館藏文物三維影像的采集、管理與應用

劉芳　謝靖

摘? 要：文章對藏品影像為核心的數字資源的采集、管理與應用進行研究。首先論述了館藏文物三維影像資源的采集標準、流程與方法，重點介紹了三維數據采集在模型構建、色彩管理和后期精細化處理等過程中的注意事項。然后從數據采集、存儲、管理、分發和邏輯管理機制方面，論述了藏品影像資源的特征及資源管理平臺的功能架構和建設思路。經過論證后認為，該方法對數字資源的采集、管理與應用流程的完善具有推動作用。

關鍵詞：博物館;文物;三維采集;影像管理

中圖分類號：G260 ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0113-04

Collection，Management and Application of 3D Image of Cultural Relics

LIU Fang1，XIE Jing2

（1.National Museum of China，Beijing? 100006，China;

2.National Science Library，Chinese Academy of Sciences，Beijing? 100190，China）

Abstract：This paper studies the collection，management and application of digital resources with collection image as the core. First of all，this paper discusses the collection standards，processes and methods of 3D image resources of cultural relics，focusing on the three-dimensional data collection in the process of model construction，color management and fine processing. Then，from the aspects of data collection，storage，management，distribution and logical management mechanism，this paper discusses the characteristics of the collection image resources and the functional framework and construction ideas of the resource management platform. After demonstration，it is believed that this method can promote the collection，management and application of digital resources.

Keywords：museum;cultural relics;3D collection;image management

0? 引? 言

博物館是保護與傳承人類歷史物質文化遺產的重要場所。在近些年數字化發展的過程中，藏品的影像采集工作已進入到穩步開展的狀態中，做了大量的相關工作。三維影像能夠更加直觀、精確地展示文物的原貌特征，便于博物館藏品研究、展示、修復、鑒定、文創等各項工作的開展。隨著三維采集技術的不斷普及，除去常規的二維數據采集外，文物的三維數據采集也逐漸受到重視。例如，敦煌博物館聯合國際先進研究機構最早開始洞窟的三維數據采集工作并實現了30個洞窟的在線展示[1]。故宮博物院先后制作了數字多寶閣、“發現·養心殿”等三維展示應用[2]。在中國國家博物館“智慧國博”（2019—2021）宏觀規劃項目中，館藏文物的三維數據采集是其中重要的組成部分，已組織專門人才隊伍并作為常規化的重點工作落實執行。在經過前期的技術培訓、設備采購、場地布置、規章制度建設和標準制定等準備工作后，數據采集工作在有條不紊地進行。目前已完成館藏三百件精品銅鏡的試點采集工作。館藏一級文物的三維影像采集工作已于2019年年底展開。鑒于三維數據體量大、數據類型多元化的特點，基于統一的數據管理標準創建數字資源管理平臺，實現數字資源的可持續保存和應用具有重要的研究意義。本文首先論述了三維文物影像的采集規范和流程，然后結合博物館數字資源特點提出了數字資源管理系統的建設方案及應用模式。

1? 藏品三維影像的采集規范與流程

1.1? 藏品三維影像采集的重要意義

三維數字采集在不接觸文物的前提下，實現文物高精度的數字化轉換，對文物的保護和應用具有重要意義，主要表現在以下幾個方面[3]：（1）文物修復和研究。三維數字模型可按照比例縮小和放大，便于研究人員研究文物的局部精細結構、瑕疵和病害等特征，輔助文物鑒定。同時還可在數字模型或打印模具上進行修復方案的試操作和殘片復原，避免對文物造成二次傷害;（2）文物的數字化展示。三維影像展示在近幾年的展覽中成為一種常見的展覽形式，例如“近藏集萃——中國國家博物館新入藏文物特展”中宋代彩繪木雕觀音菩薩坐像的4K高清展示、“三山五園文化巡展——圓明園四十景圖文化展”中十二生肖獸首噴水的全息投影等，能有效提高觀眾與文物的互動性;（3）文創產品研發。三維影像與3D打印技術的廣泛普及，降低了模具塑形的難度，提高了文創產品的研發速度并使其更接近于原型;（4）文物的數字化災備。文物是人類的文化遺產，但由于老化、自然災害、戰爭、經濟衰退、保存技術不當等因素，極易造成不可恢復的損毀，具有較強的脆弱性和不可再生性。三維數據能夠在文物損毀后準確地再現文物原貌，為后代提供研究素材。

