三維掃描技術在文物保護中的應用

摘 要：在現代化技術迅猛發展的當今社會，利用高科技手段保護文物逐漸成為潮流。作為一種先進的測量技術，三維激光掃描技術具有非接觸性、測量精度高、信息提取高效快速等特征，實現了文物無損式修復、全景式展示、全域式檢測，并得到廣泛應用。文章以眉縣博物館為對象，闡述三維掃描技術的操作原理、操作流程、在文物保護中的應用優勢，并聚焦館藏文物，結合實際情況和應用經驗成果，從文物建模、文物修復、文物虛擬展覽等幾個方面探討眉縣博物館應用三維激光掃描技術保護文物的具體實踐，以期為我國博物館事業發展和文物保護工程提供有力參考。

關鍵詞：三維掃描技術；眉縣博物館；文物保護；應用實踐

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.15.011

0 前言

當前，在數字信息技術深刻影響各項事業發展的大背景下，全國各地博物館相繼運用大數據、數字化手段革新宣教和文物保護方法。不僅如此，2021年10月28日，國務院辦公廳印發《“十四五”文物保護和科技創新規劃》，明確提出博物館應堅持科技創新引領理念，加快推進技術攻關和研發，持續推動考古探測、銹蝕物檢測、制造工藝鑒定、產地溯源等技術優化升級，促進文物保護提質增效。對此，作為擁有眾多珍貴文物的眉縣博物館，應利用三維激光掃描技術，通過軟件優化點云數據并搭建三維立體模型，實現文物的數字化存儲和建檔，利用其優勢進行還原性修復、病害勘測和分析、虛擬展示、預防性保護，讓擁有千年歷史的青銅器、陶器、玉器、瓷器、石刻文獻等眾多精品熠熠生輝，有利于促進文物保護技術的革新。

1 三維激光掃描技術的操作原理

三維激光掃描技術內部主要包含激光掃描部件、激光測距部件、自動化控制系統等。掃描儀因生產廠家不同，工作原理也存在差別。

1.1 激光測距系統

激光掃描儀的測距方式主要包含脈沖測距法、相位測距法、激光三角法三種方法。

1.1.1 脈沖測距法

掃描儀開釋激光脈沖訊號，通過旋轉棱鏡射向工具，及時接收、保存折返的脈沖訊號。之后，計算脈沖訊號往返過程產生的時間跨度，求得待測量文物的距離。目前，多數掃描儀采取這種測法，如Trimble TX8 激光掃描儀等，其激光發射角度的大小與瞬時脈沖功率的大小成反比。

1.1.2 相位測距法

通過利用無線電波段的頻率，調整激光束的幅度，先計算調制光往返過程中產生的相位變化，再根據調制光的波長，推算這一相位變化對應的距離，從而測得光往返的時間差。相較于脈沖測距法，相位測距法僅僅需要測量訊號發射和接收激光訊號的相位差，就能夠求得待測對象的距離。相位測距法的測量數值一般精準至毫米，故可做到精密和近距離掃描。

1.1.3 激光三角法測距

該種方法基于三角幾何原理來確定掃描中心與對象之間的距離，激光發射器、對象表面的反射點、電荷耦合元件三者形成三角形。通過丈量激光發射器到工具、再反射至電荷耦合元件的夾角，按照發射器至電荷耦合元件的基線距離，計算出工具的具體位置。激光三角測距法通常應用于幾十米范圍內的測量，尤其適合于逆向工程測量，測量數值可精確至微米。

1.2 激光掃描系統

激光掃描系統通過發射激光脈沖，利用兩個快速旋轉的反射鏡掃描實物。借此過程，可精確測算出確定設備與物體表面之間的距離。體系內的編碼器紀實激光脈沖的發射角度，以此計算出收集點云的三維坐標。點云數據包括激光脈沖的水平和垂直掃描角度（分別用α、θ表示），接收器記錄激光脈沖發射至接收過程中產生的時間差，從而計算出目標物體的空間位置和點云反射強度等信息。

