石质文物高保真数字化技术与应用

石质文物的数字化工作面临着考古、研究、展示、教育、传播、利用等多方面的应用需求，同时面对着数码摄影、二维扫描、三维扫描、摄影测量、光度立体、CT扫描、地质雷达等一系列信息采集技术手段的选择。当前主流数字化技术在石质文物数字化工作中各有其适用范围与优势。如何综合运用各种技术手段的优势满足文物领域的实际需求，成为文物工作者在工作中普遍面临的问题，高保真逐渐成为文物数字化工作的根本性关注点。在文物高保真数字化技术的支持下，将有大批精致的文物数据产生，由此可推动虚拟现实与增强现实技术在文物领域更大规模、更好效果、更多效益的应用。

作为地球上最容易获得的天然材料之一，岩石在人类的发展历史上发挥了重要的作用，也成为考古学研究的重要信息来源。直到冶金术发明之前，石器一直是人类能够制造并使用的最坚硬工具，而我们对早期人类研究的重要信息来源之一就是他们留下的石器，并据此划分了人类文明早期的旧石器时代与新石器时代。石器时代以后，在人类可以运用更多具备优异性能的材料的时候，石料仍然扮演了重要角色。人类历史上留下了大量精彩绝伦的石质文物遗迹，既包括埃及金字塔、希腊神庙、吴哥窟这样雄伟的群组建筑，也包括阿富汗巴米扬大佛和中国云冈石窟这样壮美的大型雕塑，还有不计其数的石质工具、纪事碑版和艺术品。若排除有意的人为损坏因素，正如同有些旧石器时代的石质工具已经完好保存了上百万年一样，有很多石质文物还能以良好状态保存相当长时间。但是，绝大部分不可移动石质文物的寿命已经成为大家共同的担忧，各种自然因素导致这些石质文物正以明显的速度老化。

从古至今，各个时代的人们利用当时最先进技术进行文化信息保存与传播的努力从没有停止过——除了表现在对文化信息载体的保护、收藏与研究之外，还表现在使用拓片、临摹、摄影等技术手段进行信息的记录。这些记录的信息有时具有不可替代的价值，比如早期拓片中记载的文字比石碑更完整，考古发掘现场的照片能看到出土文物及埋藏环境最原始的样貌，早期的考古调查绘图能看到已经损毁的建筑结构，等等。随着数字图像处理技术与三维扫描技术的发展，以及数码相机、三维扫描仪等设备的日趋普及，文物数字化信息采集记录逐渐成为文物考古研究与保护工作中不可或缺的重要工作环节。与此同时，数据库、互联网、虚拟现实（VR，Virtual Reality）、增强现实（AR，Augmented Reality）、三维打印（TDP）、人工智能（AI，Artifi cial Intelligence）等一系列技术也在大量文物数字信息的支持下得到越来越出色和实际的运用。大规模的文物数字化工作自然地引发了对相关技术优化升级的渴望，同时也带来了对行业标准规范的迫切需求。

因为石质文物类型的多样性，让石质文物数字化工作成为各种文物数字化工作的典型对象，几乎各种数字化技术都能够在相应类型的石质文物上得到应用。而如果要归纳不同类型石质文物数字化工作的根本性技术要求，以及不同类型石质文物数字化资源运用的根本性要求，高保真成为当仁不让的第一要素。石质文物的高保真数字化要求，既体现在数字化结果的采样分辨率上，也体现在数字化结果的数据精度上，还体现在数据处理过程的标准化上。高保真的石质文物数字化结果可以最大化发挥其档案价值，让其具备与文物几乎同等重要的保存意义，并在文物持续老化的过程中发挥越来越重要的可靠佐证作用。而高保真的文物数字化结果也让以此为基础的保护、研究、展示、传播乃至衍生开发工作具有更稳定、更可靠的结果。

在文物数字化技术日新月异、应用层出不穷的当下，要给文物数字化技术划定一个精确的范围是非常困难且不明智的。本文将主要在石质文物可视化信息的范畴内探讨相关数字化技术与应用，但必然也无法穷尽所有的技术分支，特别是那些新兴的、尚未得到大规模推广的技术成果。文物的可视化信息，可以从信息类型上大致分为形状信息、纹理信息、材质信息等，内部结构信息也会经常与可视化信息共同使用。