1.2? 藏品三維影像的采集流程

藏品的三維影像采集流程與步驟如圖1所示，總體可以劃分為三維數據測量與模型構建、二維數據采集與色彩管理、紋理貼圖與精細化處理三個主要的數據處理工序，其中，標準模型為數據加工處理后得到的三維建模模型，不包含藏品的紋理數據。經過UV貼圖后，可得到含有藏品紋理數據的完整的三維精細模型。這一部分將對藏品的采集流程依次進行介紹。

1.2.1? 三維數據測量與模型構建

鑒于對文物影像采集“非接觸”的嚴格要求，經過多次嘗試，優先選用三維激光掃描儀作為主要采集設備，利用線結構光源光傳感技術主動獲取物體表面的三維數據。在掃描過程中，須由藏品管理員將待采集文物固定在專門制作的旋轉平臺上勻速旋轉360°，依次從多個視角完成每個截面的點云數據采集。在掃描前，需要對文物進行標志點選取和點云配準以保證三維坐標成像的準確性。在掃描的過程中，操作人員可通過監視器查看數據模型的成像情況并依據成像情況調整掃描角度。在審核合格后，可換上另一件文物，并將數據模型傳遞到下一道工序的操作平臺。原始數據點云數量多密度大，采集點之間的距離小，且含有大量的噪音數據，在貼圖前需通過人工方式實現原始數據的截面拼合、空洞修補、點云壓縮等精細化處理以還原數據模型的真實形態。

1.2.2? 二維數據采集與色彩管理

二維紋理數據采集包括頂部、底部、環繞角度和局部等方位。環繞角度同樣采用基于旋轉平臺的360°勻速旋轉的方式采集，拍攝視角包括中部、中上方和中下方。每旋轉15°拍攝1張截面圖，同一視角拍攝24張。二維紋理數據采集與傳統的二維影像拍攝存在不同，后者講求拍攝角度、打光特效等攝影技術，涵蓋攝影者的審美風格，達到藝術渲染的目的，而二維影像拍攝要求使用無影的打光效果，以求最精準地反映藏品原貌[4]。色彩管理通過使用顏色卡等工具，保證在數據采集場地內色彩與感官的一致性。

1.2.3? 紋理貼圖與精細化處理

紋理貼圖通常使用專業的三維制圖軟件，借助軟件的透視投影進行計算和人工矯正，實現數據模型的三維坐標和顏色坐標進行點對點匹配。為充分還原文物的質感，需迭代性地重復進行精細化修整，是人力和時間成本最高的一項工序，生成的數據模型在通過終驗后轉化為統一格式存儲至數字資源管理平臺。

1.3? 藏品三維影像采集的管理規范

三維數據采集作為一種新興的應用技術，在地理和建筑、石窟測繪方面應用廣泛，已形成了較為完整的數據管理規范，如自然資源部中國地質調查局頒布的《三維地質模型元數據標準》[5]、山西省和河南省分別針對石窟文物頒布的《石窟寺三維激光掃描數字化采集技術規程》等[6]，為數據的建模和應用提供了重要的參考依據。對于可移動文物，相關的標準研究也在進行中，例如河北省標準化研究院等單位合作制定的《金屬類可移動文物三維數據采集規范》[7]。中國國家博物館將在2019年國家重點研發項目“重大自然災害預警與防范”承擔的課題項目[8]中，基于工作經驗對三維數據的采集和管理規范提出參考性指南。這一部分從數據精度、數據存儲、軟硬件環境、技術難點和管理條例方面，概述文物數據的管理規范。

1.3.1? 三維數據采集的精度要求

為避免數據的重復采集損傷文物，對原始數據首次采集的精度要求較高。對于三維模型，從點云的覆蓋率、點云和三角網模型的正確性等角度進行考量，成像誤差應控制在1毫米的范圍內。對于復雜文物需拆分構造單獨采集。對于紋理數據，清晰度應大于2 200萬像素，保證構圖正確、有效率大于90%且符合色彩管理要求。對不同材質、器型和體積的文物，由于采集條件所限，采集精度標準略有不同。

1.3.2? 三維數據的存儲要求

制作完成的三維原始數據將以“三維模型（OBJ/MTL）+二維紋理（RAW）”的無損格式存儲。然后根據應用情景，分三級進行有損壓縮。復制級用于文物的器型研究、仿真復制、鑒定和修復等;展示級用于數字展示的制作素材;瀏覽級用于手機終端和線上數字展示的制作素材。為保證數據安全，需分別對4種級別設置訪問權限，高精度的復制級、展示級和原始數據需經過授權許可流程后才可訪問和使用。

