浅谈三维数字技术在古代青铜器保护中的应用

浅谈三维数字技术在古代青铜器保护中的应用——以绛县横水西周墓地青铜器三维扫描为例

《文物世界》 2013年06期

程虎伟 高振华 陈 鑫

一、前 言

随着三维数字技术的快速发展，其在文化遗产保护中的应用也越来越广泛，正逐渐改变和丰富着文化遗产保护的技术手段和相关理念。利用获取的三维数字模型，可极为便利地实现各项几何信息数据的提取，在文物正射影像提取，三维空间尺寸和面积测量计算及线图提取，形变监测、虚拟修复、原真复制等考古研究和保护修复中具有极为广阔的应用。此外，借助虚拟现实技术也可以实现文物多角度、多模式的观察和虚拟互动展示。

本文以绛县横水西周墓地出土的青铜器的三维扫描为例，对三维数字技术在出土青铜器保护中的数字信息采集流程及数据管理模式进行了探索，并对文物数字化的效果评价问题进行了相关探讨。

二、三维数据采集

1.采集设备选择

目前，三维数据采集设备大都基于可见光原理，不能一次性扫描到被测物体的全部数据，也就是说只能所见即所得，不能穿透物体进行扫描"。因此，数据采集时，需要多次、多方位测量才能得到被测物体完整的三维数据。而在数据的采集过程中，采集设备主要利用被测物体表面的特征点或是前期设置的标靶点将数次采集的三维数据进行自动拼接，并减去数次采集时产生的冗余数据，进而提高三维数据的精度。

在此次三维数据采集中，针对横水西周墓地青铜器纹饰细腻、复杂的特点，经认真比较分析，最终选用了点云分辨率为0.05毫米，扫描精度可达到0.02毫米的光栅式真彩三维扫描仪。

2.点云分辨率选择

点云分辨率是指空间点云数据中相邻两个点之间的距离2。点间距越小，则表示采集到的数字模型特征越精细，越接近原物，但是同时获取的数据量也会越大。因此，在三维数据采集过程中，点云分辨率的优化是影响三维数字化结果的重要参数之一。

在实际操作中，根据不同青铜器的体量及表面特征的不同，有针对性的采用了不同的点云分辨率（图一），如对纹饰细腻复杂的器物采用0.05 的点云分辨率，对器型和纹饰较为简单的器物则采用0.1毫米的点云分辨率，既保证了三维数字模型的表面细节特征（图二），又降低了数据的采集量，提高了后期数据处理的效率。

3色彩管理方式

出土青铜器表面多附着有色彩斑驳的锈蚀物，色彩信息极为丰富。为了使得纹理影像具有文物本体的原始色彩，让计算机显示器与印刷机能准确复制出文物的影像色彩，在文物数字化拍摄工作中，色彩管理是相当重要的一环圆。因此，高保真的还原出青铜器的色彩是此次三维数字化采集的重要内容。

经认真比较分析，本文采用了美国爱色丽公司提供的Eye-One色彩管理系统。具体操作过程如下

（1）在纹理数据采集过程中，布设光线较为平均的三点光式光源，并使用反光板等作为辅助光照，确保整体光照均匀，明暗过度柔和，以实现后续多张纹理照片的无缝拼接。

（2）拍摄前，使用X-rite白平衡卡定义相机的白平衡，并设置相机拍照文件生成格式为RAW，保证纹理照片质量。

（3）待光源调整固定后，使用色温表记录当前灯光环境的色温值，并与相机垂直放置X-rite 24色小卡，拍摄校正照片（图三）。在之后的照片校色过程中，均据此来控制纹理照片的色彩偏移量，进而达到色彩管理的目的。

三、三维模型建立

此阶段主要是在计算机软件中对前期获取的三维点云数据进行处理。由于此次数据采集所用的点云分辨率较高，因而，多数青铜器的三维数据量较大。为此，数据处理中，采用了在处理大量点云数据中极具优势的Geomagic Studio软件。

