三维扫描技术在牙骨角器藏品数字化中的应用

张楠　靳旭　宋苑

摘要：三维扫描技术是一门新兴的立体测量技术。麋鹿苑运用三维扫描技术初步完成了对馆藏鹿角藏品的数据采集、加工工作。三维扫描技术与鹿角藏品的结合对糜鹿苑的科研、科普、旅游产品开发，以及未来鹿角比对系统的研发工作产生了积极的影响。

关键词：博物馆 三维扫描 鹿角 藏品 三维模型

中图分类号：J05 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）04（a）-0016-02

三维扫描技术是一门新兴的立体测量技术。该技术以激光或结构光为测量媒介，能够快速采集物体表面的三维坐标信息，获得完整的原始测绘数据，并高精度地重建扫描实物。目前，三维扫描技术已在虚拟现实、建筑设计、能源化工、考古发掘等诸多领域得到应用。这一技术具有精度高、速度快、数据通用性强、节约时间和成本等特點，且不会造成测量物表面的变形和损伤。因此，近年来，我国已有部分博物馆采用三维扫描技术对易受损坏的藏品进行数字化处理。

在博物馆中，牙骨角器是一类较为常见且易受损坏的藏品。以鹿角藏品为例：鹿角的主要成分是碳酸钙，表面极易受到酸的侵蚀。在鹿角藏品的鉴别、研究、布展等过程中，往往需要对其进行测量、拿取和搬运。鹿角长期暴露于空气中，或触碰到手部油脂，会增加其遭到污染、酸化的风险，容易造成珍贵标本、文物的损耗和损坏。与此同时，部分鹿角枝权繁多，三维形态复杂，传统的陈列方式很难充分传达藏品蕴含的全部信息。因而，如何将新技术与博物馆展示方式紧密结合，提高藏品的数字化程度，增加其知识含量与互动性，已成为博物馆发展中需要探索和思考的问题。该文仅以北京南海子麋鹿苑博物馆为例，探究三维扫描技术在鹿角藏品数字化工作中的应用及成效。

1.麋鹿苑博物馆的概况

北京南海子麋鹿苑博物馆，又名北京麇鹿生态实验中心，是一所以麋鹿研究、生物多样性保护为主旨的科研、科普性事业单位。它坐落于北京城区东南方约10km处，占地面积约55 hm²。作为北京第一批免费向市民开放的户外生态博物馆，北京南海子麋鹿苑博物馆（简称麋鹿苑）在传播科学知识，引导青少年认识自然、探索自然等方面发挥着重要的作用。

自1985年成立以来，麋鹿苑常年致力于麋鹿及鹿角相关课题的研究。目前，馆内收藏有各类鹿角标本、亚化石、古代文物近万件，涉猎鹿类包括麋鹿、马鹿、水鹿、梅花鹿、西伯利亚狍等多个物种。庞大的鹿角藏品数量一方面为物种甄别、形态研究等科研工作带来了巨大的挑战，另一方面，对藏品展示、数据管理、藏品归类、博物馆数字化、藏品保存等工作提出了更高的要求。

2015年，麋鹿苑运用三维扫描技术对馆藏的约50件鹿角藏品进行了数据采集和加工工作。三维扫描技术的应用对麋鹿苑的科研、科普等工作产生了积极的影响。

2.鹿角藏品的数据采集步骤

藏品选取阶段，从麋鹿苑馆藏的鹿角藏品中筛选出不同年龄段、不同鹿种，具有代表性和特殊性的鹿角，并对藏品进行物种鉴别，清洁、人工测量和备案登记。选取的鹿角物种具有多样性，包括麋鹿、马鹿、梅花鹿、狍子、白唇鹿等。

二维数据采集阶段，考虑到鹿角的形态复杂，在安全性方面具有特殊要求，藏品由专业人员负责搬运，并根据不同藏品的外观形状、保存状况、应用要求等因素配置灯光，调整拍摄方案，从多个角度进行摄影。摄影后，针对未来不同应用方式的图片进行不同的图像处理、格式转换和保存管理。后期处理以图片需要为依据，进行包括纠偏、去噪、调整量度、对比度、裁剪、合成等方面的调整和输出。二维原始数据按照RAW格式保存，分辨率300 dpi以上（见图1）。

三维数据采集阶段，通过三维白光扫描仪，以结构光源投影到藏品表面，将物体的表面形状转换成几何点坐标数据。点坐标数据经过除噪声点，数据插补，数据光顺，点云拼接等后期处理，投入数据的深度处理及建模。即在点云数据预处理的基础上，对于海量的复杂点云数据进行数据精简、数据分割、提取特征值，并根据数据各面片的特征分别进行曲面拟合。通过在面片间求交、拼接和匹配，使之成为连续光顺的曲面，获得藏品的三维模型。此后，经过结合此前采集的藏品二维数据，对三维模型进行纹理映射、纹理合成、表面着色等方法，给模型表面赋予颜色、光泽度和透明度等属性值，生成具有真实感的三维物体。根据后续开发和应用的要求，三维数据保存为STL、OBJ和DXF等格式，可以进行翻转缩放预览（见图2～图6）。

3.三维扫描技术的应用意义

麋鹿苑鹿角藏品的三维数据采集对藏品的研究、保护、展览、宣传及博物馆功能的建设具有一定的积极作用。

从科研层面看，藏品的三维数据采集能够满足科研人员对测量数据的需求。通过考察各个年龄段鹿角的体量、密度、三维结构等因素，科研人员可以对鹿角藏品进行更深层次的科学研究，探寻鹿角生长发育中规律，研讨鹿角标本、文物鉴别的新标准，提高博物馆藏品保护、管理工作的水平。

从科普层面看，藏品的三维数据的采集可以积累鹿类动物和鹿角形态方面的科普资料。采集形成的图形和模型具有多种用途，可应用于包括高质量二维打印、高精度三维打印和科普衍生品加工、科普宣传展示和出版等各种应用要求。由此，使社会大众拥有更多了解鹿类动物的机会和渠道，推动科学知识的普及。

从旅游产品开层面看，鹿角作为鹿科动物最具代表性的体貌特征之一，其形态兼具力量与美感，在广大游客心目中是一种不可代替的符号。鹿角藏品的二维、三维数据采集、模型构建，为鹿角相关旅游产品的设计和开发提供一条捷径。

从创新层面看，目前我国国内鹿角藏品大规划的数字化采集的先例较少。其采集成果是对鹿角形态研究、藏品展示、博物馆数字化工作的一次探索和实验，为日后高新技术与自然科学研究、博物馆研究的广泛结合打下基础。

从未来发展层面看，鹿角藏品的三维数据采集为‘饨角比对系统”的开发做好了准备。目前，在馆藏藏品分类和文物鉴别过程中，单单依据鹿角的形态，分辨出鹿角所属的物种是有较高难度的，特别是在对鹿角残片和已被制成工具的鹿角制品进行鉴别时。以往的鹿角种类鉴别工作，主要是依靠专家学者对鹿角的近距离观察，凭借自身经验，通过鹿角形态的比对，进行较为模糊地界定。这种传统的鉴定方式，效率低，周期长，主珊眭大，难以胜任藏品批量鉴定，并且在鉴定过程中，容易对珍贵的藏品进行损害。鹿角藏品的三维数据采集、数据分析、模型建立，使通过计算机技术筛选、鉴定不同物种鹿角的独有形态特征成为可能。