1.3.3? 設備、人員與場地要求

三維數據采集使用的器材主要應用光學原理，應合理避免其他光線對成像效果的影響。同時考慮到文物安全，將離庫房較近的地下操作間選作拍攝場地。文物的出庫、拍攝和入庫全程由專門保管人員操作和監督。除三維掃描和二維影像拍攝的負責人需在場地內檢查成像效果外，數據審核員、紋理貼膜及后期處理員在另外的房間工作。通常，拍攝一件文物需要40至60分鐘，后期處理需要2倍的時間。不同材質、器型、體積的文物需要不同的拍攝設備。為此，我館選擇了租賃設備的方式進行拍攝，并在制定方案時將近似的文物劃分至一組立項。

1.3.4? 三維數據采集的技術難點

半透明材質和具有反光屬性的文物會造成光信號反射和散射的特殊反應，一般的三維掃描方法很難獲得其三維坐標信息并重現其表面的真實感光特征。這為玉器、牙骨角器和瓷器的三維數據采集帶來困難。對于器型復雜的文物，需要單獨制定數據采集方案。典型案例如我館收藏的青銅冰鑒，由鑒與缶兩部分組成，形體壯偉、紋飾復雜、內刻銘文、機關精妙，數字化重現其所有空間結構存在一定難度。

1.3.5? 三維數據的管理條例

在三維數據的采集、管理和應用中，需要針對文物的搬運、人員的工作職責、數據的生命周期（采集、加工、存儲、授權、應用）建立嚴格的管理機制和管理條例，保證數據采集工作快速、協調、有序、安全地發展。避免數據采集和存儲標準不一致、人員混亂、文物損毀、重復投資建設等嚴重問題的出現。

2? 藏品數字資源管理平臺建設

2.1? 藏品數字資源特征分析

藏品數字資源具有以下特點：（1）以藏品的二維影像、三維影像、視頻等多媒體資源作為主要存儲類型，而傳統圖書館、檔案館以文獻記錄作為主要存儲類型;（2）不同類型的多媒體資源由于采集設備和來源渠道不同，存在多種編碼方式;（3）為避免重復從庫中提取文物造成損害，數字資源具有采集精度高、數據容量大、存儲資源消耗多的特點;（4）與知識描述緊密關聯，需要對數字媒體與相關文本知識關聯進行標注;（5）為適應展廳、網站、手機終端等多種展示要求，數字資源需支持不同比例與分辨率的壓縮，滿足不同環境場景下的傳輸與展示。根據藏品數字資源的以上特征詳細論述了數字資源管理平臺的設計思路。

2.2? 藏品數字資源管理平臺的主要功能架構

數字資源管理是一系列對數字信息進行持續管理和維護的活動，目標是為了確保數字信息的長期存活，保證數字信息真實可信，能夠被使用者理解和應用[9]。為達到上述目標，數據管理平臺應該在以下5個方面提供功能支撐[10]：（1）需具有數據攝入功能，可以創建和抽取必要的元數據實現數據的保存與管理;（2）為存儲對象的呈現信息提供存儲框架，可以對其呈現信息進行管理和應用;（3）具有技術監測功能，可以對存儲對象的呈現信息及其相關的技術依存關系進行監測，當發現存儲對象的呈現技術過時時，能夠提示需要采取的技術應對措施;（4）為存儲對象的數據呈現提供軟件支撐，能夠對檢索到的存儲對象進行正確呈現;（5）具有操作記錄功能，能夠記錄元數據的變化和其他系統信息。為實現上述要求，數字資源管理平臺的功能架構如圖2所示。

2.2.1? 數據采集模塊

數據采集模塊要求在存儲對象攝入的過程中能夠自動抽取元數據、識別文件格式、并對照相關的文件格式規范對存儲對象進行校驗，判斷數字對象是否符合合適規范的要求。通常需要集成相關的插件工具來實現該過程。在存儲對象校驗完成后，要求為其分配唯一標識符。唯一標識符是一個重要的管理機制，能夠保證存儲對象在物理位置發生變化的情況下迅速確定其位置。

