文物保护与数字化技术的结合研究

向旺

摘 要：文物作为历史文化的重要载体，具有独特的价值和意义，数字化技术可以通过非接触性的方式对文物进行采集、保存、展览和传播，有效提高文物保护与传承的质量和效率。文章探讨了文物保护与数字化技术的关系、结合的优势以及结合的原则，重点讨论了文物保护中的关键数字化技术，包括三维扫描技术、影像处理技术、虚拟现实技术及数据库与信息管理技术，进一步分析了数字化技术在文物保护中的具体应用，涵盖了文物数字化采集与建模、保存与修复、展览与传播、交互与教育等方面，以期推动文物保护与数字化技术的融合发展，促进文物的保护与传承。

關键词：文物保护；数字化技术；文物记录；文物研究；文物展示

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.04.016

文物是一个国家和民族的宝贵财富，是历史与文化的重要见证，然而由于时间的流逝和外界因素的影响，许多文物受到不同程度的损害，急需进行保护。为了更好地保护和传承这些珍贵的文物，数字化技术逐渐被应用于文物保护领域。数字化技术能够以非接触和非侵入的方式对文物进行高精度的记录、分析和重建，为文物的保护、研究、展示和传播提供了新的手段和途径。

1 文物保护与数字化技术的结合

1.1 文物保护与数字化技术的关系

文物保护与数字化技术的结合是当前文物保护领域的研究热点。数字化技术是一种基于计算机技术的方法和工具，通过将文物的物理特征和信息转化为数字形式来实现文物的保护和传承，与文物保护密切相关，可以为文物保护提供全新的思路和方法。

数字化技术在文物保护中的应用包括文物数字化采集与建模、文物数字化保存与修复、文物数字化展览与传播以及文物数字化交互与教育等多个方面。数字化采集和建模可以精确记录和保存文物的形状、结构和纹理等信息，为后续的保护和修复工作提供基础数据①；数字化保存和修复可以通过虚拟实验和模拟分析等手段，实现对文物的非接触式修复和保护；数字化展览和传播可以借助虚拟现实技术和网络平台，将文物展示给更多的观众；数字化交互和教育可以通过互动式的虚拟展览和教育应用，提供更加丰富和深入的文物体验与教育机会。

1.2 数字化技术在文物保护中的优势

数字化技术在文物保护中具有诸多优势，为文物保护工作带来了革命性的变化。首先，数字化技术能够实现对文物的全面记录和保护，通过高精度的三维扫描技术，可以将文物的形态和结构以数字化的形式保存下来，避免了传统方式可能造成的文物信息丢失或文物变形问题。其次，数字化技术能够对文物进行虚拟修复和增强，通过影像处理技术修复文物的图像，使其更加清晰和真实。同时，还可以增强文物的图像，突出文物的细节和特点。再次，数字化技术能够实现对文物的虚拟展览和传播，通过虚拟现实技术，可以将文物以虚拟的形式展示给公众，实现远程参观和互动体验，为公众提供更加方便快捷的文物学习与欣赏方式。此外，数字化技术还能够构建文物的数字化数据库，实现对文物信息的管理和共享，为文物研究提供方便。

1.3 文物保护与数字化技术结合的原则

文物保护与数字化技术结合的原则是确保文物保护与数字化技术发展之间的平衡，同时也是尊重文物真实性、可持续性和法律伦理。

1.3.1 保护原则

文物保护的首要目标是保护文物的完整性、真实性和可持续性。在应用数字化技术时，应确保对文物的非侵入式获取和处理，最小化对文物的物理干预。数字化技术应以尊重文物本身的特征和历史价值为前提，避免对其造成任何形式的破坏②。

1.3.2 真实性原则

数字化技术应确保对文物进行准确的数字化记录和传输，以保证数字化数据的真实性。这要求采用高精度的扫描设备和准确的数据处理算法，以准确还原文物的形态、结构和细节。数字化数据应当与文物的原貌相符，以便进一步的研究、展示和传播。

