，缺乏層次感。文物拍攝要特別重視光線的反射與吸收的問題，外表光潔的淺顏色器物易反射光，而深色物體有易吸收光的特性。在拍攝淺色器物如陶瓷器，金、銀器等禁用色彩對比強烈的背景。

為了充分做到文物的安全保護工作，真正做到文物信息的完美真實還原，經(jīng)過實踐總結(jié)制定了一套文物數(shù)據(jù)采集安全行為規(guī)范。統(tǒng)一使用光學掃描儀，避免了強光線對文物紋理及顏色造成的損傷。光學掃描儀保證掃描全程對文物無直接接觸，避免了因觸碰對文物造成的物理損傷。掃描人員全程禁止直接接觸文物，一切掃描行為皆在專業(yè)文物管理人員的監(jiān)督及配合下完成。專門設(shè)計制作一整套文物固定器材，保證在掃描過程中文物的穩(wěn)定性。

（二）數(shù)字化博物館數(shù)字資源采集、處理平臺

數(shù)字化博物館的資源采集、處理平臺集成了十余個現(xiàn)有主流軟件，對可提升文物數(shù)字化制作質(zhì)量和速度的各大功能模塊進行深入挖掘和整合，包括了前期掃描軟件、古建航拍建模軟件和后期處理軟件等等，是文博行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)字化采集、處理軟件平臺。

圖6 資源采集處理平臺

（三）數(shù)字化博物館資源存儲備份工作

存儲備份系統(tǒng)作為數(shù)字化博物館的重要組成部分，為博物館數(shù)字資源安全提供防護。通過存儲備份系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)字化博物館數(shù)據(jù)庫的在線備份，實現(xiàn)真正意義的無人值守的備份管理方式，可以實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的遠程備份，使得發(fā)生數(shù)據(jù)災(zāi)難后能夠迅速恢復數(shù)據(jù)，而且相關(guān)業(yè)務(wù)訪問能夠平滑不間斷地過渡到恢復后的數(shù)據(jù)庫中。

山東數(shù)字化博物館的大數(shù)據(jù)存儲中心、大數(shù)據(jù)處理中心和大數(shù)據(jù)備份中心都設(shè)置在省會濟南市。各地市的移動數(shù)據(jù)中心和各地市的固定數(shù)據(jù)中心會定期將采集的二維、三維數(shù)據(jù)匯總備份到濟南大數(shù)據(jù)存儲中心。大數(shù)據(jù)處理中心從大數(shù)據(jù)存儲中心提取數(shù)據(jù)并完成后期加工處理制作。最后所有文物數(shù)據(jù)會定期備份保存在設(shè)于山東省文物局的大數(shù)據(jù)中心備份。數(shù)字化博物館資源存儲備份工作確保了數(shù)字資源的安全，提高了平臺持續(xù)服務(wù)能力，推動了數(shù)字化博物館建設(shè)發(fā)展。

圖7 數(shù)字資源的存儲備份

四、結(jié) 語

數(shù)字化博物館使我們的展示觀念發(fā)生了潛移默化的變化，從“以物為主”的展示變?yōu)榱恕耙匀藶橹鳌钡膮⑴c展示。這種觀念的改變，體現(xiàn)了博物館的人性化的設(shè)計價值觀，它強調(diào)了參觀者與文物之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，強調(diào)了參觀者的參與精神和主動性。數(shù)字化博物館的建設(shè)推動了文物信息資源的開放共享，使文物在保護和利用中“活”起來，進一步發(fā)揮文物在培育弘揚社會主義核心價值觀、構(gòu)建中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承體系和公共文化服務(wù)體系中的獨特作用。