三维数字化技术在非物质文化遗产保护中的应用研究

何晓丽　牛加明

摘要：数字化保护是“非遗”保护发展的一个趋势，以端砚三维数字化实验为例，利用三维扫描与数字摄影测量方式相结合的方法建造端砚的真实三维纹理的虚拟图像。文章探讨三维数字化技术在非物质文化遗产保存、传承、发展以及在相应资源数据建设中的重要作用。

关键词：三维数字技术；“非遗”保护；端砚；中国传统工艺；民族文化；民间艺术

“非遗”的保护开发对保护民族文化，提升民族文化价值，增强文化认同感、自豪感等都具有重要的意义。用数字化技术保存与研究非遗是目前最先进的方式之一，国内外已进行了多样化的尝试，美国是采用田野调查与数字化手段充分结合对非遗进行数字化保存与整理最好的国家，斯坦福大学的数字米开朗基罗项目通过三维激光扫描对米开朗基罗主要作品的数字化技术水平至今难以超越。欧盟、日本、加拿大、澳大利亚、韩国等也在这方面做了大量工作。欧盟支持的3D-Murale（3D Measurement and Virtual Reconstruction of Ancient Lost Worlds of Europe system）系统由一系列可以记录、重构、编码、可视化古代建筑、雕像、陶器碎片、地层、地层、地形地貌的工具组成，主要用于可视化古代欧洲的建筑、雕塑、器物等，如利用该系统重建的酒神狄厄尼索斯像。2001年，联合国教科文组织就曾面对濒危的印度卡提亚达姆梵剧，提出建立梵剧档案和资料馆的保护方案；2004年12月与三星电子有限公司合作，以阿塞拜疆国家地毯博物馆为依托，支持与推动护丝绸之路文化遗产数字化保项目等。国内“非遗”数字化工作本世纪初开始起步，多种先进的仪器和保护方法在“非遗”保护中得到了广泛应用，这在很大程度上促进了“非遗”保护工作的进展，如浙江大学CAD&CG实验室将最新的数字化技术应用到民间舞蹈的保护，对剪纸艺术的数字化保护技术开发与研究等。

本研究将三维数字技术引入到第一批国家级“非遗”项目——肇庆端砚保护中，端砚是民间工艺中的精品，然而端砚精品及一些优秀的作品多被博物馆和私人收藏，学习者、研究者和普通百姓难得一见。因此对博物馆收藏的端砚文物、端砚制作大师自己保留的作品、部分藏家收藏的精品端砚等进行三维数字化处理，采集的三维数据文件可以制作成数据库文件，还可以建设VR虚拟漫游形式的交互文件，不仅能提供信息存储、学术交流和资源共享，还能促进“非遗”的共享，普及砚雕技艺，而且对促进端砚的整体性保护也具有重大的意义。

一、端砚三维重建技术及方法

目前常用的三维数字化技术有数字摄影测量、三维扫描和VR即虚拟现实技术三种，本次测试采用了这三种方法进行三维重建。为了安全和方便起见，从肇庆一端砚厂购置了一块手工雕刻的二龙戏珠图纹端砚作为样品。

（一）VR虚拟现实技术

在实验室设定好拍摄光线等，将端砚放置在匀速转盘上，根据转盘的速度用佳能5d3相机、50mm定焦镜头拍摄12张照片，然后在变换端砚的位置，拍摄刚才没有拍到的地方，在电脑端对图像进行处理，用软件（如造型师等）拼接成一个端砚三维图像。

（二）摄影测量技术

本次试验采用的国内某公司的数字近景摄影测量系统，其原理以计算机视觉原理（多基线）代替人眼双目视觉（单基线）传统摄影测量原理，能把普通单反数码相机获得的影像进行快速精密地重建为三维图像。该方法能在分析文物几何空间关系的同时获取色彩纹理图像，但对光滑物体表面分析时误差较大。

围绕端砚一周拍摄，要求每张照片都要有与上一张40%以上的重合，并保证端砚在图像的中间位置，把拍摄的照片用Photoshop进行灰度处理和边缘增强，然后导入测量软件中，根据软件流程对数据进行处理，形成端砚点云数据。现在获得的点云中仍存在着较大的噪声，如果直接基于初始点云重构端砚表面，得到的图形表面将有一些高低不平，边缘锯齿状呈现，与实物存在较大差异，从视觉感官上效果比较差，因此使用编辑工具删除模型中的噪声点，再进一步经过平滑、去噪，采用平面投影法对点云进行三角化，并将三角网转换成面，得到最终的端砚点云，最后通过纹理映射形成端砚三维模型。