1.3.3 可持续性原则

在数字化技术的应用中，应考虑数字化数据的长期保存、管理和更新，应当建立合适的数字存储和管理系统，以确保数字化数据的持久性和可持续性，使其能够长期为学术研究、教育和公众服务提供支持。

1.3.4 合作原则

文物保护与数字化技术的结合需要跨学科的合作和协同努力，保护机构、技术专家、学术界和社会各界应共同参与，并在项目的不同阶段密切合作。只有通过共同努力，才能确保数字化技术的有效应用，并最大限度地实现文物保护与数字化技术的结合。

2 文物保护中的关键数字化技术

2.1 三维扫描技术

2.1.1 激光三维扫描技术

激光三维扫描技术通过使用激光束扫描文物表面，能够快速、准确地获取文物的三维形状和表面细节。首先，激光三维扫描技术能够以非接触方式获取文物的准确形状。传统文物保护过程中，需要通过手工测量或者使用接触式扫描仪来获取文物的三维数据，这可能会对文物表面造成伤害。激光三维扫描技术通过激光束扫描文物的表面，完全避免了与文物的接触，并且可以快速地获取大量的数据。其次，激光三维扫描技术可以保留文物的细节信息。文物通常具有复杂的形态和表面纹理，传统的测量方法难以完整地捕捉到这些细节，而激光三维扫描技术可以高精度地记录文物的每一个细小的凹凸和纹路，保留了文物原本的形态和纹理特征，为后续的修复和研究提供了可靠的基础。

2.1.2 结构光三维扫描技术

结构光三维扫描技术利用光学原理和计算机图像处理方法，通过投射结构光模式并采集反射光来获取文物表面的三维信息。结构光三维扫描技术具有以下四个关键特点和应用：

①高精度：结构光三维扫描技术能够实现亚毫米级高精度测量，通过投影结构化光模式，相机可以捕捉到文物表面的纹理和形状信息，并将其转化为数字化的三维模型，这种高精度的测量结果对于文物保护、修复和研究非常有价值。

②非接触式：与传统的接触式测量方法相比，结构光三维扫描技术是一种无损、非接触的测量方法，它不需要直接接触文物表面，避免了对文物的潜在伤害，并能够快速捕捉到文物的形状和表面细节，保持了文物的完整性。

③快速扫描：结构光三维扫描技术具有较高的扫描速度，通常情况下只需几秒钟或几分钟即可完成一次扫描过程，这种快速的扫描能力对于大规模文物的数字化记录和高效的文物保护工作非常重要。

④数字化应用：结构光三维扫描技术能够将扫描结果转化为数字化的三维模型，为文物的数字化保存、虚拟展示和远程研究提供了可能性。通过这些数字模型，人们可以在虚拟环境中实时浏览文物，进行三维重建和模拟修复，提升了文物保护、研究的效率和可视化程度。

2.2 影像处理技术

2.2.1 图像增强与修复技术

图像增强与修复技术通过对文物影像进行处理，提升其质量、恢复损伤和修复图像中的缺失部分。首先是噪声去除与滤波，文物图像通常会受到各种噪声的影响，如模拟信号噪声、电磁干扰等，图像增强技术利用滤波器和去噪算法来降低噪声并恢复图像的细节，如中值滤波器和小波去噪算法可以有效减少噪声并提升图像的质量。其次是补全与修复，文物图像往往会因为年代久远或损坏而有部分缺失，这给文物的保护和研究造成了困扰。图像修复技术可以通过利用图像中的已知信息，如边缘、纹理等，推测并填补缺失的部分，采用插值算法、纹理合成和基于深度学习的方法，实现对文物图像缺失部分的修复与重建。

2.2.2 图像特征提取与分析技术

图像特征提取与分析技术通过从文物图像中提取和分析图像的特征，可以获得对文物更深入的理解和认知。技术应用主要有两个方面：一是边缘检测与轮廓提取。文物的边缘和轮廓特征对于文物形状和结构的理解至关重要，边缘检测技术可以从文物图像中提取出物体的边缘信息，帮助研究和保护人员对文物的形状和结构进行分析和研究。常用的边缘检测方法包括Sobel算子、Canny边缘检测等。二是纹理分析与识别。文物的纹理特征是其独特之处，也是鉴定和分类的重要依据。图像特征提取技术可以从文物图像中提取纹理信息，并进行纹理分析和识别。通过纹理特征的提取和比对，帮助鉴定文物的真伪、年代和材质等重要信息。

