三维激光扫描技术在国家博物馆的应用初探

马玉静



三维激光扫描技术在国家博物馆的应用初探

马玉静

三维数字化 三维激光扫描 三维数据

利用三维激光扫描技术建立馆藏文物的三维数字化档案，对博物馆文物收藏、研究和展示具有重要的现实意义。国家博物馆在对三维数字化需求充分调研的基础上，利用三维激光扫描仪开展文物的三维数据采集工作，使三维数据在数字展厅、网络展示等方面发挥了积极的作用。

一、国家博物馆三维数字化应用需求

由于文物的真实和不可再生等特性，对那些易损毁的文物，应尽量减少提取、触摸。三维激光扫描技术能以无接触、无损害、全方位完全数字化的方式准确、有效地记录文物真实信息，并能在虚拟现实领域以生动、交互的手段集中展示，这对实现资源共享，扩展文物展示空间，展示历史文化具有重要的现实意义。

中国国家博物馆现有藏品数量约120万件。受现实展馆空间限制，大部分藏品无法展出，影响了博物馆服务于社会教育和文化的程度；另一方面，伴随着网络及多媒体技术的发展，通过讲解和说明文字接受信息的传统模式已不能满足博物馆观众的需求，各种形式的实践与互动活动更具吸引力。因此，利用数字展厅和网站作为展示平台，通过文物藏品三维数据采集、模型建立及纹理映射等，采用虚拟展示和交互技术，扩大藏品展示空间，丰富藏品展示内容，是新形势下国家博物馆的重要工作。

由于馆藏对象是博物馆文物藏品，采集的目的一方面为了配合数字展厅及数字博物馆建设，另一方面为博物馆藏品保护以及复制研究提供精确的数据，因此对设备采集精度和色彩还原度有着特殊要求。国家博物馆经过充分调研论证，最终选择了加拿大Arius3D真彩色三维激光扫描仪设备，用于馆藏文物的三维数字化工作。该三维激光扫描仪与其他三维激光扫描仪相比的优势是：(1)能以高分辨率同步获取物体的三维几何形状和颜色信息，色彩还原度好，根据Digital-Color Checker SG颜色还原度测试，平均颜色还原度可达到93%以上；(2)几何分辨率高，水平方向的分辨率≤100um，纵向的分辨率≤25um，远超出一般的三维扫描仪；(3)三维数据后期处理功能强大，自带PointStream处理软件，功能丰富，可直接输出动画、红蓝立体片、打印切片等。

二、国家博物馆馆藏文物的三维数字化工作

国家博物馆以开展文物的三维高清模型和虚拟现实交互展示为目标，将部分馆藏文物进行了三维数字化采集及加工制作。现以馆藏兵马俑为例，详细阐述了三维数据采集流程。

1.三维数据采集方案确定

针对不同的文物采集对象，先制定明确的采集方案，在保证不会对文物造成损伤的情况下，开展三维数据采集工作。采集方案包括：采集对象分析、采集扫描区域划分、对采集数据的质量要求、采集的先后顺序、数据记录和存储的要求及采集过程中的相应注意事项等。

采集对象分析是开展三维数据采集的第一步，有些文物如青铜器、陶器等可以直接采集，而对于反光类如玉器、瓷器等，由于器物表面极为光滑，致使激光照到上面后的反射特别剧烈，从而导致扫描仪不能获得正确的数据，这就需要事先对文物进行处理，如在表面涂抹一些对文物没有危害的粉状物以消除反光等。

采集是通过激光系统横向和纵向的移动来获取文物数据，必要时需要对文物进行移动和旋转，人为的移动可造成扫描区域的重叠或缺失①，重叠部分越多，计算越多，拼接效果越好，但会导致工作量加大。所以要针对具体情况事先划分扫描区域，对每一扫描区域做好标记，对复杂部分要尽可能多扫描以保证足够的有效数据量。对于缺失部分，若面积较大则需要重新采集该部分区域，尽可能缩小缺失部分面积；若面积较小即产生孔洞，可以后期补洞。

采集数据的质量要求尽可能高，但要以数据应用作为依据。用于科学研究，一定要有很高的精度和色彩还原度，保证文物的真实性和数据的有效性；用于展示方面，则后期的加工处理、美化更重要，考虑到展示网络带宽容量、数据存储等，可相应降低数据的质量要求。

