三维扫描技术在文物保护中的应用

摘 要：在现代化技术迅猛发展的当今社会，利用高科技手段保护文物逐渐成为潮流。作为一种先进的测量技术，三维激光扫描技术具有非接触性、测量精度高、信息提取高效快速等特征，实现了文物无损式修复、全景式展示、全域式检测，并得到广泛应用。文章以眉县博物馆为对象，阐述三维扫描技术的操作原理、操作流程、在文物保护中的应用优势，并聚焦馆藏文物，结合实际情况和应用经验成果，从文物建模、文物修复、文物虚拟展览等几个方面探讨眉县博物馆应用三维激光扫描技术保护文物的具体实践，以期为我国博物馆事业发展和文物保护工程提供有力参考。

关键词：三维扫描技术；眉县博物馆；文物保护；应用实践

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.15.011

0 前言

当前，在数字信息技术深刻影响各项事业发展的大背景下，全国各地博物馆相继运用大数据、数字化手段革新宣教和文物保护方法。不仅如此，2021年10月28日，国务院办公厅印发《“十四五”文物保护和科技创新规划》，明确提出博物馆应坚持科技创新引领理念，加快推进技术攻关和研发，持续推动考古探测、锈蚀物检测、制造工艺鉴定、产地溯源等技术优化升级，促进文物保护提质增效。对此，作为拥有众多珍贵文物的眉县博物馆，应利用三维激光扫描技术，通过软件优化点云数据并搭建三维立体模型，实现文物的数字化存储和建档，利用其优势进行还原性修复、病害勘测和分析、虚拟展示、预防性保护，让拥有千年历史的青铜器、陶器、玉器、瓷器、石刻文献等众多精品熠熠生辉，有利于促进文物保护技术的革新。

1 三维激光扫描技术的操作原理

三维激光扫描技术内部主要包含激光扫描部件、激光测距部件、自动化控制系统等。扫描仪因生产厂家不同，工作原理也存在差别。

1.1 激光测距系统

激光扫描仪的测距方式主要包含脉冲测距法、相位测距法、激光三角法三种方法。

1.1.1 脉冲测距法

扫描仪开释激光脉冲讯号，通过旋转棱镜射向工具，及时接收、保存折返的脉冲讯号。之后，计算脉冲讯号往返过程产生的时间跨度，求得待测量文物的距离。目前，多数扫描仪采取这种测法，如Trimble TX8 激光扫描仪等，其激光发射角度的大小与瞬时脉冲功率的大小成反比。

1.1.2 相位测距法

通过利用无线电波段的频率，调整激光束的幅度，先计算调制光往返过程中产生的相位变化，再根据调制光的波长，推算这一相位变化对应的距离，从而测得光往返的时间差。相较于脉冲测距法，相位测距法仅仅需要测量讯号发射和接收激光讯号的相位差，就能够求得待测对象的距离。相位测距法的测量数值一般精准至毫米，故可做到精密和近距离扫描。

1.1.3 激光三角法测距

该种方法基于三角几何原理来确定扫描中心与对象之间的距离，激光发射器、对象表面的反射点、电荷耦合元件三者形成三角形。通过丈量激光发射器到工具、再反射至电荷耦合元件的夹角，按照发射器至电荷耦合元件的基线距离，计算出工具的具体位置。激光三角测距法通常应用于几十米范围内的测量，尤其适合于逆向工程测量，测量数值可精确至微米。

1.2 激光扫描系统

激光扫描系统通过发射激光脉冲，利用两个快速旋转的反射镜扫描实物。借此过程，可精确测算出确定设备与物体表面之间的距离。体系内的编码器纪实激光脉冲的发射角度，以此计算出收集点云的三维坐标。点云数据包括激光脉冲的水平和垂直扫描角度（分别用α、θ表示），接收器记录激光脉冲发射至接收过程中产生的时间差，从而计算出目标物体的空间位置和点云反射强度等信息。

