鐘明劍

摘 要：文物是人類文明的寶庫，是探索歷史、了解人類文明的一個(gè)窗口，是不可再生的珍貴財(cái)產(chǎn)。對文物進(jìn)行三維數(shù)字化技術(shù)的保護(hù)與開發(fā)，可以全面提高文物保護(hù)開發(fā)的技術(shù)水平。文章應(yīng)用文獻(xiàn)分析、技術(shù)探索、實(shí)踐與理論結(jié)合等多種研究方式，探索三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)與開發(fā)中的應(yīng)用，并對保護(hù)與開發(fā)過程中的問題進(jìn)行論述，提出解決的方式，推進(jìn)文物保護(hù)與開發(fā)的傳承創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字技術(shù);文物保護(hù);文物開發(fā)

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.03.019

0 前言

文物是探索世界重要的歷史文化資源，但是這種寶貴的資源卻是不可再生的，運(yùn)用科技的力量對文物進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)和有效的開發(fā)、利用，能夠?yàn)槲覀兲峁┮浑p新的眼睛，對于傳承和弘揚(yáng)文物背后深刻的歷史文化、民族文化具有重要的價(jià)值。通過文物背后所彰顯出來的民族精神、歷史意義，增強(qiáng)民族的凝聚力，保護(hù)和開發(fā)都是對文物進(jìn)行發(fā)展的不可分割、緊密連接的部分，通過技術(shù)化的手段，能做到在“保護(hù)中開發(fā)，在開發(fā)中保護(hù)”。

1 三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)與開發(fā)中的優(yōu)勢

1.1 文物數(shù)字化保護(hù)的優(yōu)勢

三維數(shù)字記錄與數(shù)字保存，更有利于對文物的整體形象進(jìn)行展現(xiàn)，體現(xiàn)保護(hù)的全面性。例如，常見的數(shù)字化手段、逆向工程、3D建模，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，都可以對文物進(jìn)行全方位的保護(hù)。在三維掃描技術(shù)應(yīng)用的過程中，就可以形成大量的文物數(shù)字模型庫，建成數(shù)字文物博物館，同時(shí)這種技術(shù)的應(yīng)用也能夠?qū)σ恍┢茡p面積較大的文物，起到一個(gè)有效的數(shù)字修復(fù)效果，減少二次傷害，避免頻繁的運(yùn)輸或展示造成損傷。同時(shí)對文物的缺損部分，也可以采取這種數(shù)字化修補(bǔ)的方法，完成非接觸式的保護(hù)。

1.2 文物數(shù)字化開發(fā)的優(yōu)勢

數(shù)字技術(shù)也為當(dāng)前文物資源的開發(fā)提供了更加廣闊的空間。產(chǎn)業(yè)化是文物開發(fā)必然要經(jīng)歷的一個(gè)過程，只有讓文物開發(fā)的價(jià)值被市場認(rèn)可，被消費(fèi)者接受，才能夠形成一個(gè)可持續(xù)發(fā)展鏈條，在不破壞文物的情況下，實(shí)現(xiàn)文物價(jià)值與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可能性平衡。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以最大限度地發(fā)揮文物的功能，不僅可以應(yīng)用在文物的挖掘、修復(fù)、保護(hù)中，也可以應(yīng)用在文物開發(fā)的宣傳中。例如，文物發(fā)掘的初期，可以通過數(shù)字探測技術(shù)，了解文物的擺放和位置，在采集的過程中，可以通過數(shù)字全息影像形成完善的資料，方便研究人員后期對現(xiàn)場情況勘察和了解，參觀與學(xué)習(xí)，讓文物資料“動(dòng)”起來、“活”起來，同時(shí)還可以對文物資料進(jìn)行全方位、多角度的展示，獲得良好的開發(fā)體驗(yàn)。

2 關(guān)鍵的三維數(shù)字化技術(shù)探索

2.1 三維數(shù)字化技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用范疇

2.1.1 修復(fù)保護(hù)

數(shù)字化的文物修復(fù)保護(hù)是指應(yīng)用三維數(shù)據(jù)方法，對現(xiàn)有的文物資料進(jìn)行全方位的整合，并逆向推出破損的部分?jǐn)?shù)據(jù)或缺失的部分?jǐn)?shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫了解文物的前世今生，并進(jìn)行三維建模。目前3D打印技術(shù)已經(jīng)較為成熟地應(yīng)用在文物修復(fù)技術(shù)中，通過3D打印原有破損的文物部分，可以得到良好的修補(bǔ)和修飾，從而實(shí)現(xiàn)無接觸的完好修復(fù)。

2.1.2 情景再現(xiàn)