确定好采集的先后顺序，预估数据采集会达到的数据量，做好存储准备，并预测采集过程中需注意的事项，然后开展数据采集工作。

2.三维数据采集及数据预处理

在确定采集方案并完成协调工作准备后，三维激光扫描工作由文物保管人员和数据采集人员合作完成，前者负责文物的移动和旋转工作，后者负责三维激光扫描仪设备的使用和具体采集事项及数据后期的加工处理等工作。

由于文物本身呈现出来的三维立体特性，有些区域是激光扫描不到的死角，因此扫描的文物可能会产生孔洞；另外，天气状况如温湿度、环境光线、文物反射光线都可能影响扫描的数据，导致采集的文物图像与实物之间存在色差③；采集到的三维数据信息若要以不同角度旋转的方式自由观看，也需要通过后期制作动画来完成。因此三维数据预处理是数据采集和展示之间非常重要的一个环节。由于本案例数据采集的目标用于数据展示，因此在尽可能还原文物真实的基础上，对采集到的三维模型进行了简化处理而不会影响展示效果。采集后期的加工处理工作主要使用PointStream软件完成数据的拼接以及模型的建立，使用3Ds Max软件来完成细节的美化处理工作。下面重点介绍PointStream软件的工作原理及步骤。

(1) 数据配准

由于文物三维数据的获取需要采集多个不同的扫描区域并通过数据拼接来完成，每一个视点采集的点云数据都有独立的空间坐标系，要建立一个完整的三维几何模型，就要进行三维数据配准，首先旋转要配准的两部分放在同一个摄像机视图，在两部分图像中输入三对或更多配对的标志点，为加快配准的过程，标志点应尽可能精确，选取标志点时应避免三点在同一直线上或同一坐标平面上，标志点的选择尽量完全覆盖住物体，以确保数据配准精确。

(2) 色彩过滤和编辑

激光从极端角度扫描的时候会产生一些质量低劣的色彩点，这些点一般产生在扫描区域的边缘，或是高光区域，或是与背景重合的区域，使用软件自带的选择工具选中该区域，然后使用橡皮擦等擦除工具，将质量低劣的点删除。对于删除的点及扫描的空白部分，可以使用刷子等工具选择周围的颜色作为样品色，涂刷在空白的位置上，同时调整 Alpha (透明度)和 Hardness(硬度)值使图像的效果变得柔和。

(3) 补洞

激光在扫描过程中扫描不到的死角或配准之后某一部位缺失数据，即会产生所谓的孔洞。为解决此问题，理论上常采取两种方法：当孔洞出现在平面区域时，采用线性插值的方法实现；当孔洞出现在非平面区域时，采取二次曲面插值方法实现①。PointStream软件基于此原理，将这一问题变得简单易行，首先关闭物体本身的颜色，这样孔洞与背景色对比更明显，选定适当的参数值对孔洞进行填补或者修改。

(4) 设置场景灯光

没有灯光的三维场景，即使材质制作得再好也没意义，灯光设置对场景事物表现力有很大的影响，通过灯光的正确照射可将三维场景中的材质表现得更真实。通过调整光源的位置，从不同方向打上灯光，同时调整周围光线及散射光线的强度，使得扫描文物更真实、自然。

(5) 动画制作

将文物的3D模型导入PointStream三维图像处理软件，放置于正确的位置，并通过旋转使其正立，将文物制作成可以360度旋转自动播放的动画，在动画片段中设定帧的数量，如可以将一个360度的3D立体模型旋转过程设置成12帧，每一帧对应一个模型的方位，然后依次添加播放的帧动画并记录下每帧的ID号，在播放列表中选中全部ID号预览片段，就可以看到完整的动画播放。

三、国家博物馆三维数字化的意义

国家博物馆馆藏文物三维数据模型的建立，为进一步开展高精度文物的三维模型展示、虚拟现实场景的制作、交互式数字内容开发做好了准备工作。高精度的三维数据展示将从根本上改善国家博物馆藏品保护和利用现状，将馆内大量反映悠久历史文化和现代建设成就的藏品资源，以生动的、交互的、现代化的数字手段集中展示出来，丰富展示内容、增强观众互动，从而既有学术知识性，又有趣味观赏性。