2 三維激光掃描技術的操作流程

2.1 點云數據處理

點云數據處理過程涉及點云采集、合并、去除噪聲、稀疏化、簡化、坐標轉換等環節，力求獲得更高品質的點云。在正式掃描時，為確保數據的完整性，需要在多個位置進行掃描，并設置參考點或重疊區域，便于后期整合來自“四面八方”的數據。在此之后，利用配套軟件對點云數據做導出或樣式轉換。

2.2 三維模型建構

三維激光掃描技術可以逐個對外形規則文物或外形不規則文物做個性化建模。對于形狀規則的文物，一般通過建立三角形網絡的方式建模；對于形狀不規則的文物，可通過識別和提取具有顯著特征的線條，將這些線條轉化成實體，建構模型，或者在三角形網絡基礎上構造出文物實體模型。

2.3 三維模型再處理

在建成三角形網絡模型之后，由于受到采集現場條件的限制，比方說某些區域的點云密度稀疏或點云數據缺失，會產生孔洞、雜亂三角形網絡、尖刺物等，破壞文物表面結構，故需要對模型進行再次修補和優化處理。

2.4 紋理映射

建成的三角形網絡模型不具備真實的顏色，這通常需要使用高清數碼攝像機捕捉紋理信息，之后利用特定軟件將這些紋理信息映射到模型上，盡可能恢復文物表面紋理，實現文物三維立體模型的全面重建。

3 三維激光掃描技術在文物保護中的應用優勢

隨著數字信息技術、云計算技術、測繪科學取得進步，以三維激光掃描技術為代表的測繪技術廣泛應用于文物保護中，滿足了文物保護的多元化測繪需求，實現高精度、高效率、無接觸共贏。

與傳統測繪方式比對，三維激光掃描技術在文物保護中展現出顯著優勢。例如，利用全球衛星導航系統（簡稱GNSS）定位文物遺址，無需通視，支持全天候作業；利用遙感技術（簡稱RS）快速采集文物基本信息，在室內就可完成大量探測、檢測工作，打破時空限制，提高工作效率；利用地理信息系統（簡稱GIS）進行文物信息管理和維護，實現文物數據查詢、統計、分析，加快文物管理智能化和數字化建設。不僅如此，傳統測繪方式只能提供二維圖樣，比方說平面圖、立體面圖等，而三維激光掃描技術則能夠識別和提取文物上所有的點云數據和紋理，包括制造材料、工藝特征等，是對傳統測繪手段的超越。再者，三維激光掃描儀能夠以每秒100萬點的速度掃描，將原本需要數天或更多時間完成的工作縮短至幾小時內完成，最大程度地提高了工作效率。此外，三維點云數據的合成和分解使內業處理更便捷，并打破傳統測繪方式對外業工作人員的依賴。三維激光掃描可通過非接觸性方法收集文物信息、觀察、檢測和修復文物，杜絕了傳統肢體接觸性收集和管理文物而對文物造成的二次傷害。

三維激光掃描技術的應用為文物搭建了既全面又具體而微的模型，采用這一技術進行文物信息采集、修復和保護等已成為國內博物館的一致選擇。

4 眉縣博物館應用三維激光掃描技術保護文物的具體實踐

4.1 在文物信息采集中的應用

在文物信息采集與收集方面，三維掃描技術具有明顯的優勢。通過三維掃描獲得的文物信息可以方便地進行數字化存儲、管理和展示，對于一些脆弱或者復雜的文物，傳統的測量方法可能會對其造成損害，而三維激光掃描技術可以在無接觸的情況下，快速、無損、完全地獲得文物的完整幾何形狀和結構信息，包括文物的細節和表面紋理。例如，眉縣博物館利用三維掃描技術在文物采集方面的優勢，借助大數據、“互聯網+”技術，成功加入陜西省文物藏品管理系統，推進了館藏文物數字化、智能化存儲。依托平臺，博物館對涵蓋各類青銅器、陶器、玉器等在內的文物藏品進行數據采集，采用非接觸式掃描設備，高精度還原藏品原貌，建立數字化檔案，推動文物信息采集、分門別類、保存、查詢和檢索、統計的一體化運行。截至目前，利用三維掃描技術在陜西文物藏品管理系統已成功采集并導入青銅器、陶器、書畫、玉器、碑帖、瓷器、石器等文物珍品數據信息，共計2300余件（組），建立了一套完整的文物資源管理系統，為實施教育活動、開發文創品、管理文物提供了明確的信息，并實現館藏文物資源高效檢索和征集。

