虚拟修复技术在石造像文物保护中的应用

1980年，河北省黄骅市博物馆工作人员在旧城和岭庄的两处窖藏进行了一次抢救性发掘，出土残损石造像62尊，以东魏和北齐所制造像为主，为研究北朝时期河北东南部与山东邻近地区的佛教信仰及造像艺术提供了重要的实物资料①。由于这批造像在发现时以残块的形式混迹于陈年的瓦砾层中，造像头部及肢体多残缺，因此，有必要对其进行修复，以恢复其历史和艺术价值。

近年来，三维激光扫描、近景摄影和3D打印等数字化保护技术在文物保护领域的应用，为文物保护修复工作提供了新的途径。文物保护修复要求在现存有价值的实物为主要依据的前提下，遵循最小干预原则和可逆性原则。与传统文物保护修复技术相比较，文物的虚拟修复具有完全可逆性，对石造像特别是破损严重的石造像修复具有事半功倍的良好效果。

本文以黄骅市博物馆馆藏的1件北齐单尊菩萨立像(图一)为研究对象，开展石造像文物的数字化保护和虚拟修复工作。文物的虚拟修复需满足三维模型的几何精度和纹理真实感两方面要求，用三维激光扫描技术对文物的三维几何信息进行高精度重建，利用近景摄影技术对文物的色彩信息进行高保真纹理重建；在三维数据基础上，对残损石造像进行全方位虚拟复原，并选择决定最佳修复方案。

图一北齐单尊菩萨立像

一、文物虚拟修复技术在文物保护中的应用概况

文物的虚拟修复技术是基于文物三维数字模型和照片，通过三维模型软件中的复制、旋转和镜像，以及纹理映射等功能实现残损部位的几何结构修复和纹理映射，不仅简化了复杂繁琐的传统修复过程，也提高了残损文物修复的准确性②。目前，文物的虚拟修复应用研究主要包括两个方面：1. 文物表面装饰色彩的虚拟复原，如已褪色的雕塑③、木质佛像④及石雕造像⑤色彩的虚拟复原；2. 残损文物的虚拟修复，如破碎青铜⑥和铁质⑦文物的虚拟修复研究。

近年来学者们对文物虚拟修复的理论和实际应用进行了多方面探讨，为本研究的开展奠定了基础。李春龙等提出了一种估计对称破碎文物轴线的几何方法，获取文物碎片的母线信息，生成了具有内外表面的文物复原模型⑧。李姬俊男对文物虚拟修复中涉及的数字几何处理关键技术进行了研究，建立了虚拟复原工程化体系框架，并针对复杂拼合问题提出了多特征约束下拼合的解决方案⑨。李伟民采用计算机辅助的文物半自动拼接，提出将多特征融合为单一特征，然后依据交互环境下两碎片的交点定义特征点序列的起始点，利用LCS思想实现碎片的粗匹配，最后通过ICP算法进行碎片的细匹配⑩。NadaA.Ｒasheed和MdJanNordin提出了根据瓷片颜色和纹理特征自动化地将碎片进行分类的方法，并精确地将碎片重建成了完整模型；以不规则陶器碎片的几何特征作为重要特征，利用神经网络模型对碎片进行分类和重建，取得了较好的精度。王飘等针对断裂部位缺损的文物碎片，提出通过提取陶制文物碎片三维模型表面纹理，结合纹理特征与断裂边界轮廓线实现碎片之间的匹配。王栋娟针对青铜器文物碎片提出了一种基于主成分分析和快速傅里叶变换相结合的青铜器三维碎片虚拟拼接方法，获得了较好的拼接效果。侯妙乐等对文物虚拟修复的现状、系统化的流程及其面临的挑战进行了总结和分析，指出文物虚拟修复系统正朝着多源数据一体化，修复范畴多尺度全覆盖，修复体系更科学、可评估和能预测的方向发展。

二、石造像文物三维数据采集

三维数据采集是开展虚拟修复工作的基础，数据存储了石造像文物的三维形态、尺寸、体积和纹理等信息。目前，应用于文物三维数据采集的技术有三维激光扫描技术、近景摄影技术、光栅扫描技术和CT技术。经X射线衍射分析，所选北齐单尊菩萨立像胎体为大理岩，表面光滑且易反光，因此，主要采用三维激光扫描技术和近景摄影技术两种方法进行三维数据采集。

1. 三维激光扫描仪采集数据

三维激光扫描技术建模是利用三维激光扫描仪，采集文物的空间三维坐标和尺寸数据，具有不直接接触文物、高精度、高效率、自动、快速等优点。利用手持式三维扫描仪，通过转动转盘改变石造像文物的摆放姿势对其进行全方位扫描，得到三维点云数据。扫描过程中要求扫描仪的激光发射器应与石造像文物表面保持大致308—400毫米的距离，以确保扫描仪达到最佳扫描状态。首先，完成整个石造像大部分数据点采集，然后对其面部、服饰、铭文等细节进行精确扫描，需多角度和长时间的扫描，从而获得精确的三维数据。边扫描边预览扫描效果，避免空洞导致模型残缺。

三维数据采集后，利用GeomagicWrap软件进行处理，即可得到石造像高精度三维模型(图二)。利用软件中体积统计工具对石造像文物体积进行统计，为今后的保护和研究提供数据支持(表一)。

图二北齐单尊菩萨立像三维激光扫描模型

表一 石造像文物三维激光扫描模型体积及大小统计

2. 近景摄影测量技术采集数据

近景摄影技术建模是利用标准数码相机，从一件文物的所有(所需的)角度获得图像序列，图像之间重叠率大于60%，以确保精确的点匹配，将获取的图像导入到软件程序中即可生成文物的三维彩色模型。该技术具有成本低，操作简单的优势；获取的三维彩色模型相对精度可达0.1%—0.0001%，满足文物三维模型重建的精度要求，能更加高清地重建石造像文物的表面色彩信息。