第一，在数字展厅方面。博物馆文物藏品是信息的载体⑤，其蕴涵着丰富的历史、文化、艺术、科技等信息，这些信息观众很难通过直观看的方式充分领会。随着多媒体及网络技术的普及与发展，观众对展览的要求也逐渐变高，沉浸性强，互动参与性高的展览成为发展的一个趋势，而大屏幕、多媒体交互技术、虚拟现实等数字技术不仅能以直观、动态的方式将展品承载的多层次信息展示出来，还可以使观众利用多种感官体验感受获取信息，更有助于达到认识历史、感知以往的目的。数字展示将艺术与科技紧密结合，令观众耳目一新。

第二，在网络展示方面。高清晰的三维模型以网络的方式展示，使观众不仅能够看到全方位数字化的文物信息，还可以进行互动，观众足不出户就可以游览博物馆，打破了实体博物馆信息单向传递的限制。同时，由于网络空间的无限性，还可以将传统博物馆展陈中无法展出的文物信息，以虚拟的技术手段进行人为的加工创作，采用情景再现的方式还原历史现象，并采用各种视听材料进行深度的揭示与阐发，使观众获得藏品外在形态之外的深层次信息。如青铜鼎在古代不仅可以用来烹煮食物，还可以作为礼器用来祭祀神灵、显示尊严地位等，通过还原历史场景的方式，如可以设计祭祀大典、皇帝寿辰等故事情节，让参访者有如通过时空隧道置身于历史之中，达到于娱乐中学习历史、体验民族文化的目的。

第三，在文物保护、文物重建、藏品研究、出版发行等其他业务方面。随着博物馆数字化工作的进一步开展，三维数据在博物馆应用领域发挥着越来越重要的作用。在非接触状态下为文物建立三维数字模型，通过成型技术得到高精度的复制品，简化了文物复制的程序，对文物本身进行了保护；使用三维处理软件对已经建模的器物数据进行模拟修复，利用计算机对文物进行拼接复原，恢复器物原始形貌；将扫描获得的三维数据供不同用户开展继续研究、数字展示、教育宣传等工作，避免了借展藏品返还后很难再接触到、频繁出入藏品库房手续繁琐以及可能对藏品带来损害等弊端；制作授权许可的关于藏品的三维影像光盘或者其他的数字媒体介质(ipad、iphone等)，提供给出版发行、学校教育、艺术品收藏等相关人员使用，实现博物馆效益增值。

注 释：

① 杜 侃：《馆藏文物保护中数字建模技术应用研究》，《文物保护与考古科学》2011年第23卷第1期。

② 刘江涛、张爱武、臧克：《三维数字化技术在考古中的应用》，《中国图像图形学报》2008年第4期。

③ 胡少兴、查红彬、张爱武：《大型古文物真三维数字化方法》，《系统仿真学报》2006年第9卷第4期。

④ 吴玉涵、周明全：《三维扫描技术在文物保护中的应用》，《计算机技术与发展》，2009年第9期。

⑤ 冯承柏：《“博物馆信息学”札记》，《中国博物馆》2001年第4期。

〔责任编辑、校对 田索菲〕

〔作者简介〕 李春艳，女，1980年生，黑河学院文化旅游学院，讲师，邮编164300；彭传杰，男，1979年生，绥化学院助理研究员，邮编152061。

加强黑龙江地区俄侨文化遗产保护的再思考

李春艳 彭传杰

〔关键词〕俄侨文化 文化遗产 中东铁路 哈尔滨

〔内容提要〕19世纪末到20世纪初期，由于政治等多种原因，大批俄侨涌入黑龙江的哈尔滨等地区，他们在这里开办各种工厂、学校，创立教堂，创办各种报刊杂志，印刷发行。俄侨文化遗产包含了俄侨当时物质及精神文化生活的方方面面，黑龙江的俄侨文化是独一无二的，这笔文化遗产是黑龙江地区巨大可发掘的雄厚文化资源。关于俄侨文化遗产的保护开发利用，仍有诸多需要解决的问题。