（1）将点云数据导入到Geomagic Studio软件中，删除冗余或测量效果未达到要求的点云数据，并对包含噪音的点云数据进行降噪和平滑处理。

（2）均匀采样和基于曲率采样可以对大量点云数据进行优化，生成三角网格，得到对象的三维模型。考虑到此次初始采集的三维数据量多数较大，为提高后续数据分析及利用的效率，需要对三维数字模型进行数据精简优化。为此，本文基于曲率的优化方式对数据模型进行优化，在保留青铜器的纹饰、铭文等特征的同时大量减低了文件数据量。

（3）由于扫描视角和物体表面材质等诸多不利因素，扫描设备采集的数据一般都会存在一些漏洞。因而，在数据建模过程中需要对这些漏洞进行修补。为实现修补部位与已有部位的光顺连接，本文采用了基于周边曲率的孔洞修补方式。最后输出三角网格格式的三维数字模型数据（图四），输出格式为WRL、STL、OBJ、PLY等通用的三维数据格式。

四、数字模型管理

通过数据采集、处理等三维数字技术可以得到单件文物三维数字模型。然而，如何将获取到的三维数字信息进行管理和利用，以实现数据的有效组织、归类、查询及展示等功能却是一个亟待解决的问题。

在此次三维数字技术的应用实践中，为实现横水西周墓地青铜器三维数字模型的有效管理和利用，本文采用荷兰Act-3D公司开发的quest3d三维引擎软件尝试制作了文物三维数据管理展示系统（图五）。

系统整合了出土青铜器的三维数字模型，高清照片，文字注释，手绘线图等内容，支持三维数字模型的尺寸量测，面积体积计算，多视角展示，实现了出土青铜器多重信息即时切换和层级管理。还可以直接打包生成EXE可执行程序，不需安装任何插件，在普通PC机上即可浏览出土青铜器的三维数字模型，为考古研究提供了便利，更为公众提供了新颖的展示方式。

五、数字化效果评价

通过此次三维数字化技术的应用实践，本文认为可以从以下几个角度来对文物数字化的效果进行评价。

1.精确性

精确性是对文物三维数字化的还原精确度进行定量评价。具体为∶首先，在三维数字模型和实物上找到对应的特征（如点、平面等）；再者，使用全站仪等精密测量设备在实物上测量这些特征之间的距离。最后，将其与三维模型上的对应值比较。两数值之间的误差即可作为精确性评估的依据。

2 原真性

原真性是对文物三维数字化的真实性进行定性评价。生成的三维数字模型应能够充分表面待测文物上的所有型体、颜色等特征信息，能够真实反映待测文物的客观实际。

3.完整性

完整性是对文物三维数字化的还原完全性进行定性评价。生成的三维数字模型应无漏洞、拓扑错误、多层数据等，能够完整地反映待测文物的客观实际。

4. 数据存储量

数据存储量是对文物三维数字化的数据量进行定量评价。获取的三维数据存储量应满足分析、浏览及展示等实际需要。

5.纹理映射质量

纹理映射质量是对文物三维数字化后的纹理效果进行定性评价。可以从贴图是否存在错位、拉伸，接缝是否光滑过渡，贴图的艺术性是否实现，整体效果是否达成等角度进行评价。

6.数据管理

数据管理是对三维数字化获得的文物三维数据的管理方法进行定性评价。可以从是否方便展示，是否方便查询，是否方便研究等角度进行评价。

六、结语

1.三维数字技术可以有效地获取、保存和利用文物的三维几何数据信息，相比传统的绘图、照相等信息记录方法，具有全面、客观及更加直观等优势，在出土文物的保护及展示利用中具有广阔的应用前景。

2三维数字技术目前还不够完善，自动化程度相对较低，对操作人员的技术要求较高。此外，就青铜器而言，其对于口小底大、镂空等特殊形制器物的内壁仍没有很好的解决办法。

致谢∶本研究受到山西省农业与社会发展科技攻关计划项目20100312040及山西省社会发展科技攻关项目20130313035-1资助，特致谢忱。

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