黃墨樵 劉歡 侯琛琛

摘 要：隨著我國文物數(shù)字化保護(hù)利用需求的不斷提高，對文物三維數(shù)字化的要求逐步邁向超高清階段，即獲取兼具高精度幾何信息和高還原度顏色信息的文物超高清三維模型數(shù)據(jù)，以滿足迅速更新迭代的應(yīng)用終端和各類符合高質(zhì)量發(fā)展要求的應(yīng)用場景。目前成果一致性好、可工程化實(shí)施的文物三維數(shù)字化流程還沒有得到規(guī)?；瘧?yīng)用。本文通過對比已有標(biāo)準(zhǔn)化文件，梳理完善數(shù)字化流程，探討優(yōu)化數(shù)據(jù)加工、質(zhì)量控制和成果量化評價流程的方法，以期提高文物三維數(shù)字化效率、提升文物三維數(shù)字化成果質(zhì)量，為文物保護(hù)單位采用三維數(shù)字化技術(shù)方法采集獲取文物超高清三維數(shù)據(jù)提供參考性依據(jù)和可操作性方案。

關(guān)鍵詞：器物類文物，超高清，文物三維數(shù)字化，流程設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.22.005

0 引 言

文物三維數(shù)字化包括文物三維數(shù)字化采集和加工流程，是將文物實(shí)體以數(shù)字技術(shù)等技術(shù)方法轉(zhuǎn)化生成具有三維空間特征的數(shù)字虛擬可視化數(shù)據(jù)形態(tài)。隨著數(shù)字技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，目前文物三維數(shù)字化在文物保護(hù)、研究、展示等方面發(fā)揮越來越重要的作用，為文物數(shù)據(jù)多層次多維度應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

從國內(nèi)文博行業(yè)實(shí)踐來看，文物三維數(shù)字化有以下三方面的發(fā)展趨勢。一是有更高精度和更高分辨率的要求。在《“十四五”文物保護(hù)和科技創(chuàng)新規(guī)劃》中明確提出：加強(qiáng)文物數(shù)字化保護(hù)，以世界文化遺產(chǎn)、全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位、館藏一級文物等為重點(diǎn)，推進(jìn)相關(guān)文物信息高清數(shù)據(jù)采集和展示利用。二是有建立標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的要求?！丁笆奈濉蔽奈锉Ｗo(hù)和科技創(chuàng)新規(guī)劃》同樣明確提出建立文物數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的要求，旨在提升文物三維數(shù)字化的效率和質(zhì)量的同時，形成規(guī)模化效應(yīng)，加強(qiáng)數(shù)字文物對實(shí)體文物保護(hù)利用的助力賦能。三是隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)用終端的不斷迭代更新，新的應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)，這對文物三維數(shù)字化工作提出了更高的要求。不僅需要獲取文物精確的幾何數(shù)據(jù)，同時也需要獲取具備高擬真度的文物高分辨率顏色信息，以及準(zhǔn)確的顏色分布和變化表現(xiàn)，生成兼具高精度幾何信息和高還原度顏色信息的文物超高清三維模型數(shù)據(jù)。無論是基于國家文物保護(hù)大政方針方面的考量，還是基于不斷發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要，文物超高清三維數(shù)字化流程的規(guī)范化為文物數(shù)字化保護(hù)利用的高質(zhì)量發(fā)展提供了具體的實(shí)踐方案。

1 技術(shù)方法選擇與適用

根據(jù)文物采集對象的差異，以及采集目的的不同，從目前文物三維數(shù)字化實(shí)踐來看，共有三種文物三維數(shù)字化技術(shù)方法。第一種為三維掃描技術(shù)。第二種為攝影測量技術(shù)。第三種為三維掃描技術(shù)與攝影測量技術(shù)的結(jié)合使用。

三維掃描技術(shù)大約在20世紀(jì)90年代中后期就已經(jīng)開始在國內(nèi)文博行業(yè)逐漸應(yīng)用，目前已廣泛應(yīng)用于測繪、病害分析、修復(fù)、傳播展示等文物保護(hù)利用領(lǐng)域[1]。三維掃描技術(shù)在文博行業(yè)主要運(yùn)用的技術(shù)有激光三維掃描和結(jié)構(gòu)光三維掃描兩種。雖然三維掃描技術(shù)在獲取文物高精度幾何數(shù)據(jù)方面具有優(yōu)勢，但單純的三維掃描技術(shù)目前尚未能捕捉獲取高分辨率的紋理和準(zhǔn)確的著色信息。