(1)数据采集

石造像文物影像采集使用全景式拍摄法、拼合拍摄法和辅助线拍摄法相结合，以便获取包含有效的三维空间结构与纹理信息的二维影像序列组合。

a.全景式拍摄法，即在固定石造像的任意一面确立一个起点，以石造像文物为中心，进行360°旋转(图三、图四)。旋转角度需要根据石造像文物外形特征，在利于完成三维模型重建的前提下，以尽量减少操作人员和计算机工作量为工作原则。

图三  全景式摄影角度俯视图

图四  全景式摄影角度立面图

b.拼合拍摄法。由于石造像文物体积较大且较重，通过悬挂进行仰视拍摄的方法存在安全隐患，而且器物底部、底座台面、造像顶部等细节，因角度问题容易形成拍摄盲区，导致无法成功重建模型，故在水平视角拍摄后，再将文物侧置于转台进行全景式拍摄，由此得到两组二维序列影像(图六，1)，在软件中对两组序列影像进行拼合，从而提高模型完整性。

图六  石造像文物三维数字模型制作流程图

1.对齐照片 2.石造像文物点云数据

3.生成网格后的三维模型 4.纹理映射后三维彩色模型

c.辅助线拍摄法。当石造像文物背光部位的转角较小(小于45°)时，因相邻两张照片的重叠率较小，导致在软件中无法完成自动对齐照片，所以，需在文物背光转角处增加拍摄照片数量以形成辅助线，使照片在软件中更快地完成照片对齐。

(2)数据预处理

采集的文物图像质量因受拍摄位置、拍摄角度、环境光线、相机感光度等因素的影响，往往会产生细微误差。因此，需对曝光过度、清晰度不够、重合度不精确等情况的影像进行筛选，并利用X－ＲiteColorChecker软件对照片进行颜色校准，校准后的照片参与建模(图五)。

图五  对图像颜色进行校准

(3)构建三维彩色模型

软件Agisoft.Metashape.Professional.V.1.6.0能将连续的数字图像快速、全自动处理成密集的点云、带纹理的3D和DEM模型以及正射影像，因此，利用该软件对石造像进行三维彩色模型重建。在这款软件中，通过建立堆块———对齐照片———建立密集点云———生成网格———生成纹理，即可完成石造像文物的具有真实纹理的三维彩色模型(图六)。

虽然此软件生成的三维彩色模型及其正射影像图等成果的精度优于0.1毫米，但其三维彩色模型没有真实的空间关系信息，不能直接量取模型上空间点之间的距离等数据瑏瑩，因此，需利用三维激光扫描仪重建的三维模型对近景摄影三维彩色模型进行尺寸校准。在尺寸校准时，同名点不少于4个，同名点误差不大于0.1。石造像文物三维彩色模型生成后，即可导出正射影像图。正射影像图具有尺寸准确、图像清晰的特点，能满足石造像文物虚拟修复后贴图处理的要求。

三、石造像文物的虚拟修复

在保护修复工作中因残损文物数量较多，往往需要花费大量的时间和精力，而且存在因修复不当引起二次损伤的风险。基于文物三维模型的虚拟修复，因方法的可逆性具有很大的应用潜力。残损文物的数字化修复方法主要有基于曲线、曲面和纹理匹配三种。北齐单尊菩萨立像结构具有近似的几何对称性，而三维几何模型的对称性是石造像文物有意义分割的重要线索，为开展虚拟修复工作提供了实物依据。石造像文物的虚拟修复包括以下两个步骤。

(1)石造像文物模型的结构修复

石造像文物几何结构的虚拟修复在GeomagicWrap软件中完成。首先，分析石造像几何构造，标定对称轴；其次，利用镜像功能，获取镜像模型；最后，合并石造像与残损部位的三维模型，完成几何结构完整的石造像文物三维模型。

在模型合并过程中，通过调整原模型与残损部位模型的X、Y、Z轴，改变两个模型的相对位置，使残缺部位模型放置在最佳位置，以便模型合并。虽然石造像文物是近似对称结构，但其断裂边缘有磨损，因此，在进行残损部位模型和原模型合并后，需对模型合并边缘做进一步的修补和平滑，使模型合并部位达到“远看看不出”的修复效果。

(2)模型纹理贴图

高质量的石造像文物纹理重建是生成高真实感文物模型的基本要求。为了增加石造像文物更多的细节与质感，对修复后的三维模型在Autodeskmudbox软件中进行纹理贴图处理。

首先，为了控制石造像模型上显示固定的贴图内容，在3Dmax软件中添加模型UV信息，可将复杂的文物三维模型的UV进行编辑并展平；其次，通过Autodeskmudbox软件，利用石造像二维正射影像图对带有UV信息的三维模型进行精细纹理贴图处理，贴图处理完成后保存为.FBX格式，完成破损石造像文物的数字修复(图七)。

图七  北齐单尊菩萨立像虚拟修复前后对比

1.修复前模型正面2.修复前模型背面3.修复后模型正面4.修复后模型背面

综上所述，文物的数字化保护技术已成为一种重要的保护方法，它弥补了传统文物保护的多项短板，有效避免了传统修复模式耗时费力且处处存在风险的缺点。利用三维激光扫描技术和近景摄影测量技术采集并重建文物的三维模型，在此基础上开展文物的虚拟修复工作，最大限度减少修复过程中不必要的材料和时间消耗，提高工作效率；克服传统修复工作对文物实体的干预，给文物保护修复工作人员提供了一种更加适用和可持续的修复选择。未来，基于三维数字模型的保护修复技术将被广泛用于文物保护工作中。