文物数字化与三维展示方案

一、方案综述

根据数据获取方式不同，文物项目可分为古建街区、洞窟佛像、器皿、遗址现场发掘等技术方案。

古建街区包含古街区内的建筑、牌坊、古道古街等相关，属于文物史迹，以各种类型建筑为主，一般占地区域较大，街道较窄，房屋间距小，与周边环境联系较为紧密。

图表1 昆明古街区

洞窟佛像包括寺庙、石窟、石刻、大型佛像等，也属于文物史迹，一般体积较大，不能或者不宜整体移动，通常藏于山水之间，地理环境较为复杂，尤其石窟大多数都在山腹中，实地场景光照来源杂驳，对获取高精度佛像及壁画纹理信息影响很大。

图表 2 黄岩石窟

器皿等高精细文物包括陶器、瓷器、石器、铜器、玉石、绘画等，属于馆藏文物和流散文物，特点是，体量小，种类多，尺寸、形状、釉色、雕花图案、历史划痕等信息十分重要，是判断文物的产生时期、珍贵程度、收藏价值、修复方式等方面的首要依据。

图表3 麦积山石窟壁画

遗址发掘现场多数分布于各种地貌地形条件下，对挖掘土层深度、出土文物确切位置等发掘现场真实现状方面资料的获取，提出了更高的要求，以便对文物考古现场保护、文物信息的提取等提供参考依据。

图表4金沙遗址发掘现场二、数据获取设备

2.1 三维数据采集

根据文物项目的不同，在数据采集方面，需要使用不同类型的扫描仪进行数据采集，以满足项目的需求。

（1）地面固定式扫描仪

扫描仪需要架设固定站进行扫描，根据厂家品牌型号的不同，扫描距离一般在几十米至一百米之间，在测量距离10米处，精度可以达到mm(毫米)级别。

仪器特点：扫描范围广，主动测量，不受光源因素影响，多用于古建街区、洞窟、遗址现场发掘等大场景类型的数据采集。

图表5 地面固定式激光扫描仪

（2）高精度扫描仪

该扫描仪采用不同的测距原理，将扫描精度提高至亚毫米级，甚至微米级别，数据采集精度非常高，多用于佛像、瓷器、陶器、石器、绘画等对精度要求比较高的文物。

图表6 高精度激光扫描仪

2.2 纹理数据采集

文物纹理信息在文物复原保护、展示等方面具有重要的作用，在复杂光场环境下采集完成完整、真实的纹理信息。

纹理数据采集的质量主要取决于两个方面：一是相机及镜头的分辨率；二是专业的灯光设备及布光方案。

采用专业相机及镜头组合，可以获取分辨率及色彩还原度更高的影像数据。

专业的灯光设备及布光方案，则可满足在洞窟、寺庙、遗址等场景光源杂驳、过暗、偏色问题严重的特殊环境下，模拟出稳定的太阳光照环境，有效解决采集光源不真实问题。

图表7 灯光设备三、方案分类

3.1 古建街区

古街区一般占地区域比较大，房屋密集高，胡同巷道比较多，而且宽度较窄，由于古街区在当地属于历史遗迹，来参观游玩的游客很多，街区内人员流动较为频繁，交通情况比较拥挤。

在开始扫描作业之前，需要对街区进行现场踏勘，了解街区内各方面的情况，例如说街区建筑分布情况、对街区作业有影响的天气情况等等。

根据对现场的踏勘和卫星影像图及规划图等资料分析，将使用地面固定式三维扫描仪进行数据采集，对街区屋顶或者其它超出扫描距离的地物，计划采集数据方式有两种方案，一是在街区周围高层建筑顶层进行设站扫描，二是采用升降台、脚手架等辅助升高机械器材进行设站扫描，或者根据实际现场情况，将两种方案结合使用。

3.1.1 数据采集

标靶布设。为了保证后期数据拼接的精度，标靶在布设位置要有方便识别、有利观测等多个方面的考虑。

图表8 布设标靶

在扫描的过程中，根据扫描仪对回波数据的接收角度及点云间距，以及古街区街道的长宽等多方面的考虑因素，对街道两侧建筑进行扫描。

扫描完成以后，需要检查数据是否存在数据缺失及不合格的情况，并对以上情况进行数据补扫，最终完成整个街区的扫描数据。

图表9 街区扫描

纹理拍摄。对整个街区进行纹理影像拍摄，其中有一些要求需要注意，例如拍摄时一般需要进行试曝光，根据试拍结果调整相机参数，获取的照片应当明暗适中，不能有过亮或过暗的情况出现；拍摄时应避免阴雨天气、中午、傍晚、夜间等光线变化较大或过亮过暗的天气；根据纹理采集精度要求，以此计算拍摄距离、单张影像范围；拍摄时应当以获取目标整体影像作为参考，然后逐步获取细节影像，依据像片最外侧会有畸变及分辨率下降的情况，相邻相片重合率不应低于35%。