近年來，隨著攝影測量技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，基于數(shù)碼照片的輕量化、快速化三維重建技術(shù)在我國文博行業(yè)也逐步大量應(yīng)用，在大空間測繪和文物傳播展示領(lǐng)域應(yīng)用較多。由于攝影測量技術(shù)的數(shù)據(jù)采集來源是數(shù)碼照片，根本上解決了無法獲取高分辨率紋理和準(zhǔn)確的著色信息的問題，因此采用攝影測量技術(shù)獲取的文物三維模型數(shù)據(jù)都可以獲得良好的著色信息。但也正是由于直接基于文物二維影像獲取文物三維點(diǎn)云，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在較大誤差，特別是面對造型復(fù)雜，不規(guī)則的文物對象時，這種誤差會隨之放大。與激光和結(jié)構(gòu)光三維掃描相比，生產(chǎn)的模型精度較低。

文物數(shù)據(jù)的長期保存、文物的科學(xué)精細(xì)化保護(hù)、文物價值的進(jìn)一步挖掘和闡釋、面向新一代顯示終端的超高清展示傳播，這些代表文物保護(hù)利用高質(zhì)量發(fā)展方向的應(yīng)用領(lǐng)域都需要兼具高精度幾何信息和高還原度顏色信息的文物超高清三維模型數(shù)據(jù)將三維掃描技術(shù)與攝影測量技術(shù)進(jìn)行結(jié)合使用，既能發(fā)揮兩種技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)，又能彌補(bǔ)兩種技術(shù)方法的不足，保證最終生成的數(shù)字化成果既擁有較高的幾何精度，同時也保有超高分辨率的貼圖數(shù)據(jù)，擁有與實(shí)物比擬的高保真度，能夠較好滿足上述一系列面向更高終端應(yīng)用的需求。

隨著顯示終端分辨率已從2K逐漸過渡到4K（3840*2160 pixels）和8K（7680*4320 pixels）階段，一方面這為文物三維模型數(shù)據(jù)承載和顯示更多文物表面信息提供了技術(shù)呈現(xiàn)基礎(chǔ)和手段，使得高質(zhì)量文物三維模型數(shù)據(jù)的價值得到進(jìn)一步發(fā)揮；另一方面這也對文物三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量，特別是對于模型數(shù)據(jù)的紋理貼圖分辨率（texture resolution），以及紋理貼圖（texture map）與網(wǎng)格模型（meshmodel）之間的準(zhǔn)確映射有了更高的參數(shù)要求。為此面向4K以上新顯示終端條件下的文物超高清三維數(shù)字化（Ultra-high Definition 3D Digitalization of?Cultural Relics）概念初步成形。

文物超高清三維數(shù)字化是指三維數(shù)字化的成果紋理模型（texture model），不僅擁有不大于0.2 mm的模型精度，同時兼具匹配4K以上顯示終端的超高清分辨率和清晰效果。紋理模型（texturem o d e l）由網(wǎng)格模型（me s h m o d e l）和紋理貼圖（texture map）構(gòu)成，紋理模型最終的視覺效果，取決于網(wǎng)格模型的網(wǎng)格精度、密度，以及紋理貼圖的分辨率。其中紋理貼圖參數(shù)質(zhì)量影響最大。參照國際電信聯(lián)盟ITU制定的《超高清電視系統(tǒng)節(jié)目制作和國際交換參數(shù)數(shù)值》建議書（ITU-R BT.2020-2）中的技術(shù)規(guī)定，以對角線長1.5 m屏幕（尺寸1.31m×0.74 m）1：1的圖像顯示為基本輸出規(guī)格，確定文物超高清三維數(shù)字化的技術(shù)指標(biāo)[2]。由于文物三維模型數(shù)據(jù)使用較多的應(yīng)用場景都會涉及到對模型數(shù)據(jù)的放大觀看，模型數(shù)據(jù)的局部細(xì)節(jié)需要充滿屏幕顯示。為此需要以滿足數(shù)據(jù)局部細(xì)節(jié)觀看要求來作為底限指標(biāo)，即要求按1：1對應(yīng)文物對象1平方分米的面積范圍內(nèi)不小于4K（3840*2160 pixels）的紋理貼圖分辨率，按dpi換算則是要求紋理貼圖滿足不小于800 dpi的分辨率指標(biāo)要求。