2 三维激光扫描技术的操作流程

2.1 点云数据处理

点云数据处理过程涉及点云采集、合并、去除噪声、稀疏化、简化、坐标转换等环节，力求获得更高品质的点云。在正式扫描时，为确保数据的完整性，需要在多个位置进行扫描，并设置参考点或重叠区域，便于后期整合来自“四面八方”的数据。在此之后，利用配套软件对点云数据做导出或样式转换。

2.2 三维模型建构

三维激光扫描技术可以逐个对外形规则文物或外形不规则文物做个性化建模。对于形状规则的文物，一般通过建立三角形网络的方式建模；对于形状不规则的文物，可通过识别和提取具有显著特征的线条，将这些线条转化成实体，建构模型，或者在三角形网络基础上构造出文物实体模型。

2.3 三维模型再处理

在建成三角形网络模型之后，由于受到采集现场条件的限制，比方说某些区域的点云密度稀疏或点云数据缺失，会产生孔洞、杂乱三角形网络、尖刺物等，破坏文物表面结构，故需要对模型进行再次修补和优化处理。

2.4 纹理映射

建成的三角形网络模型不具备真实的颜色，这通常需要使用高清数码摄像机捕捉纹理信息，之后利用特定软件将这些纹理信息映射到模型上，尽可能恢复文物表面纹理，实现文物三维立体模型的全面重建。

3 三维激光扫描技术在文物保护中的应用优势

随着数字信息技术、云计算技术、测绘科学取得进步，以三维激光扫描技术为代表的测绘技术广泛应用于文物保护中，满足了文物保护的多元化测绘需求，实现高精度、高效率、无接触共赢。

与传统测绘方式比对，三维激光扫描技术在文物保护中展现出显著优势。例如，利用全球卫星导航系统（简称GNSS）定位文物遗址，无需通视，支持全天候作业；利用遥感技术（简称RS）快速采集文物基本信息，在室内就可完成大量探测、检测工作，打破时空限制，提高工作效率；利用地理信息系统（简称GIS）进行文物信息管理和维护，实现文物数据查询、统计、分析，加快文物管理智能化和数字化建设。不仅如此，传统测绘方式只能提供二维图样，比方说平面图、立体面图等，而三维激光扫描技术则能够识别和提取文物上所有的点云数据和纹理，包括制造材料、工艺特征等，是对传统测绘手段的超越。再者，三维激光扫描仪能够以每秒100万点的速度扫描，将原本需要数天或更多时间完成的工作缩短至几小时内完成，最大程度地提高了工作效率。此外，三维点云数据的合成和分解使内业处理更便捷，并打破传统测绘方式对外业工作人员的依赖。三维激光扫描可通过非接触性方法收集文物信息、观察、检测和修复文物，杜绝了传统肢体接触性收集和管理文物而对文物造成的二次伤害。

三维激光扫描技术的应用为文物搭建了既全面又具体而微的模型，采用这一技术进行文物信息采集、修复和保护等已成为国内博物馆的一致选择。

4 眉县博物馆应用三维激光扫描技术保护文物的具体实践

4.1 在文物信息采集中的应用

在文物信息采集与收集方面，三维扫描技术具有明显的优势。通过三维扫描获得的文物信息可以方便地进行数字化存储、管理和展示，对于一些脆弱或者复杂的文物，传统的测量方法可能会对其造成损害，而三维激光扫描技术可以在无接触的情况下，快速、无损、完全地获得文物的完整几何形状和结构信息，包括文物的细节和表面纹理。例如，眉县博物馆利用三维扫描技术在文物采集方面的优势，借助大数据、“互联网+”技术，成功加入陕西省文物藏品管理系统，推进了馆藏文物数字化、智能化存储。依托平台，博物馆对涵盖各类青铜器、陶器、玉器等在内的文物藏品进行数据采集，采用非接触式扫描设备，高精度还原藏品原貌，建立数字化档案，推动文物信息采集、分门别类、保存、查询和检索、统计的一体化运行。截至目前，利用三维扫描技术在陕西文物藏品管理系统已成功采集并导入青铜器、陶器、书画、玉器、碑帖、瓷器、石器等文物珍品数据信息，共计2300余件（组），建立了一套完整的文物资源管理系统，为实施教育活动、开发文创品、管理文物提供了明确的信息，并实现馆藏文物资源高效检索和征集。