（三）三维扫描技术

三维扫描仪大体分为接触式和非接触式两类。非接触式分为光栅式三维扫描仪也称拍照式三维扫描仪和三维激光扫描仪。接触式三维扫描仪在实际进行测量时对物体表面有损伤，一般很少使用。光栅式三维扫描技术利用摄影测量原理，扫描过程耗时较长。三维激光扫描仪能快速精确地获取物体的三维信息，但目前绝大多数市面上的激光扫描仪都是单色激光，所以其所形成的物体模型缺少色彩纹理，同时也不能适用于黑色和透明的物体。

由于端砚本身色泽发黑，黑色吸收一切光线，所以无论采用光栅式还是激光式进行扫描都难以得到较为准确的数据，因此在本次试验中对端砚表面喷涂了显影剂，然后用深圳精易迅公司的一款光栅扫描仪进行处理，获得精确地点云数据，最后利用扫描仪自带软件自动对准形成三维点云图像。

（四）摄影测量技术与三维扫描技术结合

端砚除了有丰富的雕刻细节，还有不可忽视的表面纹理及艺人或文人在上面的题字等信息，只有将多方面的信息融合在一起才能完整地重建出真三维真纹理的端砚模型。在以上结果的基础上，我们又进行了三维扫描点云数据与数字摄影测量方式形成纹理数据重叠方式进行实验。即将三维扫描仪获得端砚的几何数据导入到摄影测量软件中，将摄影测量方法得到的色彩纹理数据映射到三维扫描数据中，重新得到真三维真纹理的端砚模型。

除以上方法外还可以使用一些软件建模，如Geomagic、Polvworks等逆向工程软件在进行非标准物体建模时较为常用，将构建的三角格网模型导入到3D Max等软件中进行贴图。但目前来看这种方法工作量巨大，其所建立的数据在对“非遗”保护并没有实质性的帮助，因此不作为推荐。

采用以上方法获得端砚三维模型各有优缺点：

从最后成像效果来看：数字摄影测量技术最好，能形成真三维真纹理的端砚模型：三维扫描只能形成真三维，无法体现真纹理；VR技术形成的只是平面影像还不是真正的三维图形。

从成本考量：采用VR技术最为便宜，只要有数码相机和一台性能较好的电脑就可以处理，而采用三维激光扫描仪成本最高，大型三维激光扫描仪上百万，普及型的也要十几万以上，还远远达不到消费级水平。数字摄影测量软件价格不等，从目前了解的情况来看测量价格较高，整套软件30多万，除此外俄罗斯、加拿大等过也有类似软件价格在万元左右。

从数据精确度来看三维扫描仪最为精确，其精确度可以达到0.1mm，有的可以精确到0.01mm，本次测试由于端砚色泽问题，为了扫描仪能准确地识别在端砚表面喷了薄薄的一层显影剂，致使一些刀痕、刀路等细节缺失：其次是数字摄影测量方式，相机像素越高，距离物体越近，拍摄越清晰，其精度也就越高，精度可以达0.1mm。VR技术在这方面基本没有优势，所形成的只是平面图像。

从工作时间方面来说，三维扫描仪所需时间较少，一次可以扫描一个面，在电脑端可以自动合成三维模型，数字摄影测量方式所需时间最多，在后期内业处理时需要对每一张图片进行处理。

根据不同用途，可以采用不同的方法，如仅仅是为了建立虚拟展示可以选择VR技术，如果是为了保存更多的数据，可以选择三维扫描方式或数字摄影测量技术

二、三维数字化技术在端砚保护中的优势

根据以上实验结果可以看出三维影像具有以下几个突出优势：

（一）三维影像资料直观、逼真、易懂

二维平面数据资料所获的数据只是单一视角信息，缺少其他视角信息，使用者只能了解一些简单的信息，而三维影像除了上下和左右两个维度之外，又增加了一个前后维度，这样在二维平面中无法了解的信息如雕刻的深度、刻刀的转折、物体背部的信息等都可以展示出来，非常直观地反映出物体的具体状况，普通观众欣赏时能产生逼真、直接、具有空间感的的感知。

（二）全方位多角度的完整记录

端砚的六个面可以通过照片、拓片、图纸记录，但它们具体的空间组合关系无法通过这种平面形式表现出来。三维数据能够多角度、完整地、立体地、反映出端砚的信息。现有的三维扫描仪（无论激光扫描或结构光栅扫描）可以非常准确高精度地将人视野所能看到的各个面记录下来，且所得数据精度可以达到0.1mm甚至0.01mm，与传统手工测量相比其准确度可以提高数十倍甚至上百倍。

（三）消除信息采集死角

以往对端砚信息采集时候较为重视其雕刻面而忽视其他面，另外采用传统方法时雕刻曲线、凹凸、被遮住的地方很难准确的反映，而借助三维扫描技术和数字摄影测量技术数据采集时能够克服不规则形状物体数据采集的难点，只要是能看得到的地方都可以轻松获取，可以连续而不留任何死角地反映出端砚全部细节信息。

