博物馆文物三维数据采集技术探析
博物馆作为保护与传承人类文化遗产的重要载体，是传播、展示历史文化的重要窗口，也是收藏、保管文物的主要场所。由于文物自身具有不可再生的属性，有必要降低博物馆对实体文物的使用频率。因此，国家近年来先后出台《关于进一步加强文物工作的指导意见》等一系列文件，明确提出要在文物保护中加强科技支撑。三维数字化技术能够有效地记录文物的整体客观属性，为文物复制提供数据支持，同时为文物修复及预防性保护提供帮助[1]。目前，各大博物馆都相继开展了文物三维数字化工作，并结合新媒体技术，将文物以动态的三维形式展现在观众的视野中。该项工作的开展，不仅有效地平衡了文物保护与利用的矛盾，也让观众能够全方位、多角度、立体化地欣赏文物。
一、国内外文物三维数据采集的应用实践
文物数字化采集手段可分为直接和间接两种。三维数据采集是一种直接手段，即通过数字化扫描、拍摄的方式，借助先进设备采集、记录文物实体的信息，利用计算机软件进行数据拼接和后期处理加工，最终实现文物的数字化[2]。三维数据采集技术主要有三维激光扫描技术、光栅投影扫描技术、摄影测量技术以及工业计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）技术。
三维激光扫描技术是20世纪末期逐渐得到推广应用的一项高新技术，主要是通过激光扫描被测物体，高效、高精度地测量被测物体表面的三维坐标[3]。这种测量方法具有不可比拟的灵活性，被广泛地应用于大面积三维重建领域。例如，斯坦福大学（Stanford University）的科研工作人员对意大利古罗马剧场、埃及金字塔狮身人面像以及米开朗基罗的雕塑作品进行了数字化处理，奥地利维也纳斯蒂芬大教堂（Wiener Stephansdom）、西班牙平达尔洞穴岩画等大量文化遗产也通过三维激光扫描的方式得到三维重建[4]。在国内，龙门石窟、大昭寺、三星堆遗址一号祭坑、秦始皇兵马俑二号坑以及敦煌莫高窟第96窟和158窟等文物古迹，也均利用该技术完成了数字建模工作[5]。在博物馆中，故宫博物院、军事博物馆和首都博物馆等都曾采用三维激光扫描技术对馆藏精品进行数字化信息采集，并将藏品的三维模型在网上展示。其中，故宫博物院与日本凸版印刷株式会社合作开展了“数字故宫”项目，对故宫建筑和藏品的结构特征、表面装饰等元素信息进行采集，实现三维模型重建，并建立了三维数字化模型数据库[6]。
光栅投影（结构光）扫描技术于20世纪90年代后期随着数字投影技术、数码相机技术和计算机技术一同兴起，在三维轮廓测量领域得到了越来越广泛的应用。该技术具有结构简单、全场测量、高分辨率、高精度、速度快等特点，已成为三维测量的重要方法之一[7]。浙江大学利用结构光扫描技术，对良渚文物黑陶鼎和玉琮进行了三维数字化重建；浙江省博物馆开展的“浙江省新石器时代陶器的三维信息无损采集及动态展示项目”，对15件具有代表性的陶器进行了三维数据采集；中国科学院计算技术研究所与敦煌研究院开展紧密的技术合作，应用投影编码结构光技术完成对莫高窟第45窟和196窟的三维数字化重建工作；湖南省博物馆、广东省博物馆等在藏品三维数字化工作中均应用此技术进行藏品三维信息的高精度采集。光栅投影扫描技术主要适用于中小型或青铜器等类型文物，在针对一些表面光滑的文物进行采集时，其反射光会对点云数据产生影响[8]。
摄影测量技术是由大地测量发展而来，主要基于数字影像和摄影测量基本原理，因其便捷和灵活性在考古、文博工作中得到广泛的应用。敦煌莫高窟的壁画就曾利用数字近景摄影测量技术方法进行三维数字化。这项技术在分析被测对象纹理图像的同时能够快速获取其集合空间的关系，大大降低了采集成本且提高了采集速度，但对色彩均匀的被测表面有一定程度的解析误差[9]。故宫博物院、首都博物馆、青海省博物馆等目前均正在使用该技术进行藏品的三维数字化工作。牛津大学（University of Oxford）、鲁汶大学（KU Leuven）以及武汉大学、中国科学院自动化研究所等机构均对相关算法做了大量研究。