情景再現(xiàn)技術(shù)也是應(yīng)用較為廣泛的一種數(shù)字化技術(shù)，這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是依托數(shù)字?jǐn)z影、全息攝像、三維信息獲取以及多媒體展示、虛擬現(xiàn)實(shí)、VR、AR等。通過這些技術(shù)手段，可以對文物挖掘現(xiàn)場以及遺址進(jìn)行還原，創(chuàng)建人與文物進(jìn)行互動(dòng)的虛擬情景、再現(xiàn)文物制作的過程、挖掘的過程，讓人們能夠在參觀中體會(huì)到文物展現(xiàn)出的獨(dú)特歷史文化意義，充分彰顯文物的魅力。如二道井子遺址數(shù)字化保護(hù)展示項(xiàng)目中AR遺址復(fù)原和VR交互漫游，可以讓游客實(shí)現(xiàn)AR及VR沉浸式體驗(yàn)，提升博物館的服務(wù)質(zhì)量。

2.1.3 數(shù)字管理

三維影像技術(shù)和數(shù)字管理技術(shù)應(yīng)用在文物的保護(hù)和開發(fā)中，還能夠構(gòu)建起完善的數(shù)字管理體系，此技術(shù)正是對文物進(jìn)行新型保護(hù)開發(fā)的一種重要路徑。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)就可以按照每一個(gè)文物不同的歷史文化背景、儲(chǔ)存環(huán)境、應(yīng)用方式、背后蘊(yùn)含的歷史文化信息，進(jìn)行資料的搜集、整理和文物內(nèi)容的制作?？梢苑奖愎ぷ魅藛T快速、準(zhǔn)確、深入地挖掘文物背后的資料信息，方便各區(qū)域?qū)ξ奈锏那闆r進(jìn)行交流，上傳統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源庫，實(shí)現(xiàn)文物資料的共享共建。赤峰文博院現(xiàn)有赤峰市不可移動(dòng)文物監(jiān)管平臺(tái)，打造文物安全大數(shù)據(jù)底座平臺(tái)，運(yùn)用先進(jìn)的GIS、無人機(jī)攝影攝像建模等技術(shù)實(shí)現(xiàn)文物安全數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化。

2.1.4 共享傳播

三維數(shù)字化技術(shù)可以提升文物保護(hù)與開發(fā)的傳播效應(yīng)，如文博工作人員和群眾之間可以利用微信、微博、QQ、抖音、快手等進(jìn)行交流，擴(kuò)大傳播范圍。目前，三維數(shù)字化技術(shù)為文物保護(hù)和開發(fā)的傳播提供了更加多樣的渠道和更加暢通的鏈條。

2.2 逆向工程技術(shù)

逆向工程技術(shù)也叫作反求工程技術(shù)、反向工程技術(shù)，通過這種技術(shù)對文物的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，建設(shè)可視化、可傳輸?shù)膸缀文Ｐ?，有助于文物保護(hù)和開發(fā)工作者建立更加細(xì)致的修補(bǔ)方式，從而提高修復(fù)工作的操作有效性。同時(shí)通過三維技術(shù)獲得到的空間向量坐標(biāo)更有利于反向推導(dǎo)形成缺失部分的建設(shè)數(shù)據(jù)，在應(yīng)用恰當(dāng)?shù)牟牧蠈θ笔У奈奈锊糠诌M(jìn)行一體化的成型，開展最后的修補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)文物的復(fù)制。

2.3 三維數(shù)據(jù)掃描技術(shù)

三維數(shù)據(jù)掃描技術(shù)是基于逆向工程發(fā)展而來的數(shù)字及數(shù)模重構(gòu)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)的采集、后期的數(shù)據(jù)處理、深入的數(shù)據(jù)挖掘，直接提升整個(gè)工程的效率，改善工程的質(zhì)量。同時(shí)通過這種三維數(shù)據(jù)掃描技術(shù)，也能夠?qū)y量的設(shè)備和測量的方法進(jìn)行更新、迭代，將可觀測到的數(shù)據(jù)、影像資料轉(zhuǎn)化成為幾何點(diǎn)標(biāo)數(shù)據(jù)，方便內(nèi)容的傳輸及不同工作部門的人員對同一個(gè)文物進(jìn)行修補(bǔ)、開發(fā)和后期的保護(hù)。赤峰文博院基于文物本體的正射影像，通過數(shù)字技術(shù)，高效地繪制精細(xì)、精美的矢量數(shù)字線描圖及等值線圖，應(yīng)用于相關(guān)文物的考古報(bào)告及研究專著中。另外赤峰文博院在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集整理過程中，也應(yīng)用了三維數(shù)據(jù)掃描技術(shù)，將現(xiàn)有文物保護(hù)單位逐步建立三維數(shù)據(jù)庫，并逐步豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容，如高程、環(huán)境等內(nèi)容。gzslib202204051547