2.3 虚拟现实技术

2.3.1 三维建模与渲染技术

三维建模与渲染技术通过创建虚拟的三维模型，并进行逼真的渲染，使用户能够以真实感知的方式与文物进行交互和观察。三维建模与渲染技术有两个方面的重要应用：一是三维建模。通过使用三维建模软件对文物进行数字化的重建和建模，这些软件可以将文物的形状、纹理和颜色等特征准确地重现出来，通过采集文物的三维扫描数据或手工建模，可以生成高精度的三维模型③。二是逼真渲染。渲染技术能够为三维模型赋予逼真的外观和光照效果，通过设置材质、光源和纹理等参数，实现对文物的真实感渲染，渲染技术能够模拟不同光照条件下的文物外观，使用户能够更好地观察和研究文物。

2.3.2 交互与导航技术

交互与导航技术在文物保护中发挥重要的作用，使用户能够更自然、直观地与虚拟文物进行交互和导航。交互与导航技术有两个方面的重要应用：一是手势交互。手势交互技术允许用户通过手势的识别和追踪来控制虚拟文物的操作和视角，用户可以通过手势进行旋转、平移和缩放等操作，实现对虚拟文物的自由导航和观察，这种交互方式更加直观和自然，增强了用户与文物的互动体验。二是虚拟导览与漫游。虛拟导览技术可以模拟实际场景中的导览体验，将用户带入虚拟环境中与文物进行互动，用户可以通过自由漫游虚拟环境，参观不同的展览厅和展品，获取有关文物的详细信息，这种导览方式使用户能够以自己的节奏深入了解文物，提升了参观体验的自由度。

2.4 数据库与信息管理技术

2.4.1 数据库设计与管理技术

数据库设计与管理技术能够有效地组织、存储和管理与文物相关的数据。数据库设计与管理技术有两个方面的重要应用：一是数据模型与数据库设计。数据库设计是建立高效、可扩展和易于维护的数据库系统的基础，在文物保护中，需要根据具体的需求和数据特点选择合适的数据模型，如关系型数据库、面向对象数据库或图数据库等，通过设计良好的数据库结构，确保数据的完整性、一致性和可查询性。二是数据库管理与维护。数据库管理技术包括数据备份与恢复、性能优化、访问控制和安全性管理等方面，对文物保护来说，数据的安全性和机密性非常重要，数据库管理员需要确保只有授权人员可以访问和修改数据，并定期进行数据备份和恢复，以防止数据丢失或损坏。

2.4.2 数据挖掘与知识发现技术

数据挖掘与知识发现技术可以帮助挖掘文物数据中隐藏的模式、关联和知识，从而为文物保护和研究提供有价值的信息。数据挖掘与知识发现技术有两个方面的重要应用：一是数据预处理与清洗。文物数据通常存在很多噪声和冗余信息。数据预处理技术可以对数据进行清洗、去除噪声、处理缺失值和异常值等。通过数据预处理，获得更准确、可靠的数据，提高后续数据挖掘和知识发现的准确性和效果。二是模式挖掘与关联分析。通过数据挖掘技术，从文物数据中挖掘出隐藏的模式和规律，识别文物之间的关联关系，这对于文物分类、鉴定和研究非常有帮助。例如，可以通过关联分析发现文物属性之间的关联性，从而对文物进行更精确的分类。