4.2 在文物数字化保护中的应用

通过三维激光扫描得到的文物数字模型，可以永久地保存在数字博物馆中，使得文物的保存不再受物理条件的限制，也为文物的永久保存提供了可能。例如，眉县博物馆依托3D激光扫描打印技术，启动馆藏文物制模工程，以期还原诸多文物的原貌。2022年，向国家文物局提交《关于申请复制拓印四十三年逨鼎等11件馆藏一级文物的请示》（眉博物字〔2022〕9号），并得到审批，建立制模清单和进行拓印文物编号，此工作按照批准方案正在实施当中。同时对眉县博物馆馆内包括汉十二时辰规矩铜镜、西周父辛铜方鼎、西周列旗纹铜簋、战国铜扁壶等19件文物进行三维扫描建模，用于日常展览、借展、历史文化研究等，完美再现每件文物的制造细节、初始面貌。此外对模具、文字和影像资料保存好，通过建立文物拓印库房、搭建拓印数据库的方式实施，加大对拓印文物保护力度，扩大文物数字化保护工作在博物馆应用范围，加快数字化博物馆建设进程。

4.3 在文物三维模型中的应用

应用三维激光扫描技术实行纹理映照，通过建立二维图像坐标与三维模型表面点坐标的对应关系，将二维平面图像映射到三维模型中，赋予实体模型色彩的纹理信息，可以展现生动多态的文物三维模型。具体操作流程包括使用UV拆分工具进行自动展UV操作、利用UV打包机软件，利用UV编辑器进行展开操作，利用3D Studio Max软件完成纹理映射。例如，眉县博物馆聘请专业技术人员，利用此项技术对“举杯邀明月—眉县酒文化展”的雕塑进行了纹理映射，完成文物三维模型。首先，准备好文物的三维模型和要采集文物的纹理信息。这可以通过拍照、扫描或其他方式完成，确保纹理清晰、分辨率高，并能够覆盖文物的所有表面。其次，根据具体的需求和模型的特点，选择适合的纹理映射算法，应用选定的纹理映射算法，将纹理图像准确地映射到三维模型上。最后，对完成的文物模型进行后处理，包括调整光照、阴影等效果，以使其看起来更真实。完成纹理映射后，导出成果模型。博物馆利用此项技术，可以更好地展示和保护文物，通过高精度的模型，观众可以更深入地了解文物的历史和文化背景，同时也可以为文物保护和研究提供更准确的数据基础。

