淺談三維數(shù)字化技術在文物保護中的應用

來源：定焦財經

中國歷史文化博大精深，源遠流長，每一個文物和遺跡都是中華民族歷史的載體，是五千年燦爛文化的縮影，更是國家重要的珍寶和研究資料。

新拓三維光學掃描系統(tǒng)可以完整精確采集文物的尺寸、紋理、細節(jié)等，在文物的數(shù)據(jù)保存、三維建模、虛擬修復、復仿制和創(chuàng)意設計等方面應用廣泛。新拓三維在文物保護領域有著多年的經驗積累，能為文物古跡的數(shù)據(jù)保存、保護提供全套三維光學測量解決方案。

1、文物掃描三維建模

革命題材的雕塑，通過細膩的人物雕塑凸顯挺拔的氣勢，可以從作品中感受革命的力量。陜甘邊照金革命根據(jù)地紀念館通過三維光學掃描技術，獲取革命人物三維模型，用于人像數(shù)據(jù)存儲、數(shù)字復原、加工和虛擬展示。

陜甘邊照金革命紀念館雕塑

革命人物雕像的構成，形態(tài)各異，細節(jié)豐富，掃描中為了突出雕塑的細節(jié)性，使用新拓三維XTOM藍光三維掃描儀掃描單個雕像細節(jié)性的地方(臉部、手指等)，提高模型精度。

基于三維掃描技術，獲取人物的逼真三維數(shù)據(jù)模型，可以為雕像建立起完整、準確、永久的三維數(shù)字檔案庫，基于實物的高保真度的三維數(shù)字模型，可以使仿形和改型設計更加方便快捷。

2、文物虛擬修復

青蓮寺內羅漢堂內有十八羅漢雕像，造型優(yōu)美，藝術價值極高，但年代久遠，雕像已經有所殘缺，亟待文物修復和雕像數(shù)字化還原。

根據(jù)文物修復項目的不同，以及現(xiàn)場環(huán)境條件限制等原因，擬訂了采用不同的高精度藍光掃描儀、大視場激光掃描儀、手持掃描儀進行三維數(shù)據(jù)采集的方案，以滿足文物修復和數(shù)字化還原的需求。

殘缺佛像和修復后的佛像

本次掃描的技術特點在于大小掃描儀結合，用大視場激光掃描儀掃描完整框架，結合工業(yè)級掃描儀數(shù)據(jù)補充更多細節(jié)，手持掃描儀可以掃狹小、邊角的空間。通過多種數(shù)據(jù)最佳擬合對齊，獲得精美的佛像三角網格數(shù)據(jù)，整個佛像修復和數(shù)字化還原得以完美解決。

3、大型文物數(shù)字化重現(xiàn)

北石窟寺項目的總體目標為全面數(shù)字重現(xiàn)石窟崖壁整體、各龕和佛像的方位、形狀及顏色，力圖可以實現(xiàn)長期和現(xiàn)狀保持高度一致。具體包括：

1. 北石窟寺整體的外立面三維數(shù)字化采集，窟龕定位;

2. 洞窟內部的內壁及雕塑的掃描建模;

3. 大小窟龕中佛像的精細數(shù)據(jù)采集建模，并統(tǒng)一在整個外立面的三維數(shù)據(jù)坐標下;

4. 對有色彩的重點文物進行色彩和紋理的映射，生成彩色三維模型;

為了解決這個難題，新拓三維技術工程師分別對不同掃描儀的數(shù)據(jù)進行重建，然后配準到同一個坐標系下，在邊界處利用分辨率漸變的網格把這些數(shù)據(jù)縫合起來，得到由局部細節(jié)和整體數(shù)據(jù)完美融合的三維模型。結合計算機軟件，通過人機交互完成數(shù)據(jù)的后期處理和真實感模型重建。

粘貼了定位標志的佛像和41窟

此次項目的數(shù)據(jù)采集，擬采用由整體到局部，由粗到細，整體規(guī)劃分布實施的實施方案。

1)使用大視場激光掃描儀等精度較低的設備來獲取整個場景的數(shù)據(jù)，建立整體框架模型;

2)使用結構光面掃描設備等高精度的掃描儀獲取局部精細數(shù)據(jù);

3)查漏補缺，利用手持式設備補齊死角處等掃描盲點的數(shù)據(jù)。以上每一步，都同步用高分辨率彩色相機記錄場景或佛像的顏色和紋理信息。

4、文物復仿制和創(chuàng)意設計

漢武帝雕像規(guī)劃高度20米，雕刻藝術要求要表現(xiàn)出雄韜武略的氣魄。傳統(tǒng)雕塑制作流程，是建立在設計方案、制作泥稿、繪制施工圖紙的基礎上來制作的。而制作圖紙耗時長，并且要具備很強的三維理解能力，這對于施工時間和圖紙的正確程度都很難把控。

通過XTOM三維掃描儀，可以直接采集泥稿的三維數(shù)據(jù)，通過軟件的自動處理功能，獲得模型的三維數(shù)據(jù)(1:1)。根據(jù)實際尺寸進行等比例縮放、裁切可得到準確的施工圖紙數(shù)據(jù)。

漢武帝雕刻模型

在漢武帝大型雕像建設中，通過泥塑或其他材質的小樣，快速得到三維模型數(shù)據(jù)，細節(jié)輪廓可以在軟件上完善，輸出的三維圖紙或CAD數(shù)據(jù)，可直接用于后期雕刻等制作。此方法可節(jié)約大量的構圖時間、縮短施工周期。

使用XTOM三維掃描儀對雕像模型進行數(shù)字化，在軟件中對雕像的面部、右手和衣服紋理部分進行精細化處理，將雕像分區(qū)域加工后進行組裝，最終雕刻成型的雕像非常逼真形象。

三維模型和雕刻成像效果

5、文物三維建模用于3D打印

現(xiàn)有的三維造型軟件，只能生成比較簡單或規(guī)則的曲面形狀，大量精美而復雜的雕刻以手工設計畫圖為主，這樣就造成了復雜雕刻品往往是孤品的狀況。采用三維掃描技術，對已有人物雕刻數(shù)模進行掃描，可快速獲取三維點云數(shù)據(jù)，用于三維建模、3D打印等。