三维数字化技术在文物保护中应用与作用

王飞 义县文物保护研究中心

一、文物三维数字化技术下的文物保护

（一）文化遗产保护的重要性

中国有着丰富的文化遗产和古老的遗迹资源。在自然因素和人为因素的双重作用下，文化遗产会受到一定程度的破坏。这种破坏往往是无法可逆转的，文化遗产资源是无法追回的。因而，文化遗产所附属的历史、文化、艺术、科学价值等重要组成部分也不再存在了。

文化遗产保护与合理利用，近年来已上升为党和国家的重大方针政策。加强文化遗产的传承保护，对于一个拥有五千年历史文化的大国来说，意义作用深远重大。文化软实力作为现代社会发展的精神动力、智力支持和思想保证，越来越成为民族凝聚力和创造力的重要源泉，越来越成为综合国力重要体现。“文化软实力是重要国力”已列入国家战略。

要系统梳理传统文化资源，让收藏在博物馆的文物、陈列在广阔大地上的遗产、书写在古籍里的文字都活起来，推动中华优秀传统文化创造性转化、创新性发展。加强文化遗产价值挖掘阐释，服务当代、服务社会，已成为整个社会的共识。

（二）文物三维数字化技术

基于激光测距的三维激光扫描技术，又称高清测量。由记录被测表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息，可以充分采集各种大型实体或实际场景的三维数据，进而得到物体的三维模型，如点、线、表面等。在物体的整个连续扫描过程中，物体的各种图形数据可以快速重建和扫描，得到了密集型三维测量目标点云的大小散射数据。通过计算机建模得到扫描对象的三维模型，然后对模型进行运算，得到扫描对象的信息。近距离摄影测量基于人眼的双目视野。通过拍摄不同位置的物体，通过切除正交方法计算该区域的内向和外向性元件，并且分析计算实际位置中的图像点的地面坐标，然后进行了三维模型分析测量对象。3D打印技术包括FDM融合层压技术和SLA立体声印刷版在文物复制过程中的应用。首先，3D数字技术用于扫描文化遗物，工业SLA高精度3D打印机用于输出3D图像文化遗物信息，以达到文化遗物再现的目的。3D打印机可以准确地测量到0.001微米，使其可以将与文化遗物的完全相同的副本复制并显示文化遗物的几何信息。

（三）文化遗产3D数字技术优势

三点激光扫描技术点云数据可以达到单毫米级，也可以达到亚毫米级。这是一种短程摄影测量或三维激光扫描技术，不与被测物体接触，最大限度地减少对文化财产的破坏，确保文化财产的安全。三维激光扫描技术可以对目标物体进行连续监测，无须人工操作即可对区域内的物体进行扫描。近距离测量技术通过计算机程序收集数据，自动生成文学模型。三维数字技术具有很强的抗干扰能力，可以在恶劣的环境下工作。与传统的手工测量技术相比，三维数字化技术可提高5倍以上，扫描范围超过5000米。

二、三维数字化技术在文物保护中的应用

（一）文化遗产三维信息的收集与存储

要使文化遗产的价值更受欢迎，最重要的是保存文化遗产的信息。达到文化遗产的保护不停止和可逆转，让利用三维数字技术将使文化遗产的信息永久性地存储在数字中。为了支持数字形式的文化财产信息，必须首先收集文化遗产的信息。目前主要的三维信息采集技术包括三维激光扫描技术和近程成像技术。利用这两种技术，可以对文物现有的三维几何信息进行数字化保存，并通过照片保存色彩信息。文化遗产信息采集完成后，可以以GIS平台、纹理和颜色的形式保存。管理员利用GIS平台的数据管理和显示功能实现自动检索，对文物信息进行管理和显示，减少文物保护人员的工作量，提高文物保护质量。

（二）文化遗产的复制

将三维数字技术应用于物体再现，采用物体的三维几何信息和三维打印技术，制作三维打印辅助书。3D打印副本具有高精度和高强度。3D打印复制技术实现了文化财产的高精度复制，实现了大型房地产文化资产展示的需求。

（三）文化遗产数字信息的获取

随着三维扫描硬件技术的发展，三维扫描仪本身也变得越来越小。斯坦福大学遗产保护项目的三维扫描了著名的10座雕塑，为我们提供了一个很好的例子，数字模型会变得越来越复杂。浙江大学开发的敦煌石窟虚拟漫游数字扫描复原系统是我国著名数字扫描技术的代表。考古学家不移动考古遗址，也不破坏考古遗址，通过对扫描信息的三维扫描，就可以对考古遗迹的个别文化属性进行扫描。这种考古方法最为准确，为文献的保护和修复提供了完整的考古图形资料。对于博物馆中的一些文化遗产，我们也可以通过三维扫描进行数字化和存档了。