2.4 3D打印快速成型技術(shù)

3D打印快速成型技術(shù)基于前幾種步驟，在計(jì)算機(jī)圖層上創(chuàng)建不同維度的三維模型，按照分層切片的方法展示三維影像在二維空間或得到的輪廓層級進(jìn)行逐層打印，并且這種技術(shù)還可以為三維掃描技術(shù)、逆向工程技術(shù)進(jìn)行后期的演化和建模，完成破損部位的數(shù)字模型的建立，提升當(dāng)前數(shù)字保護(hù)的有效性。

2.5 互聯(lián)網(wǎng)多媒體技術(shù)

多媒體互聯(lián)網(wǎng)交互技術(shù)是基于IT技術(shù)、傳輸文字、影像、聲音、動(dòng)畫、視頻以及光信號(hào)的一種實(shí)時(shí)人機(jī)交互的方法，搭建各種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，加強(qiáng)內(nèi)容建設(shè)，能夠使當(dāng)前文物保護(hù)的成就走進(jìn)大眾的生活中，用于高效的文物保護(hù)宣傳，文化遺址的開發(fā)，以及人文之間的溝通交流和反饋，具有顯著的效果。赤峰文博院就有基于互聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互、動(dòng)畫展示等方式的展覽策略，應(yīng)用到固定展覽中。例如，通過交互機(jī)來展示一件青銅器，可以通過手勢調(diào)節(jié)觀看青銅器的任意角度。

3 三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)與開發(fā)中的應(yīng)用路徑

目前我國多個(gè)地區(qū)的文物在保護(hù)與修復(fù)方面，應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行無接觸的掃描，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行3D打印，開展復(fù)制品拼接，并對缺損部位的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行快速成型，通過打磨與上色，最終完成數(shù)字化的保護(hù)與修復(fù)。這些工作進(jìn)一步提高了文物開發(fā)和利用的有效性?？偟膩砜?，三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)與開發(fā)中，主要基于以下幾方面的應(yīng)用場景。

3.1 三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用路徑

3.1.1建設(shè)文物數(shù)據(jù)庫

在后續(xù)的文物開發(fā)與保護(hù)中，需要重視數(shù)據(jù)的挖掘和影像資料的利用，從而完成整個(gè)文物的修復(fù)和保護(hù)工作。例如，基于三維掃描技術(shù)、逆向工程技術(shù)以及3D數(shù)字化技術(shù)，可進(jìn)行更加全面的現(xiàn)場數(shù)據(jù)勘測，以推進(jìn)文物挖掘工作、文物數(shù)據(jù)資料獲取工作，避免盲目開采而造成文物受損。依據(jù)開發(fā)現(xiàn)場的原址原貌進(jìn)行虛擬還原，立體化分析當(dāng)時(shí)文物所處的歷史環(huán)境以及不同開發(fā)路徑，可能會(huì)對文物造成的影響。對遺址模型快速成型，方便進(jìn)行影視資料的獲取，并對現(xiàn)場的電子資料進(jìn)行歸檔，搜索查閱，為其他人參與這個(gè)過程提供更有效的幫助。

2020年赤峰市人民政府決定建立赤峰市不可移動(dòng)文物監(jiān)管平臺(tái)，是基于文物安全大數(shù)據(jù)底座平臺(tái)，運(yùn)用先進(jìn)的GIS、無人機(jī)攝影攝像建模等技術(shù)實(shí)現(xiàn)文物安全數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化，逐步建立全市文物安全監(jiān)管的統(tǒng)一大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。其中赤峰文博院在通過相機(jī)拍攝模擬人眼的過程中，得到文物本體的三維坐標(biāo)，構(gòu)建文物本體的數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生模型包含了文物本體的位置、幾何、紋理等信息的永久保存，實(shí)現(xiàn)了對文物的無接觸保護(hù)，且在文物損毀等極端情況下，可進(jìn)行3D打印輸出實(shí)現(xiàn)文物“重生”。數(shù)字孿生模型將文物的本體信息永久存儲(chǔ)在云端，并且支持局部細(xì)節(jié)放大、360度自由旋轉(zhuǎn)等功能。基于文物本體的數(shù)字孿生模型，將文物突破時(shí)空限制，通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)對社會(huì)公眾進(jìn)行“云展覽”;通過VR/AR等技術(shù)手段，讓歷史“說話”，讓文物“活”起來。