2.2.2? 數據存儲模塊

具備存儲結構管理功能，根據存儲管理策略、存儲請求、安全策略等，將存儲對象保存在正確的媒體上。具備錯誤檢查功能，保證存儲對象的組成部分在數據庫或者內部數據傳輸中不會出現損壞，并向數據管理模塊提供對媒體設備、存儲容量以及使用情況的操作統計，生成日志和報告。具備災難恢復功能，通過存儲冗余數據的方式實現數據恢復。常見方式如異地災備、可移動存儲等。具備技術監測功能，定期對存儲對象的相關呈現信息進行掃描，確保在技術過時時提供預警。

2.2.3? 數據管理模塊

數據管理模塊通過制定技術策略和管理機制，保證應用軟件、工作流程、計算機硬件和存儲體系的協調性。具備管理存儲對象和元數據的功能，確保二者關系的有效關聯。在數據庫出現問題的時候，能夠從存儲對象的呈現信息中恢復元數據及其關系。提供審計和監測功能，確保數據的導入、導出、查詢和訪問等功能的順利進行。

2.2.4? 數據分發模塊

具備數據查詢和檢索功能，借助元數據、縮略圖、部分節選內容的索引和查詢體系，幫助用戶發現需要的存儲對象。具備訪問控制功能，響應用戶的存儲對象訪問請求，并根據用戶的資源訪問權限，將符合需求的請求結果傳送給用戶。具備數據呈現功能，將存儲對象的字節流轉化為能夠為用戶提供知識內容的有意義的信息。

2.2.5? 邏輯管理機制

具備內容模型構建功能，通過定義內容模型，將多個不同類型的存儲對象組織成一個邏輯上完整的對象，用以解決一個存儲對象由多個不同類型的存儲對象組成的情況。例如一件藏品包含多張從多個不同角度拍攝的二維圖片。具備存儲邏輯管理功能，能夠利用數據庫（關系數據庫和非關系數據庫）、分布式文件系統（如Hadoop、HDFS）或云存儲的方式，管理底層的數據存儲系統。

3? 結? 論

數字技術的發展對博物館的傳統工作方式產生了巨大的影響。在新形勢下，展覽展示、文物修復、文創產品的研發等都需要強大的數據基礎提供支持。博物館一方面應該加大資源管理平臺的建設力度，促進文物影像資源的共建共享，充分發揮其經濟及藝術價值，為社會服務。另一方面，應該建立有效的影像版權管理機制，保護自身權益不會受到侵犯。文物數字資源的建設應成為一項長期工作持續開展和完善。

參考文獻：

[1] 敦煌研究院.數字敦煌 [EB/OL].[2020-04-20].https：//www.e-dunhuang.com/.

[2] 歐陽宏.故宮院藏文物的三維數據采集與應用 [J].數字圖書館論壇，2019（7）：48-53.

[3] 馬玉靜.三維激光掃描技術在國家博物館的應用初探 [J].北方文物，2016（2）：108-110.

[4] 宗立成.文物三維數字化設計及其實驗方法研究 [J].文物保護與考古科學，2018，30（2）：127-132.

[5] 王想紅.《三維地質模型元數據標準》發布實施 [EB/OL].[2020-05-25]. http：//www.cgs.gov.cn/gzdt/zsdw/201912/t20191217_499210.html.

[6] 中國新聞網.山西發布首例石窟寺文物三維數字化地方標準 [EB/OL].（2019-11-11）.http：//www.chinanews.com/cul/ 2019/11-11/9004418.shtml.

[7] 河北省標準化研究院.我院與石家莊鐵道大學合作完成《金屬類可移動文物三維數據采集規范》初稿 [EB/OL].（2019-12-12）.http：//www.hebstd.net.cn/xinwendongtai/yuanneixinwen/

2019-12-12/6774.html.

[8] 中華人民共和國科學技術部.關于對“重大自然災害監測預警與防范”重點專項（文化遺產保護利用專題任務）2019年度項目申報指南征求意見的通知 [EB/OL].（2019-03-20）.http：//www. most.gov.cn/tztg/201903/t20190320_145773.htm.

[9] National Archives. Digital Preservation Strategy [EB/OL].（2017-06-08）.https：//www.archives.gov/preservation/electronic-records/digital-preservation-strategy.

[10] WHEATLEY P. Institutional Repositories in the Context of Digital Preservation [J].Microform & Imaging Review，2004，33（3）：135-146.

作者簡介：劉芳（1985—），女，漢族，河北保定人，館員，碩士，研究方向：博物館數字化建設、數據組織、數據存儲與服務;謝靖（1983—），男，漢族，河南洛陽人，副研究館員，碩士，研究方向：大數據計算、數據組織、知識圖譜、用戶畫像。