2 器物類文物超高清三維數(shù)字化規(guī)范化流程

2.1 已有流程比較與分析

隨著文物三維數(shù)字化工作實(shí)踐的不斷開展，目前國內(nèi)已有部分省市開始針對館藏文物（可移動文物）進(jìn)行三維數(shù)字化的流程標(biāo)準(zhǔn)化工作。例如河北省于2020年實(shí)施的地方標(biāo)準(zhǔn)DB13/T 5260-2020《金屬類可移動文物三維數(shù)據(jù)采集規(guī)范》、北京市于2021年實(shí)施的地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1922-2021《文物三維數(shù)字化技術(shù)規(guī)范 器物》、山西省于2023年實(shí)施的DB14/T 2720-2023《可移動文物三維激光掃描數(shù)字化采集規(guī)程》，以及甘肅省于2023年實(shí)施的地方標(biāo)準(zhǔn)DB62/T 4726-2023《館藏器物類文物三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范》均有涉及器物類文物三維數(shù)字化流程。其中DB11/T 1922-2021涵蓋了文物三維數(shù)據(jù)采集和加工的全流程，較為詳細(xì)地規(guī)定了三維掃描技術(shù)和攝影測量技術(shù)進(jìn)行文物三維數(shù)據(jù)獲取的規(guī)范化流程，同時也規(guī)定了基于長期數(shù)據(jù)存儲目的的存檔級文物三維模型數(shù)據(jù)的采集和加工流程、參數(shù)項(xiàng)和指標(biāo)值[3]。在其他標(biāo)準(zhǔn)化文件中，如DB62/T4726-2023中并沒有將三維掃描技術(shù)與攝影測量技術(shù)結(jié)合的技術(shù)方法規(guī)范化，只就點(diǎn)云數(shù)據(jù)加工處理進(jìn)行了一般性規(guī)定[4]。在DB14/T 2720-2023中將對紋理貼圖的數(shù)據(jù)處理分成了手工和自動兩種，但并未進(jìn)一步說明如何自動映射，只是簡要說明某些掃描儀具備自動獲取紋理貼圖，并自動將紋理貼圖映射到網(wǎng)格模型上的功能[5]。

此外刁常宇在其著作中對文物三維數(shù)字化流程，特別是高保真文物三維數(shù)字化進(jìn)行了簡要流程描述[6]。在域外，2018年Dostal 等人也就高質(zhì)量文物三維數(shù)據(jù)的生成流程進(jìn)行了研究，提出結(jié)合了三維掃描儀和計(jì)算機(jī)視覺攝影測量技術(shù)優(yōu)勢的數(shù)據(jù)加工方法，稱為攝影測量紋理映射（photogrammetrictexture mapping，以下簡稱PTM）[7]。與Dostal 等人研發(fā)出PTM方法的同期，故宮博物院也采用了類似PTM的技術(shù)流程，將攝影測量獲得的網(wǎng)格模型替換成三維掃描獲取的更為精準(zhǔn)的網(wǎng)格模型，將攝影測量獲取的文物紋理及著色信息映射到三維掃描獲取的網(wǎng)格模型上，以此得到兼具準(zhǔn)確幾何信息和顏色信息的高品質(zhì)文物超高清三維模型數(shù)據(jù)[8]。

2.2 規(guī)范化流程設(shè)置與考量

文物超高清三維數(shù)字化全流程主要包括4個作業(yè)環(huán)節(jié)：（1）前期準(zhǔn)備，包括方案設(shè)計(jì)、條件準(zhǔn)備；（2）數(shù)據(jù)采集，包括控制測量、三維掃描、攝影測量；（3）數(shù)據(jù)加工，包括三維數(shù)據(jù)加工、攝影測量加工、三維掃描與攝影測量三維重建結(jié)合的數(shù)據(jù)加工；（4）成果存儲，包括成果整理、成果存儲。從整體流程來看，前期準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)采集兩個環(huán)節(jié)在目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化文件中流程化設(shè)置比較清晰明確，與文物超高清三維數(shù)字化流程的區(qū)別主要集中在數(shù)據(jù)加工、全流程質(zhì)量控制及成果紋理模型量化評價環(huán)節(jié)。因此本章以下小節(jié)將著重就文物超高清三維數(shù)字化在數(shù)據(jù)加工、貫穿全流程的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)及成果紋理模型量化評價的流程設(shè)置進(jìn)行探討。

2.3 相關(guān)流程設(shè)置的探討

2.3.1 三維數(shù)據(jù)加工

三維掃描數(shù)據(jù)加工應(yīng)按下列要求進(jìn)行：（1）除去與可移動文物無關(guān)的多余部分；（2）消除變形、疊面、交叉面等現(xiàn)象；（3）在符合最大點(diǎn)間距不大于0.5 mm，平均點(diǎn)間距不大于0.2 mm的條件下，進(jìn)行三角網(wǎng)減量；（4）保證模型精度不大于0.2 mm要求下，進(jìn)行局部或整體平滑處理；在最大點(diǎn)間距、平均點(diǎn)間距和模型精度符合前述參數(shù)值情況下，宜重復(fù)上述步驟使網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)量最小。