4.4 在虚拟展览中的应用

三维虚拟现实技术是通过三维扫描得到的模型，打造出多功能文物呈现镜像，可以在各种平台上进行展示，使观众可以通过网络或移动设备远程观看文物。此外，通过增强现实（AR）技术，观众还可以与文物进行互动，获得更多的信息。博物馆可以采用由华为研发的虚拟现实仿真平台软件（简称VRP），对文物进行三维美工设计，在多媒体设备上勾勒了具有真实感、意境美的文物画卷。眉县博物馆依托三维虚拟现实技术，突出其直观性、可感性、自动性、立体性等特征，为观众打造融合多源信息、双向交互的三维文物动态图景，让观众沉浸在多元画面交替呈现、多重功能协同发挥的虚拟文物镜像展览中，满足观众多样化的欣赏需求。例如，古代眉县地区拥有深厚的酒文化，包括承载了千年历史的酒器，上可追溯至仰韶文化时期，下至清代，比方说战国时期的铜扁壶、秦汉时期的蒜头壶、汉代的铜钫、三国时期的耳杯以及盛唐的银杯。这些酒器制造工艺精良，具有极高的审美价值。眉县博物馆特此利用VRP技术推出“举杯邀明月—眉县酒文化展”全景H5虚拟展览，邀请观众在作品中走进博物馆，详细领略酒器的魅力。H5导入页是各种酒器实物图围绕着标题，几秒后自动进入线上博物馆，可根据箭头指引在博物馆内徜徉，也可点击下方的图标直接跳转至不同展览位置，点击展览柜中的酒器，打开介绍图，包括酒器实物图和花纹详图，打开挂画查看酒器介绍。同时，依据眉县千年建筑文化，博物馆利用VRP技术推出“斗拱驭飞阁—眉县秦汉建筑文化展”，让观众在虚拟增强现实技术的引领下走进建筑园林实景，设置自动播放的旁白，观众一边聆听关于眉县瓦当王“成山瓦当”“长乐未央”“与天无极”的音频讲解，一边浏览瓦当的三维立体化影像，了解瓦当制造的材质、艺术风格、蕴含的思想，学习我国古代源远流长的建筑文化。进入H5后，俯瞰的VR实景将自动拉近，下方有“查看详情”，详细叙述眉县古建筑的建造初衷和具体流程。观众可滑动屏幕调整俯瞰位置和游玩视角，也可双指缩放页面。点击下方“进入馆阁”可以踏上参观之路，以雕塑为参观游玩地标。点击下方“主题建筑雕塑”，可进入介绍页了解各个建筑雕塑的建设意义，让观众更自主、更自由地畅游在虚拟景观中，优化沉浸式观赏体验。

4.5 在文物修复中的应用

在文物修复过程中，三维扫描技术为修复师提供了精确的文物原始状态数据，使修复工作更加精确、科学。同时，通过对比修复前后的三维数据，可以评估修复工作的效果，为未来的修复工作提供参考。例如，眉县博物馆聘请有资质的专业技术人员利用三维激光打印技术对部分残损文物进行配缺，有效辅助修复残损文物，并保留其原始痕迹。该项技术有直接快速打印和间接快速铸造两种方法。直接快速打印利用激光直接熔融金属粉末，简化了生产流程。间接快速铸造通过制作蜡模进行铸造，能够减少成品的误差，保证修复的精准性和文物原始特性。对此，还利用蓝光3D扫描技术获取待修复青铜器的精确三维数据，并使用三维计算机辅助设计软件对馆藏西周父辛方鼎、西周列旗纹簋等文物进行修复，对其相应资料进行数字化设计，以便准确模拟出原始器物的铸造细节，并可直接通过3D打印输出蜡模。在传统的文物修复过程中，从最初模型制作到最后的失蜡铸造，每个阶段的模型转换都可能导致尺寸收缩，总收缩率可能达到10%。修复技术人员需要丰富的经验和技巧，在修复初期就着重关注收缩现象，通常将模型放大约10%。现代技术通过计算机建模和直接输出蜡模的方式，可以精确调整模型大小以补偿铸造文物时产生的收缩空缺，避免传统方法中的误差。打印技术采取的是光固化LCD掩膜技术，这是一种利用LCD屏幕作为光源进行光固化的先进技术。与传统的光敏树脂选择性固化打印（SLA）和连续液体界面提取技术（CLIP）相比，LCD掩膜技术具有更高的精度、结构简单、耗材通用性强和成本低廉等优点，为铜洗、铜镜文物的修复提供了高效精准的修复方案。

5 总结

眉县博物馆利用三维激光扫描技术，成功为部分馆藏文物进行建模和修复，为文物勾勒了全面细致的轮廓，实现了文物信息的全方位收集和采集、展览的虚拟化和数字化建设、文物样貌的修复等。在今后，博物馆应进一步加强三维扫描技术的应用和探究力度，更深入地管理和保护文物，让文物在当代永葆生命力，延续千年眉县历史文化。

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