尽管文物数字化的范畴已经越来越广，但在形状信息的采集方法上仍可主要概括为两大类技术原理：三角测距法和飞行时间测距法。三角测距法的基本原理就像是人的双眼，同一个空间点在双眼中的成像因角度不同会有偏差，利用这个像差和双眼间的距离，就能用三角函数计算出空间点的位置。飞行时间测距法依靠的是光波（或超声波等其他的波）在空气中的直线传播速度及对传播时间的精确测定，距离等于传播速度乘以传播时间。这样的测距方法能在蝙蝠跟海豚的身上发现。一个有趣的现象是，尺子这一类基于参照物的测距方法，在文物数字化技术中几乎不会直接采用，这既是因为文物数字化技术偏爱非接触式的方法，也是因为参照物的方法难以实现快速的自动化读数。当然，参照物方法还是被广泛应用于设备校准及摄影测量结果的尺度判定上，只是不会直接用于测量文物表面成千上万个数据点了。

文物的纹理信息既包括文物表面的图案，也包括文物表面的颜色。而文物表面的颜色又与文物的材质属性息息相关。用于测定这两类信息的主要技术方法就是各类成像技术，也包括大量的计算方法。

图01/文物数字化典型技术与设备示意图

要更好地理解文物数字化技术的现状，从文物数字化应用方式上对技术进行梳理更为合适。为此，本文将选择石质文物数字化领域常见的三维扫描技术、图像采集技术、其他相关技术分别进行讨论（图01）。

2.1 三维扫描技术

三维扫描这个词来源于平面扫描，但与平面扫描使用线扫描的方式不同，三维扫描有基于点扫描的，基于单根线扫描的，基于多根线扫描的，还有基于整个面扫描的。

长距离三维扫描仪通常都是基于激光脉冲飞行时间测距原理，可用于石窟寺、摩崖造像、石桥等大型石质文物的数字化信息采集。这类扫描仪的工作过程就像是一台不断自动旋转测量的全站仪，可以在很短的时间内完成以设备为中心的一个球形空间的密集测量。有些扫描仪的最长工作距离可以达到几百米，当然随着距离增加精度也会持续降低。在实际工作中，长距离三维扫描仪可能会受到阳光、温度、湿度、气压、测量角度等多种因素的影响，应该尽量选择稳定、干扰少的条件进行工作。由于单次测量的数据会因文物自身形状的遮挡存在空洞，往往需要从多个位置进行测量。为了更好地对齐测量结果，有时可以借助标定球、标定板等辅助手段。在大部分的工作中，长距离三维扫描仪会配合测绘仪器共同工作，以完成更大范围的准确三维重建。与之相配套的测绘仪器可能包括全站仪、RTK（载波相位差分）、水准仪、激光跟踪仪等。

在短距离的三维扫描设备领域，存在多种技术实现。由于激光脉冲飞行时间测距原理的扫描仪在较短的距离内难以正常工作，因此在小场景下工作的三维扫描设备通常可以大致分为线激光三维扫描、结构光三维扫描、近景立体摄影测量这三种，都是基于三角测距原理的。

线激光三维扫描使用一根激光线或多根平行的激光线投射到物体表面，再用一个面阵式传感器采集激光线的形状，并据此计算得到物体表面的三维信息。在实际的设备实现上，既可以采用旋转的结构驱动激光线进行扫描，也可以连接高精度的关节臂进行扫描。对于石雕、碑刻这一类小型文物而言，使用关节臂式的三维扫描仪较为便捷。

结构光三维扫描仪的产品形式非常多样化，有台式的，也有手持式的，还有一些扫描仪可以灵活更换镜头以实现非常小范围的三维扫描。有些台式的结构光三维扫描仪能够达到±1微米级别的扫描误差，可以用来扫描打制石器、微雕等石质文物，实现微痕的检测分析。手持式的结构光三维扫描仪因为没有了三脚架或关节臂的限制，在操作上更为灵活，因此在摩崖石刻等工作条件不佳的情况下尤为适用。

