三維數字化技術在文物保護中應用與作用

谷立鵬

摘 要：計算機信息技術不斷發展，已經應用在各行各業中。在文物保護領域計算機信息技術也得到廣泛應用，目前計算機信息技術中的三維數字化技術已成為文物保護中重要的手段，同時也是文保研究的重要任務，利用文物三維數字化技術可以使文物保護更加有效。文章主要介紹了文物三維數字化技術有哪些，分析了這些技術在文物保護領域的應用與作用。

關鍵詞：三維數字化技術;文物保護;應用;作用

我國歷史文化源遠流長，擁有豐富的歷史文化遺產，在自然因素和人為因素的雙重作用下，文物信息面臨逐漸消亡的危機，而文物蘊含著巨大的社會、文化和科學價值，故文物保護成為文物管理研究單位的首要任務。在文物保護工作中遇到很多使用傳統手段無法解決的難題，為解決這些難題文物三維數字化技術應運而生，成為文物保護的有力手段。文物三維數字化技術可以和傳統文物保護技術相結合完成文物修復、保護和研究工作。文物三維數字化技術包括三維激光掃描技術、近景攝影測量技術、3D打印技術及數字模擬修復技術等，這些技術的應用對于加強文物保護、研究及利用，充分發揮文物的價值具有重要意義。

1 文物三維數字化技術下的文物保護

1.1 文物保護的重要性

我國擁有豐富的文物資源，隨著時間的推移，在自然因素和人為因素的雙重作用下，文物勢必會出現一定程度的損壞，這些損壞往往是不可逆的，文物信息一旦丟失將永遠無法恢復，其中所蘊含的社會、文化和科學價值將不復存在，后人也將無法使用這些具有重要意義的文物信息，所以加強文物保護是文物工作者的首要任務，實現文物信息的永續利用意義重大。

1.2 文物三維數字化技術

1.2.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱高清晰測量（High Definition Survey-ing，HDS），它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標信息和反射率信息，將各種大實體或實景的三維數據完整地采集到電腦中，進而快速復建出被測目標的三維模型及點、線、面、體等各種圖鑒數據。

掃描過程中對物體全方位連續掃描，就能得到被測物體密集的三維散點數據，即為點云數據。圖1為云岡石窟第9、10窟點云數據。得到點云數據后經過計算機建模得到被掃描物體的三維模型，進而可以對模型進行操作得到被掃描物體的幾何信息。

依據承載平臺的不同可劃分為：機載型激光掃描系統、地面型激光掃描系統、手持型激光掃描系統。

1.2.2 近景攝影測量技術

近景攝影測量是借助于人眼的雙眼視差，通過拍攝不同位置的物體照片，利用后方交會—前方交會法求區內外方位元素，并解析計算出像點在實際位置的地面坐標，進而解析出被測物體的三維模型。

1.2.3 3D打印技術

3D打印技術包括FDM熔融層積成型技術和SLA立體平版打印技術，在文物復制中主要應用的是SLA立體平版打印技術。在文物復制過程中，首先是使用三維數字化技術對文物進行三維數字掃描，使用工業級的SLA高精度3D打印機將文物的三維信息輸出以達到文物復制的目的。3D打印機可以精確到0.001微米，從而能夠精確復制出與文物一模一樣的復制品，將文物的幾何信息表現出來。圖2-3為云岡石窟第3窟3D打印復制品。

1.3 文物三維數字化技術在文物保護中優勢

文物三維數字化技術之所以在文物保護領域廣泛使用，與其技術優勢有很大關系，總結起來有以下優勢。

1.3.1 精度高

使用三維激光掃描技術獲得的點云數據的單點精度能夠達到毫米級，有的甚至可以達到亞毫米級。

1.3.2 非接觸

無論是近景攝影測量技術還是三維激光掃描技術，均不與被測物體接觸，這樣就可以最大程度減少對文物的破壞，保證被測文物的安全。

1.3.3 自動化程度高

三維激光掃描技術可以連續對設定區域內的物體進行掃描，期間不需要人為干預。近景攝影測量技術通過采集到的數據可以通過計算機程序自動生成文物模型。

1.3.4 對環境要求低

三維數字化技術抗干擾能力強，可以在更加惡劣環境下進行相關工作。

1.3.5 工作效率高

三維數字化技術與傳統手工測繪技術相比測繪效率可以提高5倍以上。

1.3.6 采集范圍廣

三維數字化技術掃描范圍廣，最大掃描范圍可達5000米以上。

2 三維數字化技術在文物保護中的應用

2.1 文物三維信息的采集與儲存

想要更好地利用文物所蘊藏的價值，最重要的一條就是要將文物的信息保留下來，只有保留下文物的信息才能永久使用文物，但是實體文物湮滅的過程在現有的技術條件下是不可能停止的，也是不可逆的。使用三維數字化技術可以將文物的信息以數字化的形式永久保存，永續利用。