（四）文化遗产的恢复

材料的数字复原技术是利用定点或非定点三维扫描仪扫描文化遗产，将材料的形状、材质、颜色、材质转换成数字信息室，并在室内形成个人电脑模型。模型是三维的，三维扫描仪的精度可以达到0.001微米。落下的沙子被打碎并扫描到碎片计算机上。收藏完成后，文化遗产的碎片和缺失部分可以通过数字雕塑软件进行修复。这不仅节省了大多数文物专家的工作，而且避免了文物修复过程中文物的二次损坏。目前流行的数字雕塑软件有pix0逻辑zbraush和autodask modbox。这使得复杂的三维造型就像让孩子们玩泥巴。当然，著名的3DMAX也是必不可少的工具。三维扫描仪扫描的数字信息可以通过扫描仪软件转换成多种格式，对其他雕塑和阅读软件也很有用。目前使用的三维数据格式有obj、DXF等，这些格式可以用主流的三维软件打开，生成的obj可以导出其他格式到3dmax00，用多边建模的方法重试路由。建立了最优路径方向模型。如果文化资产遭到破坏，你可以重新整理残片，创建一个新的文化财产模式。将redrivers和重塑模型转换为obj格式，并引入ZBrush或madbox。雕刻工具修剪根模型并雕刻纹理、铭文等重要细节。在zbriush雕塑之后，我们将模型引入3max并编辑UV映射坐标。接缝可以作为内角和文物的亲密点，它利用Photoshop等软件对文化遗产所需的数据和地图进行分析。最后，在对作品的纹理进行处理后，我们将3DMAX纹理烘焙器、光照图和高光泽度图结合起来，通过先进的3DMAX地形绘制技术，将文化资产、色彩和设计转化为数字模型，即高清数字单幅作品。最后利用3DMAX软件进行光学仿真渲染，并进行Vray渲染和虚拟现实生成，在软件修复阶段完成文化属性的生成。这些数字模型被直接应用到动画、电影和在线互动媒体中，让更多的研究者了解文化属性的价值。

（五）文化遗产在再生产中的作用

FDM技术原理复杂，传统的平面印刷是由计算机产生的三维全息图像，三维印刷是根据成形精度按层计算的。根据轮廓按压三维打印机的喷嘴，形成轮廓层，形成完整的三维图像对象。物体的固体墨水不是传统的墨水，而是各种材料，如塑料和金属。SLA固体印刷技术以光敏树脂为原料，根据各层的信息对液体光敏树脂的表面进行处理，扫描区域中的树脂层在扫描后的固化光聚合作用下移动，物体的另一层使表面的树脂固化。该方法速度快，可实现任何复杂形状物体的自动加工，而且精度高。可用于复杂、高精度工作的高速样机的设计。通过数字全息扫描和软件的数字恢复，利用激光固化光敏树脂的特性，利用工业级SLA高精度立体打印机打印出文化遗产。激光高点扫描精确到0.00 l微米。获得了文化遗产的形状和表面的纹理，印刷了文化财产的形式，印刷了标题句的形式，纹理和颜色与原文化财产几乎相同。

（六）文化遗产变形监测

三维信息采集技术具有较高的精度。对文化属性进行比较，采集不同时期的三维信息，比较不同时期的三维信息数据，得出文化属性的特征。远程三维激光扫描仪可以采集文化属性数据，生成模型，进行疾病调查。三维数字技术可以在计算机上生成文物模型，可以通过文物模型生成任意角度的地图、数字摩擦图、零件图等。这些地图是用传统的技术无法获得的，而且可做到对考古发掘出来的文物，完成技术层面图纸上的文化遗产的缝合和修复。避免了人为反复实验的磨蚀力度。即使是有经验的人，大量的文化遗产，都实现手工完成缝合和恢复是不可能的。利用三维数字化技术，可以将扫描的碎片和执行虚拟缝合的物体，呈现在你的电脑中。体量巨大的文化遗产文物，在计算机中实现复制和再生，其意义和作用是重大的。

三、文物三维数字化技术对文物保护的作用

相关人员可以快速检索到文物的三维信息，其中文物信息是第一位的。传统的文物信息技术缺乏，如果没有完整的文物信息，烦琐麻烦就太多了。三维扫描技术可以快速、准确地获取三维图像数据。设备中采用的三维扫描技术不接触工件表面，从而保证了工件的质量。传统的造型方法无法保证文物的完整性，这对于文物完整传承来说是缺失和遗憾的。利用三维数字技术和三维打印技术，以非接触的形式采集文物信息，然后建立数字模型，最后形成一个拷贝作为原始对象，简化了文物的制作，最大限度地体现了文物的实体性，体现了文物内涵的完整丰富性。三维数据信息采集成功后，对原始数据进行处理，对设备数据进行模拟，可对文物再培育复制和再生，对复制文物的形态进行预览。

四、结束语

由上可知，当前信息技术已被渗入到我国各个行业中，三维数字化技术在文物保护工作中的应用是时代发展的趋势。文物是历史文明所遗留下来的宝贵遗产，时间的不断推进使得文物容易出现一定的损害，而文物三维信息数字化技术的应用，是能够确保文物长久传承的技术手段。