工业CT技术自20世纪中后期起用于文物的检测与分析[10]，能够实现分层次扫描，因其可做到无损检测故而颇具优势[11]。有科研人员利用工业CT技术对具有400年历史的沉船文物进行扫描，以确定文物内部的结构以及损坏情况；科研人员还曾结合工业CT技术和DNA检测的方法，为40多具埃及王室木乃伊验明身份[12]。随着技术的不断成熟，工业CT已经广泛应用于文物修复与检测中，在提供断层影像信息的同时，还可以帮助进行三维模型的构建，成都华通博物馆就利用该技术重建了馆藏青铜器香薰的三维模型[13]。
二、文物三维数据采集技术的原理与优缺点
文物三维数据采集是文物数字化的基础，采集的完整性及准确性直接影响到数据是否可用。根据对当前三维数据采集设备和方法的调研分析，以下对前述博物馆常用文物三维数据采集技术的原理和主要工作流程进行简要说明，并加以对比。
1. 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术的原理是激光三角测距（图1）[14]，即通过光源孔发射出一束激光以扫描被测对象，利用被测对象表面的反射来推断其空间三维信息、反射率以及纹理等，通过拼接技术手段快速获取被测对象的三维模型数据[15]。这项技术有效地缩短了三维模型建模的时间，并且建模精度较高。其一般工作流程如图2。
图1 三维激光扫描技术原理示意图
图2 激光扫描工作流程示意图
2. 光栅投影扫描技术
光栅投影扫描技术是对文物三维轮廓的非接触式测量技术，具有高精度、高效率、易于实现等特点，主要适用于精细化扫描。该技术在博物馆中的主要应用方法为光栅投影移相法，是基于光学三角原理的相位测量法，将光栅图样投射到被测对象的表面，进而在被测对象的表面形成光栅图像（图3）[16]。由于被测对象几何尺寸分布不同，规则光栅线发生畸变，可看作相位受到物面高度的调制而使光栅发生变形，通过解调物面高度信息，最后根据光学三角原理确定相位与物面高度的关系[17]。其整体工作流程如图4。
图3 光栅投影扫描技术原理示意图
图4 光栅投影扫描工作流程示意图
3. 摄影测量技术
摄影测量三维重建技术是应用数码相机采集图像，通过计算机视觉、模式识别、图像处理等技术进行影像的处理和匹配，并利用软件自动识别相位点，通过数学解析确定其空间三维坐标，构成三维模型数据、正射影像图、线划矢量图等[18]。通过摄影测量技术，可清晰、准确和完整地获取文物表面的纹理色彩信息（图5）。
图5 摄影测量技术三维图像重建软件界面
4. CT技术
CT技术是对被测对象进行射线投影以获取内部信息的成像技术。依靠X射线（或其他类型射线）照射被建模对象，由于不同物体受材质、密度、尺寸等影响而造成阻射率不同，故而可以依靠三维技术重建物体。传统的 CT 重建算法是以被测对象为回转中心，将采集镜头围绕被测对象回转扫描，通过图形重建算法获取被测对象的内部信息（图6）[19]。在众多的三维数据采集技术中，CT技术以其能够无损获取文物内部信息的特点，为被测对象的内部信息数字化建模提供了有力的支撑，因此在文物的保护和研究中应用广泛。特别是对于瓶口狭小器物的内壁以及视觉目标观察不到的区域，可通过该技术获得其几何模型数据信息。经过前期的技术交流，日本、韩国等几家博物馆已经应用CT扫描技术进行文物内壁三维数据的采集。
图6 CT技术原理示意图
5. 各项技术优缺点对比
结合国内外的研究情况，以及国内部分博物馆文物数字化工作的实践应用，可总结出各采集方式的优缺点（表1）。
表1 常用文物三维数据采集技术优缺点对比