近景立体摄影测量设备近年已不多见，但曾经被文物数字化领域广泛采用，并在大量的石窟寺开展了三维重建工作。这类设备只需要采集两张照片即可完成彩色三维重建，在使用上非常便利。但因为三维重建算法要区分的情况非常多，计算过程往往需要较多的人工干预才能实现预期的效果。这也是其逐渐远离主流工作方法的重要原因之一。

在各类扫描仪大行其道的同时，多视图三维重建（Multi－View Stereo）从摄影测量技术里异军突起，在石质文物数字化乃至整个文物数字化领域开始得到越来越多的实际运用。多视图三维重建与近景立体摄影测量的方法不同，会需要多张照片共同参与计算，依靠照片间的相互验证来提高三维重建结果的准确性，也依靠照片间的相互重叠一次性完成超出单张照片幅面大小的三维重建计算。随着技术的不断进步，多视图三维重建的照片来源已经几乎可以是任意的照片采集装置。使用手机拍摄的照片，或是互联网上收集的图像，都能够在算法的支持下取得较好的三维重建效果。能够完成这一工作的软件产品也较为丰富，从开源或免费的Bundler、Visual SFM、Open MVS、COLMAP到收费的Photo Scan、Photo Mesh、Context Capture等。尽管多视图三维重建相比近景摄影测量的计算结果稳定许多，但是在光滑表面、单色表面、过亮或过暗区域仍存在较多的三维重建错误，且难以实现与三维扫描仪相匹敌的采样分辨率。

2.2. 图像采集技术

尽管三维扫描技术在文物数字化领域大行其道，但实际上文物数字化工作中更多采用的可能还是文物图像的形式，一方面因为图像信息采集相对三维扫描而言方便快捷得多，另一方面也是因为图像信息在使用上比三维模型的门槛低很多。

近年来，胶片摄影的运用已经越来越小众化，并且胶片摄影在成像质量、颜色校正方面难以实现标准化。故而本文将主要探讨数码摄影成像及扫描成像技术在石质文物数字化领域的应用。

数码相机的根本性技术原理是将穿过镜头的光信号转换为微小感光元件上的电信号，并依靠越来越密集的感光元件提供越来越高的照片分辨率，目前市场上已经出现1亿像素的民用快门式相机。然而，在高分辨率成像的优秀技术指标掩饰下，数码相机通常会存在一个较为明显的缺陷，即单个感光元件在拍摄时只能感应红、绿、蓝三原色中的一种，其余两种颜色要靠周围像素的值来进行插值计算。这样的成像原理，除了可能会出现颜色估计的偏差外，还可能出现因高频干扰导致的不规则摩尔纹。有厂商提供了类似于彩色胶片一样的分层感光方案，用来实现逐像素点的三通道真实感光；也有厂商提供了微距移动整个感光板并进行重复拍摄的方法，同样可以实现逐像素点的三通道真实感光。但在大多数时候，权衡工作便利性、工作速度等因素，大家会忽略数码相机可能会存在的感光缺陷，直接采用插值得到的彩色图像，而实际上往往也可以实现较为理想的效果。快门式相机因其工作的便利性，常用于石质文物的野外考古调查、室内保护与研究工作记录等。

有时候，即使1亿像素的相机也不能满足工作需要，这时候就需要用更复杂的方法来进行图像采集，常见的包括轨道式分块摄影拼接、轨道式线扫描采集、扫描式数码后背采集等技术手段。分块摄影拼接的技术原理类似于卫星照片或航拍照片的拼接，既要保障图像内容的连续性，又要保障拼接结果的形状准确性。轨道式线扫描采集与扫描式数码后背采集两种技术都是依靠单个线型感光元件的运动完成一个幅面的图像采集，区别在于前者的感光元件随着镜头一起运动，后者的镜头是固定不动的。扫描式的图像采集方法，通常需要较长时间完成一个幅面，并且在此过程中要保持照明光源亮度与位置的稳定。在进行超大幅面的浅浮雕或碑刻文物数字化时，会采用以上方法。

图像信息采集成果的质量判定指标，除了分辨率大小以外，还涉及解像力、色彩还原度等方面。通常，分辨率高的图像其解像力也会更高，除非在工作过程中采用了不匹配的镜头或出现了明显的失焦模糊或运动模糊。色彩还原度依赖多方面的条件，通常情况下会借助标准色卡进行颜色校正，但实践证明，与文物表面材质更接近、颜色更接近的专用色卡，能够取得更好的颜色校正效果。