以數字化的形式保存文物信息，首先需要采集文物信息，目前主要使用的三維信息采集技術有三維激光掃描技術和近景攝影測量技術，使用這兩種技術可以將現有的文物三維幾何信息以數字化的形式保存下來，色彩信息可以采用攝影的方式保存下來。

文物信息采集完成后，以GIS平臺的形式存儲，在儲存時可以以質地、形狀及年代等條件去進行歸類，管理工作人員利用GIS平臺所具備的數據管理、展示功能，實現文物信息的自動檢索、管理及展示等，減少了文物保護人員的工作量，提高了文物保護質量。

2.2 文物復制

三維數字化技術在文物復制中的應用主要是利用文物三維幾何信息使用3D打印技術制作文物3D打印復制品。3D打印復制品有復制精度高、還原性強的特點。3D打印復制技術實現了文物的高精度復制，特別是實現了大型不可移動文物外出展覽的要求。同時3D打印高精度復制品可以供游客參觀使用，在一定程度上減少了實體文物在參觀過程中的損壞，使實體文物得到一定程度的保護。

2.3 文物形變監測

三維信息采集技術具有精度高的特點，可以利用這一特點對文物前后變化做出對比，先后采集不同時期的文物三維信息，然后對比各個不同時期的文物三維信息數據，可以得出文物的變化特點。

2.4 文物病害調查

有些山體上的文物受條件所限無法近距離進行巖體病害調查，遠距離三維激光掃描儀可以遠距離高精度采集文物點云數據，生成模型，進行病害調查。

2.5 文物圖像的制作

利用三維數字化技術可以在計算機中生成文物模型，利用文物模型可以生成文物的正射影像圖、數字拓片、任意角度的文物剖圖等圖件，這些圖件是使用傳統技術手段無法得到的。圖4、圖5為云岡石窟第3窟剖圖、菩薩頭冠數字拓片。

2.6 文物虛擬修復

在考古發掘中會出土大量的殘損文物，這些文物的修復工作繁重，即使有豐富經驗的文物修復師也不可能一次性將文物拼接修復完成，需要多次重復的試驗，這樣就加重了出土文物的磨損，對于大型文物的修復拼接，人工更是無法完成。使用三維數字化技術將文物碎片進行掃描獲取模型后，在計算機中進行虛擬拼接修復，這樣既減少了對文物的磨損，又可以實現大型文物反復移動拼接，大大提高工作效率。

3 文物三維數字化技術對文物保護的作用

文物三維信息化技術對文物保護具有重要意義，具體的主要作用包括三方面：

①相關人員可以快速檢索到文物三維信息，文物信息是進行文物保護、展示及收藏的首要，如果沒有完整的文物信息，其他的都是多余的，利用三維掃描技術可以快速且準確地獲取文物三維數據，而這可能是傳統的信息技術所無法做到的。并且三維掃描技術中所用到的設備不會與文物的表面發生接觸，從而保證了文物的完整性，在最大程度上實現文物保護作用。

②主要體現在文物復制方面，傳統的翻模方法無法保證文物的完整性，對文物造成損壞是不可避免的，而運用三維數字化技術與3D打印技術以非接觸式的形式采集到文物信息，然后建立數字模型，最后形成與原本文物一樣的復制品，可以簡化文物復制的程序，最大限度地保護實體文物。

③體現在文物修復方面，文物三維信息數字化技術可以進行文物修復，在成功獲取三維數據信息完成數字模型后，在原本的數據基礎上對器物數據進行模擬修復。在開始文物修復工作前，工作人員可以對復制后文物的形狀預覽，查看其是否符合目的，從而更好地制訂文物修復方案。

總而言之，文物三維數字化技術在文物領域的應用對文物保護具有重要意義，在保證文物完整性的情況下，實現文物復制與文物修復，并且所形成的文物三維信息對再次文物修復具有重要的參考價值。在時間的推移中，自然因素與人為因素都會對文物造成一定的損壞，在進行文物保護工作時需要文物原始信息，使再次修復有據可依。三維信息數字化技術也是與我國的《文物保護法》的工作方針相符的。

4 結語

當前信息技術已經滲透到社會的各行各業中，三維數字化技術在文物保護工作中的應用是順應時代發展需要的。文物是人類歷史文明的遺產，隨著時間的推移，文物不可避免會受到一定程度的損壞，文物三維信息數字化技術有效地解決了文物信息的湮滅問題，成為文物保護的有力手段，在一定程度上保證了文物信息的完整和永續利用。

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