4.2 在文物數字化保護中的應用

通過三維激光掃描得到的文物數字模型，可以永久地保存在數字博物館中，使得文物的保存不再受物理條件的限制，也為文物的永久保存提供了可能。例如，眉縣博物館依托3D激光掃描打印技術，啟動館藏文物制模工程，以期還原諸多文物的原貌。2022年，向國家文物局提交《關于申請復制拓印四十三年逨鼎等11件館藏一級文物的請示》（眉博物字〔2022〕9號），并得到審批，建立制模清單和進行拓印文物編號，此工作按照批準方案正在實施當中。同時對眉縣博物館館內包括漢十二時辰規矩銅鏡、西周父辛銅方鼎、西周列旗紋銅簋、戰國銅扁壺等19件文物進行三維掃描建模，用于日常展覽、借展、歷史文化研究等，完美再現每件文物的制造細節、初始面貌。此外對模具、文字和影像資料保存好，通過建立文物拓印庫房、搭建拓印數據庫的方式實施，加大對拓印文物保護力度，擴大文物數字化保護工作在博物館應用范圍，加快數字化博物館建設進程。

4.3 在文物三維模型中的應用

應用三維激光掃描技術實行紋理映照，通過建立二維圖像坐標與三維模型表面點坐標的對應關系，將二維平面圖像映射到三維模型中，賦予實體模型色彩的紋理信息，可以展現生動多態的文物三維模型。具體操作流程包括使用UV拆分工具進行自動展UV操作、利用UV打包機軟件，利用UV編輯器進行展開操作，利用3D Studio Max軟件完成紋理映射。例如，眉縣博物館聘請專業技術人員，利用此項技術對“舉杯邀明月—眉縣酒文化展”的雕塑進行了紋理映射，完成文物三維模型。首先，準備好文物的三維模型和要采集文物的紋理信息。這可以通過拍照、掃描或其他方式完成，確保紋理清晰、分辨率高，并能夠覆蓋文物的所有表面。其次，根據具體的需求和模型的特點，選擇適合的紋理映射算法，應用選定的紋理映射算法，將紋理圖像準確地映射到三維模型上。最后，對完成的文物模型進行后處理，包括調整光照、陰影等效果，以使其看起來更真實。完成紋理映射后，導出成果模型。博物館利用此項技術，可以更好地展示和保護文物，通過高精度的模型，觀眾可以更深入地了解文物的歷史和文化背景，同時也可以為文物保護和研究提供更準確的數據基礎。