2.3.2 攝影測量數(shù)據(jù)加工

攝影測量數(shù)據(jù)加工應(yīng)按下列要求進(jìn)行：（1）消除網(wǎng)格模型中的變形、疊面、交叉面、縫隙等現(xiàn)象；（2）消除紋理貼圖中的模糊、拉伸、接縫、高光等問題；（3）進(jìn)行紋理貼圖勻色，使紋理顏色均勻統(tǒng)一；（4）在最大點(diǎn)間距、平均點(diǎn)間距和模型精度符合前述參數(shù)值情況下，宜優(yōu)化網(wǎng)格模型和優(yōu)化貼圖使數(shù)據(jù)量最小化；（5）重新分布模型UV，消除碎片化UV。

2.3.3 三維掃描與攝影測量三維重建結(jié)合的數(shù)據(jù)加工

在完成三維數(shù)據(jù)加工和攝影測量數(shù)據(jù)加工后，其后的工序就應(yīng)該是將這兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合映射，將攝影測量獲得紋理貼圖經(jīng)過烘焙（bake）準(zhǔn)確映射到三維掃描獲取的網(wǎng)格模型上，生成最終的成果紋理模型數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)主要由兩個作業(yè)流程組成。

一是對三維掃描的網(wǎng)格模型進(jìn)行UV分塊和展開：（1）UV分塊的邊界應(yīng)在文物模型的隱蔽、平滑處，且不破壞文物主體紋飾；（2）對UV展開的結(jié)果采用棋盤格法進(jìn)行形變校驗(yàn)，UV分塊應(yīng)分布均勻、充滿畫幅、無拉伸。出現(xiàn)形變區(qū)域較大或局部變形較明顯時，應(yīng)對UV分塊調(diào)整后，再進(jìn)行UV展開。

二是在完成UV分塊和展開后，進(jìn)行紋理貼圖映射烘焙：（1）攝影測量網(wǎng)格模型與三維掃描網(wǎng)格模型之間的誤差與攝影測量生成紋理貼圖的誤差之和，應(yīng)不大于0.2 mm的紋理貼圖映射位置誤差；（2）使用的烘焙軟件應(yīng)能將攝影測量三維重建紋理模型的紋理貼圖完整、準(zhǔn)確烘焙至三維掃描網(wǎng)格模型上，且輸出烘焙結(jié)果評價信息；（3）紋理貼圖烘焙完成后應(yīng)進(jìn)行紋理貼圖檢查，重點(diǎn)檢查網(wǎng)格模型曲率大的部位，如出現(xiàn)問題，及時查找原因并解決。

2.3.4 全流程質(zhì)量控制

要獲得高質(zhì)量的文物三維模型數(shù)據(jù)，就需要對數(shù)字化全過程進(jìn)行質(zhì)量控制。在前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，在方案設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行質(zhì)量控制策劃和設(shè)計(jì)，并規(guī)范采集場地、人員和設(shè)備的要求；在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，規(guī)范控制點(diǎn)的布設(shè)和測量，以及具體采集技術(shù)方法和實(shí)施過程，并在采集完畢后對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，不將本環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題帶到下一個流程中；在數(shù)據(jù)加工環(huán)節(jié)，規(guī)范具體加工技術(shù)方法和實(shí)施過程，在加工完畢對成果紋理模型數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。在數(shù)據(jù)采集和加工環(huán)節(jié)的質(zhì)量檢查需要從模型精度、最大點(diǎn)間距、平均點(diǎn)間距、模型完整度、紋理貼圖分辨率、色差平均值及映射位置誤差7個方面進(jìn)行檢查。覆蓋全過程的質(zhì)量控制才能最終保證文物三維模型數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和可用性。

2.3.5 成果紋理模型數(shù)據(jù)量化評價

成果紋理模型數(shù)據(jù)量化評價是文物超高清三維數(shù)字化流程中衡量成果紋理模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)從以下兩個方面共7項(xiàng)量化參數(shù)項(xiàng)進(jìn)行評價：一方面針對成果紋理模型數(shù)據(jù)的網(wǎng)格模型，模型精度不大于0.2 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)器比對法或重復(fù)測量比對法檢查；最大點(diǎn)間距不大于0.5 mm，采用軟件分析法檢查；平均點(diǎn)間距不大于0.2 mm，采用軟件統(tǒng)計(jì)法檢查；模型完整度不小于95%，采用軟件統(tǒng)計(jì)對比法檢查。另一方面針對成果紋理模型數(shù)據(jù)的紋理貼圖，紋理貼圖分辨率按1：1對應(yīng)文物對象需滿足每平方分米不小于3840*2160 pixels，采用軟件報(bào)告法或推斷法檢查；色差平均值不大于3.5，采用規(guī)范計(jì)算法或工具軟件法檢查；映射位置誤差不大于0.2 mm，采用報(bào)告值求和法檢查。