沙皇俄国通过《中俄密约》获取了修筑中东铁路干线的特权。1898年，大批俄国修建人员借中东铁路的全面开工蜂拥而入中国东北，黑龙江哈尔滨迅速发展成为俄侨的聚居中心。俄国爆发十月革命后，哈尔滨成为俄侨理想的避难地，俄侨人数又大批增加。20世纪20年代左右，俄国爆发国内战争，促使俄侨再次选择进入黑龙江地区，其人数一度超过了当地中国居民的数量。直到30年代中期，黑龙江一直是俄侨聚居中心。“哈尔滨俄侨中心的形成远远早于欧洲的俄侨中心和上海的俄侨中心，哈尔滨的俄侨人数也远远超过欧洲俄侨中心的俄侨人数。”①俄侨在黑龙江地区开办了各种工厂、学校，创立教堂，创办各种报刊杂志，并出版发行。黑龙江地区俄侨文化遗产丰富具体，是一笔可以开发利用的巨大遗产资源。近些年一些学者就黑龙江地区俄侨的一些问题有过一些论述。例如，对俄侨的学术活动(撰写学术著作，创办期刊，发行统计年鉴等)的研究②，对俄侨的生活就业问题及社会地位的探讨③，还有教育等具体问题，但是对加强黑龙江地区俄侨文化遗产保护的研究，尚处于起步阶段，少有研究者关注④，鉴于此，不避浅陋，仍想就此问题作再次探讨。

一、 对黑龙江俄侨文化遗产进行系统全面梳理

“在1906年，俄侨的比例应是在80(%) —90%之间。到了1928年，俄侨比例还(保持)在65 %。即是说，在长达三分之一个世纪里，俄侨一直是哈尔滨居民的主体。”⑤人数众多的俄侨将当时具有相对优越性及先进性的文化植入了黑龙江地区，在工商业领域，俄侨曾经开办过磨坊、油坊、啤酒厂和蜡烛厂，还开设了俄国银行；在文化领域，俄侨创办了学校、教堂和印刷厂等，俄罗斯侨民在黑龙江地区留下了许多宝贵的文化财富。单从俄侨的著书立说中，就有巨大的文化遗产资源。“新中国成立前后，黑龙江地域俄侨学者在哈尔滨共出版了关于中国问题的著作上百部，发表论文上千篇，涉及民族、人口、政治、经济、文化、考古、国际关系、地理等诸多问题。”⑥《远东的鼠疫及其中东铁路管理局的防疫举措》涉及到现在国际热点——七三一鼠疫问题；《满洲的黑龙江省》《满洲的行政体制》等著述，不仅对黑龙江历史，而且对俄侨史、东北亚史、近现代国际关系史等的研究，都具有不可多得的史料参考价值。但是对这些俄侨著述记录资料还未全面展开，对俄侨文化遗产某个领域的研究有的只是一两篇文章，尚无专著，甚至存在多处研究空白，何谈深入研究。在中东铁路沿线分布着许多俄式建筑，除哈尔滨市区外，尚志市一面坡镇数量也很多，诸如俄侨文化遗产的建筑及设施正面临着被拆建破坏消失的危险。

“俄侨文化在世界上几处地方曾出现过，但是，哈尔滨俄侨文化却明显地与众不同，它是绝无仅有的。客观地说，俄罗斯侨民文化是上半个世纪中国东北文化的组成部分……当前我们在这方面的发掘工作还远远不够。”⑦对这些物质文化遗产，不能单纯靠文物普查，不能只靠国家定级定位，所以，当务之急对俄侨文化遗产的保护基础是全面，俄侨文化遗产保护范围应该包括民间、等级不高的遗产，不单纯以等级高低、规模大小为标准。“在文化遗产的保护性质方面，从重视重要史迹及代表性建筑……向同时重视反映普通民众生活方式的‘民间文化遗产’……以及‘与人类有关的所有领域’的文化遗产保护的方向发展。”⑧俄侨在黑龙江地区各个领域都留有宝贵的遗产资源，我们要尽可能地把这些尘封和几近破坏或消失的全部俄侨文化遗产发掘出来，全面整理保护继而才是深入有效管理开发利用。