数据检查。在数据采集工作的后期，需要对点云与纹理数据的有效性与完整性进行检查。点云数据的检查，对整个街区数据检查是否存在数据缺失及不合格的情况，如有数据漏洞出现，可以立即进行数据补测。纹理数据的检查，将获取全部影像数据，需对照片做检查，检查纹理影像是否覆盖完整，影像质量是否合格，对于漏拍建筑和影像质量不合格的建筑，需要补拍摄和重新拍摄。

图表10 建筑外部

图表11 建筑内部

图表12建筑侧剖面

图表13结构空间浏览与测量

图表14 建筑线画图

图表15 建筑模型

图表16 360度全景点云浏览

3.2 洞窟佛像

3.2.1 布光方案

洞窟遗址等类型文物体积较大，不能或者不宜整体移动，通常位于山腹中，地理环境较为复杂，尤其是现场光照明暗不一致，甚至有些洞窟完全处在黑暗中，很多场景光源信息极难获取，极大的阻碍了真实纹理数据的获取。对于这种情况，需要对现场环境架设灯光系统。

在对洞窟、彩色佛像等进行光场布设时，使用普通光源因热辐射等问题会对洞窟、佛像等纹理颜色造成损害，故需要布置冷光源以减少对文物的不良影响。

图表17 冷光源

无影灯的使用，将洞窟佛像因视角、位置等问题产生的阴影尽量消除，能将色彩失真降到最低程度，并且无影灯还可以长时间的持续工作，而不散发出过量的热。

图表18无影灯

测光表用来测量洞窟佛像现场光源的强度，确定拍摄纹理时相机所设置的曝光时间，同时也可以控制现场照明的亮度，确保光强符合一定的要求。

图表19测光表

3.2.2 数据采集

正式开始扫描工作之前，在窟内进行现场勘察时，认真分析洞窟地形、造像分布特点，根据复杂结构的情况，合理设置扫描站点，对主佛、菩萨等主体造像着重考虑，尽量的避免扫描盲区的出现，重点保证重要的扫描对象不会在盲区中出现。

最关键的是扫描测站的布置，测站的位置关系到数据的完整性、工作量大小及项目进度等重要的情况，其原则可以概括为：使用相对较少的站数扫描出最完整的数据。

另一项重要工作就是标靶的布置，公共点是完成各个扫描测站拼接的关键，标靶与场景特征点作为公共点都是可以完成拼接任务，其重要原则是任一标靶放置一定要至少保证相邻两站都能看到，如果相邻的多站之间都能看到，这样对整个场景的误差累计有很好的约束作用。

在布设标靶时，需要考虑到现场环境，一是保证标靶的有效性，二是不能对洞窟、佛像等相关文物进行间接破坏。

纹理拍摄是在依据灯光系统进行的，通过各种灯光设备，在光源强度、拍摄

角度等多方面都适合的情况下，对各尊佛像、菩萨等主体造像进行多角度的纹理采集，确保数据采集的完整性。

图表20现场灯光

图表21灯光系统下拍摄的纹理照片

当天的扫描工作结束，要对点云数据进行拼接操作，检查数据的有效性、完整性，对所记录的扫描测站信息进行整理保存；对纹理拍摄信息，进行整理、检查等工作。

3.2.3 成果介绍

图表22 北石窟165窟顶部剖面图

图表23 大型彩色佛像

图表24 北石窟165窟

图表25黄岩石窟视频及虚拟展示3.3 器皿等高精细文物

器皿等高精细文物特点是种类多，体量小，它们的尺寸、形状、雕花图案等细节信息十分重要，是判断文物的产生时期、珍贵程度、收藏价值、修复方式等方面的首要依据。

图表26小型彩色佛像

3.3.1 高反光高精度扫描

很多器皿类文物并非由单一的材料制成，金属制品往往都是合金的，成分不纯的金属制品为数众多。而这些金属器皿具有强烈的高光和反光，在使用普通扫描仪进行数据采集时，由于其反光特点，很多激光数据接收不到，容易产生数据漏洞。

使用高精度彩色扫描仪，可以在短时间内能完成器皿类文物的精密测量并输出高精度、高分辨纹理信息的三维数据，通过不同的测量原理，和一些人为辅助手段，在高反光的情况下，采集到高精度的点云数据与纹理数据，从而解决这些问题。

图表27 雕像扫描

3.3.2 器皿类纹理拍摄

灯光的运用。对器皿类文物拍摄，使用的照明灯具是电子闪光灯，电子闪光灯是冷光源，一般不会对文物产生损害。

主要辅助器材的使用。三脚架在专业拍摄中必不可少，有利于构图和调焦，避免因手持拍摄而引起的抖动，可以确保纹理的清晰度；测光表负责调解光源强度等。

不同质地器物的拍摄。例如青铜器、陶器、瓷器、玉器等，文物的质地不同、形状不同，拍摄时使用的器材不同，拍摄方法也各不相同，运用的光线也不一样。

拍摄角度。文物的拍摄一般是在画面居中的位置，要注意透视问题，保证每张纹理主要拍摄目标不变形。

图表28 昆山陶瓷3.3.3 成果介绍

图表29 麦积山高精度模型

图表30关公铜像局部

3.4 遗址现场发掘

遗址发掘现场多数分布于各种地貌地形条件下，环境复杂，当前气候变化加剧，地震洪涝等灾害频繁发生，考古工作的紧迫性日益加剧，对挖掘土层深度、出土文物确切位置等发掘现场真实现状方面资料的获取，提出了更高的要求，以便对文物考古现场保护、文物信息的提取等提供参考依据。