3 数字化技术在文物保护中的具体应用

3.1 文物数字化采集与建模

文物数字化采集与建模是数字化技术在文物保护中的关键环节，它可以通过高精度扫描与重建、文物三维建模与虚拟仿真两个方面实现。首先，高精度扫描与重建技术可以通过使用激光扫描仪或计算机视觉技术对文物进行全面、精确的扫描，获得文物的表面形态和细节信息。这种非接触式扫描方式能够保护文物的完整性，同时提供了高分辨率的数据。通过对扫描数据进行处理和重建，还原出文物的真实形态，为后续的研究、展示和保护提供基础。其次，文物三维建模与虚拟仿真可以将文物的数字化数据转化为可视化的三维模型，并通过虚拟仿真技术还原文物的历史场景和使用情景。这样一来，不仅可以在虚拟环境中对文物进行深入的研究和探索，还可以通过虚拟展示的方式向公众展示文物的价值和魅力。同时，文物三维建模还可以为文物的保护和修复提供参考依据，帮助保护人员更好地了解文物的结构和材质，制定更科学的保护方案。

3.2 文物数字化保存与修复

文物数字化保存与修复主要涉及文物数字化保存与存储技术、文物数字化修复与保护技术两个方面。首先，文物数字化保存与存储技术能够对文物数字化数据进行有效的保存与管理。通过将文物的数字化信息转化为数字文件，避免了传统保存方式中的空间限制和物理损耗，实现文物信息的长期保存④。同时，数字化保存也方便了文物数据的共享和传播，提高了文物保护研究的效率和水平。其次，文物数字化修复与保护技术可以通过对文物数字化数据进行修复和保护处理，提升文物的可视化效果和信息完整性。例如，通过数字修复技术对文物数字化模型中的缺失或损坏部分进行修复，还原文物的原貌。

3.3 文物数字化展览与传播

数字化技术在文物保护中还可以被应用于文物数字化展览与传播，主要包括文物数字化展览技术与设计、文物数字化展览与多媒体交互。首先，文物数字化展览技术与设计能够为文物的展览提供新的方式和手段。通过数字化技术，文物可以被以全新的形式呈现给观众。例如，利用虚拟现实（VR）或增强现实（AR）技术，观众可以在虚拟环境中亲临现场，感受其真实的氛围和细节。其次，文物数字化展览与多媒体交互可以为观众提供更深入的了解和互动体验。通过数字化技术，观众可以通过触摸屏、导览系统等设备与文物进行互动，并获取更多的展览信息和内容。

3.4 文物数字化交互与教育

数字化技术可以应用于文物数字化交互与教育，主要包括文物数字化交互与虚拟体验、文物数字化教育与远程学习两个方面。首先，文物数字化交互与虚拟体验可以为观众提供更丰富的文物体验。通过虚拟现实（VR）或增强现实（AR）技术，观众可以身临其境地感受文物的历史背景和文化内涵。例如，使用VR设备带领观众进入虚拟的历史场景，与文物进行互动，加深对文物的理解。其次，在文物数字化教育与远程学习方面，数字化技术拓展了文物教育的方式和范围。通过在线平台或移动应用，观众可以远程参与文物的学习和教育活动。数字化技术可以提供文物的多媒体资料、互动学习模块和在线讲座等内容，使观众获得更加全面和深入的文物知识。同时，数字化技术还可以实现远程讲解、远程导览等功能，使观众无需实地到达文物所在地，就能够进行教育学习。

4 结语

文物保护与数字化技术的结合研究，不仅为文物的保护和传承带来了新的机遇，也促进了文物领域的创新与发展。运用数字化技术可以更好地了解和呈现文物的历史、文化和艺术价值，同时也为文物的研究、教育和社会传播提供了丰富的资源和平台。然而，在实际应用中仍然存在着一些挑战和问题，需要进一步的研究和探索。希望未来能够有更多的专家学者和机构加入文物保护与数字化技术的研究中，共同推动文物保护事业的发展和进步。

注释

①秦杰，白廣珍.文物数字化保护工作发展及展望[J].文物鉴定与鉴赏，2022（23）：33-36.

②杜琛，史新月.河北蔚县明清壁画数字化保护与科技创新研究[J].大众文艺，2023（12）：34-36.

③王鹤，刘军，齐路晶.基于数字化技术的革命遗址保护探索[J].现代职业教育，2023（21）：117-120.

④乔旭亮.从天龙山文物数字化保护探讨文物数字化利用[J].科技与创新，2023（16）：151-153，156.