（四）资料可以长期保存

传统的保存介质难以长久保存，时间长了纸质、照片等容易发霉、脱色，磁带容易脱磁，如果保存不当很容易发生虫蛀，水火等灾害也时有发生。而获取的端砚三维数据存储为数字信号内容，可以借助光盘、硬盘、半导体等数字存储载体等长期保存。

（五）有利于网络传播

网络已经深入到人们的日常生活之中，将端砚研究文献端砚作品三维数据、技艺传承人口述史、技艺介绍等资料分门别类，建立一个端砚研究数据库，并将其内容发布到网络，可以方便人们检索，使其被更多的受众认识、接受并进行传播。

（六）能基于三维图像能产生近乎真实的体验

把采集的端砚数据通过软件处理后，输出至专业VR制作软件进行素材整合，即可生成端砚制作技艺的VR虚拟交互演示文件。建立一个端砚雕刻场景，可以对其进行虚拟模拟雕刻，让人们在模拟的环境里体验并操作，建立一个虚拟博物馆场景，可以让人感觉如同真实的端砚博物馆，使体验者在非真实的体验过程中得到近乎真实的体验效果，这样的体验方式能吸引更多的人参与进来。

三、端砚三维数字化资源的应用

对收集整理的端砚三维数据还可以进一步加工整理、应用，如果仅仅采集资料而不加以应用，那就失去了数字化的意义，端砚的三维数字化数据对今后的科研、传播、交流“非遗”的普及等都有着重要的意义。

（一）科学研究与学习需要

利用三维技术获得端砚三维影像可以为不方便见到实物的研究者提供精准的可测的数据资料，以及准确的纹理信息等如广东省博物馆镇馆之宝清末广东三大名砚之一的千金猴王砚被珍藏于玻璃箱中，由于光线等方面问题，很难看清楚该砚的雕刻细节，如果采用三维数据模型，观众就可以从电脑屏幕看到雕刻细节、造型特征、甚至细致入微的刀路等都能分辨出来。条件许可的情况下可以将三维数据用三维打印或者雕刻的方式重现大师的作品，这对于端砚的研究者、传承者、爱好者来说如同亲手抚摸大师作品一样，可以从细节等方面详细的理解大师作品的技法等。

（二）满足“非遗”文化交流和传播

可以建立虚拟场景，如博物馆场景，将端砚三维数据融入到场景中，形成虚拟数字化博物馆，发布到网络上，用户可对端砚进行任意的视角改变操作，近距离多方位观看，借助软件可以任意测量其各个部位的深浅到底、弯曲状况等数据，这样可以让更多的公众近距离了解端砚，起到科普和宣传的作用。

（三）进行虚拟端砚设计

三维数据资料除了为研究人员提供详实的资料外，还能为端砚设计人员提供基于三维立体场景的虚拟设计等

因为端砚原石是不可再生资源，由于无序开采，为了保护资源政府对一些老坑已经封闭，现存的老坑石料已经很难得到，一些艺人手中珍藏的端砚石料如果要进行雕刻，可以利用数字化的方法进行虚拟设计，如用其他便宜材料进行进行雕刻，转化为三维数字格式以后，将原石材质纹理映射到数据上，进行多种类型的尝试，确定好最适合的雕刻方式和图样以后才开始真正对原石进行加工，这样就可能避免一些错误，使得原石的价值最大化。

（四）提供“零距离”的虚拟参观体验

大师级别的作品价格高昂，一般都被收藏家或者博物馆艺术机构收藏普通人难得一见。随着现代科技的发展，各种虚拟展示方式开始普及，一些家用级别的VR头盔眼镜等设备也进入人们生活，利用触控屏幕三维影院、VR技术AR技术，游客可在随时进入虚拟展厅与进行深入体验和互动。触控屏幕可以方便浏览者自主选择视角、内容对端砚任意放大缩小、改变方位的欣赏；VR头盔等可以给用户带来更真实的体验：使用三维交互控制器可以让游客在三维空间直接进行互动操作。这样可观众可以通过真实、生动、有教益的“虚拟参观”体验体会“非遗”的精髓魅力。

总之，随着对“非遗”保护理念的逐步加深，人们越来越认识到数字化技术对“非遗”保护的重要性，利用三维数字化技术保护“非遗”可以弥补现有措施的不足。一方面这些数据资料能在网络中被永久保存，而且能快速方便的传播与交流，资料的应用与普及也远超现有的保存的方式；另一方面可以将大师作品的三维数字模型直接用3d打印机或雕刻方式复制出来，制作成旅游产品等，这都为今后的端砚的保护与研究打下良好的基础。

（责任编辑：徐智本）