三维激光扫描技术在博物馆中主要适用于古建筑物、壁画、考古遗址、大型佛造像等，同时也可用于可移动文物或具有反光、微透等特征的文物。光栅投影扫描技术主要适用于中小型可移动文物，在扫描纹理细节复杂（镂空较多）、景深程度较大的文物时更具优势。摄影测量技术主要适用于展示或浏览级的三维数据采集，或者作为一种辅助技术与其他采集方式结合使用。CT技术在博物馆文物三维采集实践中的应用相对较少，一般用于因视觉无法观察或者有遮盖而造成光学原理技术无法采集的位置，但是需要进行数据拼接，目前仍处于研究阶段。
三、采集实验及数据分析
目前，在博物馆藏品三维数字化工作中应用较为广泛的三维数据采集方法主要是三维激光扫描技术，光栅投影扫描技术和摄影测量技术。工业CT技术虽然能够对文物内壁数据进行采集且精度较高，但因其价格较为昂贵，参数设置较为复杂，易对人体造成伤害，需要在特定铅房密闭环境操作并配备必要的防护措施，或者定制全密闭箱体式设备，故而在博物馆中的应用较少。下文将对由不同技术采集的同一器物三维数据进行对比分析，客观论证其差异性。
鉴于各博物馆所藏文物在材质、器形、大小等方面均各具特色且种类繁多，很难通过单一文物的三维数据验证某种采集技术的优劣；同时，目前各种三维数据采集技术均具有局限性，对透明、半透明材质或高反光材质器物的采集效果普遍不佳。因此，为保证实验客观准确，选择质地为陶或金属（弱反光）的器物作为实验对象。由于青铜器纹饰较复杂、纹理层次较明显、器形复杂度较高、数据对比较显著，将实验对象确定为青铜爵。出于保护文物的目的，本实验所用青铜爵为仿制品。
（一）三维激光扫描技术与光栅投影三维扫描技术
1. 数据采集设备
每一种采集技术都对应多种设备，例如三维激光扫描设备有手持式、立架式、关节臂式、大型跟踪仪等，每类设备的精度和使用范围各不相同。其中，精度较高的设备是测量臂，精度为±25微米。同样，光栅投影扫描设备也有手持式、立架式（单目、双目）等，其中最高精度能够达到±10微米。在本实验中，两种采集方式均选择相应精度最高的技术设备（表2）。
表2 实验设备型号及参数
2. 数据与效果分析
博物馆对文物三维数据的应用一般分为数据留存（文物复制）、展示研究、移动端浏览等，不同用途对应不同等级的数据，最高等级的数据一般用于数据留存或复制。本实验以最高等级数据进行对比，能够有效检测出不同技术的差异性。
利用上述采集设备对青铜爵进行三维数据采集，并分别对比三维数据原始点间距、拼合误差、数据精度等指标项。由于光栅投影扫描设备的理论误差值最小，因此选择此设备采集得到的三维模型作为基础参考数据，通过Geomagic Control软件将三维激光扫描得出的数据与之进行对比，获取各对应点位数据偏差值，将偏差值在±0.05毫米之间的数据定义为合格数据，以此来对比精度差异（表3）。对原始点云选取任意两点进行测量，可得到原始点间距。通过在同一位置以等比大小进行截取，可得到直观效果对比图。此外，利用采集设备自带软件可直接测出拼合误差（表4）。
表3 数据偏差值分布情况
表4 三维激光扫描与光栅投影三维扫描实验效果对比
分析两种扫描技术所得数据，正负偏差值在±0.05毫米之间的占全部数据的31.76%（图7），±0.5毫米之间的占79.93%。通过视觉观察效果图，二者具有明显的分辨率差异。因此，通过实验可见，光栅投影扫描技术在进行文物三维模型数据采集时，在数据精度和模型建构效果方面具有显著优势（图8）。
图7 实验数据偏差柱状图
图8 数据采集效果整体偏差值对比
（二）摄影测量技术
1. 数据采集设备
本次实验中使用佳能5DSR全画幅单反相机，5000万像素，镜头24毫米-70毫米，旋转角度15度。
2. 数据与效果分析