3 實(shí)踐分析與驗(yàn)證

3.1 采集與加工樣本情況簡介

故宮博物院從2018年開始每年定量采集院藏文物三維數(shù)據(jù)，從2021年到2022年間按照規(guī)范化流程生成了180件文物三維模型數(shù)據(jù)。這里從其中抽選了12件院藏文物超高清三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化流程實(shí)施與驗(yàn)證工作。如表1所示，12件器物類文物的材質(zhì)和形態(tài)各異，大小不一，部分文物表面有較明顯且繁復(fù)的紋飾或淺浮雕，有些文物也有較明顯的鏤空和形體遮擋情況。這些情況都為驗(yàn)證規(guī)范化流程提供了較好的樣本類型覆蓋基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)施效果分析與評價

經(jīng)過超高清三維數(shù)字化流程實(shí)施，生成了12件文物三維模型數(shù)據(jù)成果。直觀上看，12件文物三維模型數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確還原文物幾何形體信息和顏色信息造型準(zhǔn)確，紋理逼真，如表1所示。除直觀檢視外，為了保證文物三維模型數(shù)據(jù)的可靠性，需要對模型數(shù)據(jù)成果進(jìn)行量化評價，從幾何精度、紋理貼圖單位面積分辨率及色差控制三個方面進(jìn)行量化評價。

在幾何精度方面，將12件文物三維模型數(shù)據(jù)成果的平均點(diǎn)間距作為量化評估參數(shù)項(xiàng)。從表1可以看出，12件文物三維模型數(shù)據(jù)成果的平均點(diǎn)間距數(shù)值趨于一致，能夠說明該文物超高清三維數(shù)字化流程的規(guī)范性，所生成的數(shù)據(jù)幾何精度處于同一水平，均不大于0.2 mm。12件文物三維模型數(shù)據(jù)的單位面積紋理貼圖分辨率均大于4K（3840*2160pixels）的要求，全部符合1平方分米面積內(nèi)不小于4K標(biāo)準(zhǔn)顯示標(biāo)準(zhǔn)的總像素要求。色差平均值利用軟件工具按CIEDE 2000公式計(jì)算，均不大于3.5，將文物三維模型數(shù)據(jù)的色差控制在較為理想的范圍內(nèi)[9]?？傮w上看，經(jīng)過文物超高清數(shù)字化流程生成的12件數(shù)據(jù)成果總體上符合超高清三維數(shù)字化的技術(shù)要求。

4 結(jié) 語

超高清三維數(shù)字化技術(shù)能夠提供更真實(shí)、精準(zhǔn)的器物類文物數(shù)字模型，記錄盡可能多的文物表面細(xì)節(jié)和特征，進(jìn)一步滿足文物保護(hù)、研究和展示的高質(zhì)量需求。規(guī)范化的流程設(shè)置可以提高數(shù)字化過程的效率與質(zhì)量，減少不必要人為干預(yù)帶來的數(shù)據(jù)誤差風(fēng)險(xiǎn)。通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)手段及數(shù)據(jù)處理方法，超高清三維數(shù)字化的數(shù)據(jù)成果可以滿足文物三維數(shù)據(jù)長期保存的需求，避免因技術(shù)快速迭代和終端需求頻繁更新，在較短時間內(nèi)反復(fù)提取文物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。標(biāo)準(zhǔn)化的文物超高清三維數(shù)字化一方面減少了文物數(shù)據(jù)采集的綜合成本，另一方面也無疑減少了文物因反復(fù)提取而造成損壞的潛在風(fēng)險(xiǎn)幾率。

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作者簡介

黃墨樵，博士，副研究館員，主要研究方向?yàn)槲奈飻?shù)字化保護(hù)利用標(biāo)準(zhǔn)化。

劉歡，本科，高級工程師，主要研究方向?yàn)槲奈飻?shù)字化保護(hù)利用標(biāo)準(zhǔn)化。

侯琛琛，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)槲奈飻?shù)字化保護(hù)利用標(biāo)準(zhǔn)化。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）