图表31 遗址发掘现场

根据现场技术方案，可以实现快速拼接、实时数据浏览等，及时将现场发掘信息快速传输至信息中心，进行信息记录和分析。

图表32 多层数据快速拼接比较四、应用领域

4.1 文物电子档案

通过对文物的数字化工作，可获得真实的三维点云数据和影像数据，依据点云处理技术、三维建模技术等制作出高精度三维模型。

文物的三维点云、高精度模型可以表现出真实三维尺寸，是文物保护分析和修复的第一步，三维扫描数据的获得，积累了文物最原始的精确尺寸数据，利用扫描点云数据及高精度三维模型精确测量文物任意位置的长度、面积等，并且可以全方位地了解文物形貌特征。这不仅是传统的、单一的照相及绘图技术无法实现的，而且对于原物不会造成二次破坏，同时，对于文物病害的展示，也是最直观的方式。

建立文物电子档案以后，工作人员可以不进现场实地，不用靠近文物，不接触实体文物，可以准确掌握文物现状，详细了解文物的病害情况，并开展文物保护分析、研究工作和制定保护方案等。

图表33麦积山西大佛照片与高精度模型4.2 古建街区测量、修缮与保护

对采集完成的数据进行处理，依据项目标准，可制作出点云分类、分层、数据分块等成果，通过这些成果，可以浏览建筑内部和外部结构，测量檐高、层高等数据，辅助古建街区的修缮与保护，为它们提供了精确的数据参考。

图表34依据测量数据设计建筑图则

4.3 洞窟佛像器皿等现状图

文物现状图一般包括文物的平面图、剖面图、立面图等，这些图纸可以表示现存文物遗迹内部的结构或构造形式和分层情况，能够说明文物的重要尺寸信息，了解文物遗迹的重要组成部分，是文物考古的成果之一。

三维数字化制图比传统手工方式在工作效率、数据精确度等方面有着很大的提高。

图表35北石窟165窟前壁照片

图表36北石窟165窟横剖面（前壁）4.4遗址现场发掘真实记录

遗址发掘现场的保护，是发掘出土文物保护的第一步，是影响整个文物保护质量的关键一步，除了设法控制发掘现场环境突变，必须要对现场环境进行全面认真的调查和记录，例如出土文物的数量、类别、形状、颜色、保存情况、在墓葬中埋藏的层位、深度等，传统的文字记录、照相等技术在工作效率、数据精确度等方面已经满足不了日益增长的需求。

三维扫描技术可以获取全方位多角度的点云数据和纹理数据，记录并且保存发掘过程中的信息数据，包括层高信息、出土文物的层位和深度、文物之间的空间关系等，能够真实记录文物发掘现场，再现考古发掘前后的遗址原貌，这是考古学研究的重要基础。

图表37扫描模型

三维扫描技术在遗址发掘现场除了对原始环境三维信息的记录与保存，对现存数据进行分析比较等功能，还可以利用三维建模技术、虚拟现实技术、多媒体技术等对遗址进行建模、渲染等实现三维遗址重现，并且可以通过网络进行虚拟浏览。

4.5 文物虚拟修复与翻模复制

利用已有扫描数据，结合历史资料，在数字空间进行模拟修复，可以预览修复完成的形貌，相比现有纯人工方式更真实，精度更高，可作为考古分析资料，这对文物修复方案的制定实施都有着指导作用。同时，模拟修复还可以避免由于实际修复操作过程中反复比对、拼接对文物造成的二次破坏。

图表38虚拟修复过程

图表39麦积山012窟彩色雕像

在传统方法中文物的复制往往是在原物上进行翻模，这在一定程度上对文物的表面造成危害，特别是一些脆弱的易损坏的部分文物容易在翻模过程中发生无法弥补的损失，而应用三维扫描技术，可以在非接触状态下为文物建立数字模型，通过成型技术得到高精度的复制品，这样大大简化了文物复制的程序，而且最重要的是不对文物进行任何破坏。

图表40北石窟天王雕像

4.6 文物宣传视频与虚拟展示

依据真实三维点云数据，通过三维建模技术、CG动画技术等制作出高真实模型，并且模型数据量大幅度减少，可用于影视作品的制作、大场景的虚拟展示等。

图表41昆明聂耳故居

结合虚拟展示技术，可以将古建街区、文物遗迹的浏览效果提高到一个崭新的阶段，通过动态环境建模技术、实时三维图形生成技术等更加全面、生动、逼真地展示文物，从而使文物脱离地域，实现资源共享，真正成为全人类可以拥有的文化遗产。通过虚拟展示技术可以更快地进入信息时代，实现文物展示和保护的现代化。

图表42浙江黄岩石窟虚拟展示