实验所得三角面数量5092543个，照片数量约900张，经合成及后期处理可得到完整模型（图9）和点云模型（图10）。该模型由于采用了测量标定方法，所以带有尺寸数据。选取与前述实验相同位置的等比大小局部效果图，直观对比几种方法的几何分辨率差异，可以看到此次实验中摄影测量方法得到的三维模型数据几何分辨率略低于激光扫描、光栅扫描的三维数据几何分辨率（图11）。受采集人员经验等各种因素影响，数据采集效果可能稍有出入，但是设备精度依然是决定数据精度的重要条件。
图9 摄影测量完整模型
图10 摄影测量点云模型
图11 三次采集实验所得等比大小局部效果图
（1）三维激光扫描技术（2）光栅投影扫描技术（3）摄影测量技术
在文物三维数字化工作中，不仅要采集文物的三维数据，还要将文物的外观进行二维影像采集，通过影像映射形成完整的文物三维模型（因本文主要针对三维数据采集方式进行探讨，所以纹理映射方法暂不展开说明）。色彩纹理精度和映射匹配度是评价映射准确度的关键指标。故宫博物院的相关实验结果显示，摄影测量技术所得结果的空间平均分辨率在0.03毫米左右，投影误差在0.01毫米-0.02毫米之间，模型精度在0.1毫米左右[20]。相关数据在纹理贴图方面已经达到了很高的标准，完全优于传统的UV贴图方式。
但是，如果想提高局部特征精细度，则需要拍摄大量照片，数据量较大。并且，计算过程需要分块进行，再通过后期拼接成完整模型，而拼接过程中产生的误差较大。摄影测量技术本身不能解算三维模型几何尺寸信息，需要借助其他辅助方式。为得到更加精准的尺寸信息，需要利用特殊的测量标定方法获取相关数据。由于标定方法本身会存在一定误差，因此整体精度会有一定额外损失。
总之，摄影测量技术适用于纹理贴图要求较高、纹理表面特征明显的文物。
（三）工业CT技术
本实验所用工业CT设备为ZEISS CT METROTOM 1500，探测器分辨率3072像素×3072像素，尺寸精度3微米，球心距误差4.0+L/100微米（标准扫描模式）。本次实验主要获取被测物体的内部数据，为便于对比，将文件转换成stl格式（图12）。此种采集方式最主要的优势是能够得到完整的内壁三维数据及壁厚尺寸，且数据精度和完成性较高（图13）。将青铜爵内壁数据单独选出，可通过纵抛图更直观地看到内壁三维模型还原效果（图14）。
图12 工业CT采集stl格式数据
图13 工业CT内部结构效果
图14 工业CT内部纵抛图
利用光学原理技术进行三维数据采集，在内壁三维模型建构方面需要依靠后期处理，因此在一定程度上会降低模型整体精度及数据完整性。如果条件允许，在能保证文物安全的情况下，针对口径较小、视觉无法观察或有遮挡的文物，可以利用工业CT技术进行数据采集，但在内外数据结合过程中需要研究通用算法，以准确进行数据拼接。
四、结 语
三维激光扫描技术、光栅投影扫描技术、摄影测量技术和工业CT技术，在对质地丰富、器形复杂的文物进行数据采集时各有所长。博物馆在采集文物数据时，要结合文物安全及其自身的材质、器型等特征，选用最合适的技术方法。同时，也可以将多种技术相结合，扬长避短，从而得到更加精准的文物三维数据。例如，将摄影测量技术与三维激光扫描技术或光栅投影扫描技术结合使用，既能够满足纹理的映射匹配，又能够达到高精度的几何分辨率。又如，利用工业CT技术得到的文物内部数据与其他光学采集技术得出的外部数据进行拼接，也将成为一种新的三维数据采集方法。除此之外，也要制定合理的工作方案，尽可能做到一件文物只采集一次，严格控制采集时间，避免造成文物损伤。
由于现有技术的局限性，博物馆文物三维数字化工作还存在很多问题。例如，针对透明材质文物的采集、文物口径内壁数据的采集、多种采集数据的融合、采集效率的提高等，都尚未有成熟的解决方法。在博物馆文物三维数字化工作实践中，应该随时更新理念，主动接受3D打印、虚拟修复等各类新技术。随着技术的不断发展及文物数字化保护需求的不断增加，上述问题终将解决，文物以及文化遗产的数字化生存与传承也终将实现。