2.3. 其他相关技术

还有一些信息采集技术被石质文物数字化领域所采纳，并在特定的应用需求下发挥不可替代的作用。

反射率变换成像（RT，Reflectance Transformation Imaging）技术可算是光度立体三维重建

（Photometric Stereo）方法中的一种简化实现，使用固定的相机位置和变换的灯光位置进行信息采集后，由软件计算得到表面的逐像素法向量信息，并由此推算出表面三维结构，从而实现虚拟光照变换效果及单色三维表面查看的效果。这种方法已经在碑刻文物上取得了较为成功的应用，可以帮助提升文物表面细节的区分度与表现力。

多光谱成像及高光谱成像技术常用来提取人眼看不到的底层成像信息，主要借助不同频率光谱的穿透及反射性质，可以用于雕塑表面颜料层的信息采集。使用光谱信息还可以更好地帮助完成文物颜色校正，并能在一定程度上实现石质文物表面光谱反射率的准确重建，从而可以准确模拟不同光谱的光照条件下文物的成像效果。

还有电子计算机断层扫描（CT，Computed Tomography）、X光成像、超声波探测、地质雷达等技术曾被用来进行不同体量石质文物的内部结构探测与信息记录。内部结构的信息经常与外部可视化信息结合使用，对文物的保存状况与制作工艺等信息进行研究、推理或预测。

实际上，有些项目使用手工建模的方法也实现了非常精彩并经得住推敲的文物数字化效果。哈佛大学的Digital Giza项目，几乎整合了全世界埃及考古的全部历史资料，并根据考古资料重建出了吉萨金字塔及周边遗址的三维模型。为了提高三维重建结果的学术性，他们提出了重建文档溯源（MSD，Model Sourcing Document）的概念与方法。同样的技术方法与工作规范可用于完成资料缺失的石质文物三维数字化。

在实际的石质文物数字化工作中，需要根据实际情况，恰当地综合运用必要的技术手段来解决特定的难题，并实现理想的效果，下面试举几例不同类型的石质文物数字化策略。

3.1. 摩崖造像的数字化考古调查

杭州飞来峰摩崖造像群，是浙江省最大的一处摩崖造像群，现存造像390余尊，保存较为完好的有345尊，其元代造像堪称我国石刻造像艺术的瑰宝，在中国古代造像艺术史上有重要地位。

2015年，受杭州市园文局委托，浙江大学文化遗产研究院文物数字化团队启动了杭州飞来峰造像数字化考古调查（一期）工作。在本期工作中，首先使用测绘方法确定了16组龛像的测绘控制网，并标定了多个测绘控制点。然后，使用多视图三维重建的方法，对龛像进行了多角度摄影，并进行了三维重建计算和数据优化处理。每组龛像的三维模型借助测绘控制点的对应关系，与测绘控制网实现尺度、方位和角度的统一。龛像的高保真三维模型还被用来生成文物的正射投影图、剖面投影图等图件，在这些图件的支持下，人工描绘文物的考古线图，既提高了绘制的效率，又提高了绘制的精度。

图02/杭州飞来峰第34龛全景

以飞来峰第43龛为例，龛窟位于冷泉溪南岸的悬崖上，是中间高两侧低的半圆形佛龛（图02），龛内的造像根据风格判定为南宋作品，其中主尊弥勒以传说中的布袋和尚形象为蓝本，图03和图04就是分别由三维模型生成的正射影像图和描绘出来的考古线图。

图03/杭州飞来峰第34龛造像三维模型生成的正射影像图

图04/从正射影像图描绘生成的杭州飞来峰第34龛造像考古线图

3.2. 风化碑刻的数字化识读

2015年8月，浙江大学文化遗产研究院文物数字化团队与忻州市文物管理处、定襄县文物管理所联合在山西忻州定襄七岩山、居士山开展了佛教遗迹数字化考古调查工作，完成了佛教遗迹禅窟、摩崖造像及碑刻的三维数字化采集。