二、 继续加大对俄侨文化遗产研究的经费投入

“文化遗产”的重要性在国际社会已被提升到关系人类文明生死存亡的高度，它是国际社会地位的核心竞争力。俄侨文化遗产的开发利用将成为黑龙江地区经济不可缺少的组成部分。如此，更加需要各级政府的经济支持与经费辅助。《文物保护法》规定应当将文物保护事业的资金问题，纳入本地区国民经济和社会发展规划，所需经费列入本地财政预算，但是，此规定没有具体实行，目前保护经费随着各地关注度时断时续，许多工作无法正常开展。如不能建立资金筹措渠道和维护机制，众多俄侨遗产将难以避免地被破坏甚至消亡。没有资金支持，就难以让文保工作有序进行，难以整合各大科研机构培养建设人才队伍。省文物管理部门应该争取国家经费支持的同时，积极吸收民间投资，鼓励公益事业的捐赠和赞助，成立文物保护基金会等，通过多渠道多途径，解决文物保护的经费需求。

三、 制定法律制度等相关方面的政策保护

上文论述过俄侨在黑龙江地区，在民族关系、宗教信仰、教育、建筑、经济发展、司法、自然科学、生态资源、出版业等领域都留下了丰硕的文化遗产。这些走向世界的文化遗产和研究领域，应该被重新定位，急需法律制度等方面相关政策的保护。《文物保护法》及其实施条例、实施办法，仍有许多不尽人意之处，普法及执法力度远远不够。黑龙江地区正处于一个经济迅速发展，现代化进程空前展开的转折时期，一些商业化运作中的大拆大建，势必会将积淀俄侨文化的遗迹拆除破坏，到时只能扼腕叹息。渴求相关法律制度的完善，加大普法力度，做到“保护文物、人人有责”；要使文物管理部门和文物保护机构具备相应的文物执法权力，更要提高文物管理的权威性。

总之，在全球经济飞速发展的今天，凭借得天独厚的黑龙江俄侨文化优势，在国家文物保护相关法律政策的大环境下，保护开发利用俄侨文化遗产，创造黑龙江经济与文化的辉煌将指日可待。

注 释：

① 荣洁：《哈尔滨俄侨文学》，《外语研究》2002年第3期，第45页。

② 彭传勇、石金焕：《民国时期哈尔滨俄侨学术活动的文化遗产》，《西伯利亚研究》2014年第5期；王亚民：《20世纪中国俄罗斯侨民文学研究》，兰州大学2007年5月硕士论文；郑永旺：《试论俄侨在“满洲”地区的精神遗产》，《东北亚外语研究》2013年第3期；赵建成：《试论在华俄侨的文学精神遗产及创作主题》，《青年文学家》2015年第27期。

③ 孔令秋、郭海霞：《20世纪初哈尔滨俄侨就业状况及其影响》，《北方文物》2015年第2期；付琳：《哈尔滨俄侨地位群体的演化及其社会影响》，哈尔滨工业大学硕士学位论文， 2007年7月。

④ 对此问题，笔者曾经进行过初步论述，参见彭传怀、李春艳：《加强哈尔滨俄侨文化遗产保护的几点思考》，《边疆经济与文化》2014年第10期。

⑤ 李延龄：《论哈尔滨俄罗斯侨民文化》，《俄罗斯文艺》1999年第3期。

⑥ 彭传勇、彭传怀：《黑龙江地域俄侨中国学研究初探》，《黑河学院学报》2013年第5期。

⑦ 李延龄：《论哈尔滨俄罗斯侨民文化》，《俄罗斯文艺》1999年第3期。

⑧ 单霁翔：《试论新时期文化遗产事业的发展趋势》，《南方文物》2009年第1期。

〔实习编辑、校对 阴美琳〕

马玉静，女，1981年生，硕士研究生，中国国家博物馆信息网络部，馆员，邮编 100006。

G265

A 〔文章编号〕1001-0483(2016)02-0108-03

G112 〔文献标识码〕A

1001-0483(2016)02-0111-02

黑龙江省哲学社会科学规划项目《黑龙江俄侨文化遗产保护问题研究》(14E096)阶段性成果。黑龙江省教育厅人文社会科学研究项目《黑龙江俄侨文化遗产历史定位问题研究》(12544067)阶段性成果。