4.4 在虛擬展覽中的應用

三維虛擬現實技術是通過三維掃描得到的模型，打造出多功能文物呈現鏡像，可以在各種平臺上進行展示，使觀眾可以通過網絡或移動設備遠程觀看文物。此外，通過增強現實（AR）技術，觀眾還可以與文物進行互動，獲得更多的信息。博物館可以采用由華為研發的虛擬現實仿真平臺軟件（簡稱VRP），對文物進行三維美工設計，在多媒體設備上勾勒了具有真實感、意境美的文物畫卷。眉縣博物館依托三維虛擬現實技術，突出其直觀性、可感性、自動性、立體性等特征，為觀眾打造融合多源信息、雙向交互的三維文物動態圖景，讓觀眾沉浸在多元畫面交替呈現、多重功能協同發揮的虛擬文物鏡像展覽中，滿足觀眾多樣化的欣賞需求。例如，古代眉縣地區擁有深厚的酒文化，包括承載了千年歷史的酒器，上可追溯至仰韶文化時期，下至清代，比方說戰國時期的銅扁壺、秦漢時期的蒜頭壺、漢代的銅鈁、三國時期的耳杯以及盛唐的銀杯。這些酒器制造工藝精良，具有極高的審美價值。眉縣博物館特此利用VRP技術推出“舉杯邀明月—眉縣酒文化展”全景H5虛擬展覽，邀請觀眾在作品中走進博物館，詳細領略酒器的魅力。H5導入頁是各種酒器實物圖圍繞著標題，幾秒后自動進入線上博物館，可根據箭頭指引在博物館內徜徉，也可點擊下方的圖標直接跳轉至不同展覽位置，點擊展覽柜中的酒器，打開介紹圖，包括酒器實物圖和花紋詳圖，打開掛畫查看酒器介紹。同時，依據眉縣千年建筑文化，博物館利用VRP技術推出“斗拱馭飛閣—眉縣秦漢建筑文化展”，讓觀眾在虛擬增強現實技術的引領下走進建筑園林實景，設置自動播放的旁白，觀眾一邊聆聽關于眉縣瓦當王“成山瓦當”“長樂未央”“與天無極”的音頻講解，一邊瀏覽瓦當的三維立體化影像，了解瓦當制造的材質、藝術風格、蘊含的思想，學習我國古代源遠流長的建筑文化。進入H5后，俯瞰的VR實景將自動拉近，下方有“查看詳情”，詳細敘述眉縣古建筑的建造初衷和具體流程。觀眾可滑動屏幕調整俯瞰位置和游玩視角，也可雙指縮放頁面。點擊下方“進入館閣”可以踏上參觀之路，以雕塑為參觀游玩地標。點擊下方“主題建筑雕塑”，可進入介紹頁了解各個建筑雕塑的建設意義，讓觀眾更自主、更自由地暢游在虛擬景觀中，優化沉浸式觀賞體驗。

4.5 在文物修復中的應用

在文物修復過程中，三維掃描技術為修復師提供了精確的文物原始狀態數據，使修復工作更加精確、科學。同時，通過對比修復前后的三維數據，可以評估修復工作的效果，為未來的修復工作提供參考。例如，眉縣博物館聘請有資質的專業技術人員利用三維激光打印技術對部分殘損文物進行配缺，有效輔助修復殘損文物，并保留其原始痕跡。該項技術有直接快速打印和間接快速鑄造兩種方法。直接快速打印利用激光直接熔融金屬粉末，簡化了生產流程。間接快速鑄造通過制作蠟模進行鑄造，能夠減少成品的誤差，保證修復的精準性和文物原始特性。對此，還利用藍光3D掃描技術獲取待修復青銅器的精確三維數據，并使用三維計算機輔助設計軟件對館藏西周父辛方鼎、西周列旗紋簋等文物進行修復，對其相應資料進行數字化設計，以便準確模擬出原始器物的鑄造細節，并可直接通過3D打印輸出蠟模。在傳統的文物修復過程中，從最初模型制作到最后的失蠟鑄造，每個階段的模型轉換都可能導致尺寸收縮，總收縮率可能達到10%。修復技術人員需要豐富的經驗和技巧，在修復初期就著重關注收縮現象，通常將模型放大約10%。現代技術通過計算機建模和直接輸出蠟模的方式，可以精確調整模型大小以補償鑄造文物時產生的收縮空缺，避免傳統方法中的誤差。打印技術采取的是光固化LCD掩膜技術，這是一種利用LCD屏幕作為光源進行光固化的先進技術。與傳統的光敏樹脂選擇性固化打印（SLA）和連續液體界面提取技術（CLIP）相比，LCD掩膜技術具有更高的精度、結構簡單、耗材通用性強和成本低廉等優點，為銅洗、銅鏡文物的修復提供了高效精準的修復方案。

5 總結

眉縣博物館利用三維激光掃描技術，成功為部分館藏文物進行建模和修復，為文物勾勒了全面細致的輪廓，實現了文物信息的全方位收集和采集、展覽的虛擬化和數字化建設、文物樣貌的修復等。在今后，博物館應進一步加強三維掃描技術的應用和探究力度，更深入地管理和保護文物，讓文物在當代永葆生命力，延續千年眉縣歷史文化。

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