居士山上有一座风化较为严重的摩崖碑，位于居士山海拔1429米的山脊上，正当一条古道口（图05）。此碑自1923年被首次发现著录以来，一直因风化严重难以辨识确认其年代、碑主。曾有观点认为是北魏正光年间尔朱荣碑或曹魏青龙元年秦朗碑，但无法达成一致的学术观点。

图05/定襄居士山摩崖碑全景

图06/定襄居士山摩崖碑局部照片与三维数据比对

2016年5月，借助三维数字化采集的成果，专家通过放大细节、调整三维模型反光系数和灯光角度等技术手段，成功识读出了碑额上的“晋”字，并用相同方法相继识读出“奋字玄威”等文字内容（图06）。通过与史料印证，专家最终确认该碑为西晋将领胡奋平定并州胡乱获胜后的纪功碑。

在此成功案例的鼓舞下，浙江大学文物数字化团队将计算机辅助石碑识读作为一个重要研究方向开展了工作，并由此形成了基于三维模型的碑刻数字拓片生成方法（图07）。事实上，利用反射率转换成像技术也可以实现风化碑刻的内容增强，并比三维扫描处理更为快捷，只是缺少了三维信息作为更多应用的基础数据。

图07/浙江省图书馆淳化阁帖碑数字拓片

3.3. 馆藏石质文物的高保真数字化

2015年2月，浙江大学文化遗产研究院文物数字化团队在西安碑林博物馆开展了馆藏石质文物高保真数字化的尝试（图08）。项目工作中综合运用了多种技术手段，包括使用数码后背进行高清图像采集、使用关节臂式激光三维扫描仪进行高清三维点云采集、使用专业数码相机进行多视图采集并进行三维重建等（图09）。本项目一共对11组文物进行了高保真数字化信息采集，并针对激光三维扫描结果的形状精度高、数码后背的图像质量高、多图像三维重建的纹理信息丰富等特点，研发了综合三维模型与照片图像数据的自动纹理映射技术，并成功实现了馆藏石质文物在当前技术条件下的高保真数字化信息采集与处理（图10）。

图08/西安碑林博物馆杨舒墓志照片

图09/西安碑林博物馆杨舒墓志各项三维数字化结果比对

图10/结合多种技术手段优势的西安碑林博物馆杨舒墓志高保真数字化结果局部

在此之后，综合多种技术优势的馆藏石质文物高保真数字化技术已经在山东青州博物馆藏龙兴寺造像、西安博物院藏史君墓石椁、西安碑林博物馆国宝石质文物等项目中进行实际运用。

在以上的三个案例中，多视图三维重建、激光三维扫描、高分辨率摄影、正射影像图计算、计算机辅助手绘线描图、自动纹理映射、数字拓片合成、刻痕增强显示、数据库、网络展示等一系列数字化技术被综合运用，满足了考古研究和文物保护工作对数字化技术的要求，并实现了超越单项技术的综合成效。这其中的大部分技术都已经有对应的开源软件或商用软件支持，具备了推广应用的可能。同时，在所有案例中都产生了高保真的文物数字化档案，这些档案中记录了文物当前准确、细致的状态，既是对文物本体保护工作的补充，又具备了共享、传播的巨大潜力。

很多时候，单项技术的重要性或优越性会被过分强调，事实上综合运用多项技术来解决应用中的问题才更有效。我们在使用数码相机的时候，会灵活使用灯光、角度及照片处理等技术来实现预期的效果，在做文物数字化工作的时候也应该如此。不论是利用先进设备采集文物的三维模型，还是用普通相机采集文物的照片，或是文物数据的提取、分析、展示等技术，都应该面向文物领域的应用需求，灵活组成最合适的技术方案。

在文物高保真数字化技术的支持下，将有大批精致的文物数据产生，由此可推动虚拟现实与增强现实技术在文物领域更大规模、更好效果、更多效益的应用。相应的，文物数字信息的压缩、传输及版权管理等技术也将随之得到更好地提升。

为了加强文物的保护与研究，应推动更大规模的文物数据采集与互联互通。既能够以信息形态永久保存文物当前的状态，又能促进文物中蕴含的优秀传统文化良好传承传播。大规模的文物数据将自然引入人工智能的数据分析与知识服务技术，并加速文物研究与利用，形成多学科交叉汇聚的良好状态。