3.1.2 保護(hù)修復(fù)或電子形態(tài)展覽

在未來文物保護(hù)開發(fā)的過程中，還需要應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，尤其是強(qiáng)調(diào)多元化的開發(fā)和利用，注重電子形態(tài)的展覽，對傳統(tǒng)的清理內(nèi)容進(jìn)行鏈條上面的設(shè)計(jì)，采取傳統(tǒng)數(shù)字技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的方法，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用逆向工程推算出目前文物所缺失的部分，按照這種三維數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行快速的打磨。同時(shí)通過三維開發(fā)技術(shù)還可以對一些受損的表面進(jìn)行處理，對可拆卸的部分進(jìn)行黏合，如赤峰文博院自主研發(fā)的CG-Engine三維渲染引擎和CG-CUBEGIS三維GIS軟件平臺(tái)是在專注功能的同時(shí)，其三維的效果顯示方面在同業(yè)中也具有領(lǐng)先優(yōu)勢，并可支持一個(gè)工程數(shù)據(jù)同時(shí)在PC端、Web端和移動(dòng)端三方發(fā)布，三端數(shù)據(jù)同源同步。

赤峰文博院對變形的青銅器、陶器等文物進(jìn)行了數(shù)字形態(tài)的矯正，按照3D掃描打印技術(shù)復(fù)刻出了原版的文物掃描件，進(jìn)行復(fù)驗(yàn)品的展示，減少了對文物的二次傷害。在赤峰文博院會(huì)同紅山區(qū)文物局開展的二道井子遺址數(shù)字化保護(hù)展示項(xiàng)目中，通過對遺址數(shù)據(jù)采集制作包含地形數(shù)據(jù)采集、遺址本體數(shù)據(jù)采集制作、出土文物模型制作和遺址監(jiān)測數(shù)據(jù)采集四個(gè)部分建設(shè)內(nèi)容。地形數(shù)據(jù)采集是通過低空無人機(jī)機(jī)載激光掃描和航測技術(shù)，采集并制作高分辨率地面影像和高精度地形數(shù)據(jù)。遺址本體數(shù)據(jù)采集制作是通過三維傾斜測量、地面三維激光掃描等技術(shù)手段來采集三維模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，建立模型。出土文物模型制作是通過三維激光掃描、高清紋理拍攝等技術(shù)手段來采集出土文物的三維模型。遺址監(jiān)測數(shù)據(jù)采集是對周邊環(huán)境和諸如沉降、形變等危害遺址安全的因素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，通過系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，判別危害因素，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

3.2 三維數(shù)字化技術(shù)在文物開發(fā)中的應(yīng)用路徑

利用三維數(shù)字化技術(shù)，需要走多元化的路徑，同時(shí)對文化遺址的外化和深化做好深入設(shè)計(jì)。文物目前的展示方式主要是靜態(tài)的展列陳列等，未來在對文物進(jìn)行保護(hù)性的開發(fā)和應(yīng)用的過程中，就可以應(yīng)用目前的3D影像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，真正做到文物展示和開發(fā)的動(dòng)靜結(jié)合、虛擬結(jié)合，豐富游客在整個(gè)參觀過程中的參與感和體驗(yàn)感。

例如，二道井子遺址數(shù)字化保護(hù)展示項(xiàng)目，購置各類基礎(chǔ)硬件設(shè)施，采用數(shù)字監(jiān)測技術(shù)、數(shù)字展示技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建庫技術(shù)等，以深入分析遺址基本現(xiàn)狀及數(shù)字化工作需求為前提，搭建遺址信息資源庫，全面實(shí)現(xiàn)遺址本體資源的統(tǒng)一歸檔存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用，建立遺址日常監(jiān)測與保護(hù)管理的數(shù)據(jù)，為遺址的保護(hù)管理、監(jiān)測分析、考古分析研究等提供先進(jìn)的技術(shù)和平臺(tái)支撐。建立了夏家店下層文化互動(dòng)投影、遺址虛擬復(fù)原三維動(dòng)畫、遺址復(fù)原場景體感穿越、三維文物交互展示系統(tǒng)、AR遺址復(fù)原和VR交互漫游。其中遺址復(fù)原場景體感穿越遺址，博物館就建設(shè)了影像廳，復(fù)原出遺址樣貌，形成一個(gè)深入、沉浸式的閉環(huán)體驗(yàn)場景，通過看到動(dòng)態(tài)化的文物，每觸摸一下屏幕，遺址就向前演變一次。同時(shí)這些屏幕中還配備細(xì)致的解說，通過這樣的技術(shù)設(shè)計(jì)，博物館吸引了更多的客流，對未來該博物館的宣傳以及文物的保護(hù)具有重大的積極作用。

4 結(jié)語

綜上所述，三維數(shù)字化技術(shù)在文物的保護(hù)和開發(fā)中具有重要的價(jià)值，需要重視技術(shù)迭代，對于傳統(tǒng)文物保護(hù)所帶來的革新，同時(shí)也要考慮到數(shù)字化設(shè)備的選擇、文化數(shù)字化過程中的一系列風(fēng)險(xiǎn)問題，提出數(shù)字化的解決路徑。

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