更清晰、更简易？三种文物三维扫描技术的效果比较

作为不可再生的文化资源，文物在其漫长生命周期中无法避免遭受自然灾害、环境抑或人为的影响和破坏。在当下的时间节点采用先进、适用的技术，真实、全面、多元化地采集、记录文物所承载的信息，留下它在时间长河中的惊鸿一瞥，以资当前的研究、利用甚至未来的追溯、复原，是文物保护的重要环节。三维扫描正是目前可以高精度记录可移动文物空间外形、结构以及表面纹理的代表性技术之一。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

可移动文物三维扫描技术应用进展

 

 

三维扫描技术是指集光、机、电和计算机技术于一体、主要用于对物体空间外形、结构及色彩进行扫描，以获得物体表面空间坐标集，即点云的技术。三维扫描技术可以将物体的立体信息转换为计算机能够直接处理的数字信号，具有速度快、精度高的优点。

 

国外三维扫描技术研发起步早，技术成熟，从测绘、医学、工程等行业逐步拓展到艺术品保护领域。早在1994年，Marc.Levovy及其团队就通过三维激光扫描和获取的高分辨率彩色图像，对包括大卫雕像在内的米开朗基罗的雕塑作品进行三维重建。

 

国内周亚男研究了基于激光扫描技术的文物三维数字化的方法，得到了不同文物的三维数字化方法，并结合陶瓷器、秦俑和青铜酒樽进行了应用验证。张永春、潘思勇通过对浙江新石器时代陶器的三维信息无损采集和动态展示研究，对文物结构光扫描技术以及该技术在文物数字化中的应用及成果进行分析。魏薇、潜伟介绍了三维激光扫描的原理和工作流程，并评论其在文物保护和考古工作中的应用。舒欢通过三维扫描兵马俑碎片，对碎片的点云数据进行三维重建获取数字三维模型，然后使用3D打印制造复制品，再根据复制品探索正确的拼接方法，应用该方法对兵马俑原件进行拼接，获得较好的修复效果。钱林阐述了三维激光扫描技术的数据获取设备、具体作业流程、数据成果类型、技术难点，并总结其在馆藏文物数字化保护中应用的优势。刘保安以昆岗区域古陶器为例研究三维扫描技术在农具三维重建中的应用。袁楠、高伟、侯聪毅从点云去噪、压缩简化和建模等几个关键技术难点，总结了三维激光扫描技术近年来的主要研究进展。王宜飞等利用三维扫描结合3D打印技术制作湖南省博物馆“皿而全”铜方罍器盖，用于洽购代表团在纽约佳士得现场模拟皿方罍盖身合一，是三维扫描技术在可移动文物领域的创新性运用。

 

 

 

常用可移动文物三维扫描技术介绍

 

 

目前在可移动文物数字化领域常用的非接触式三维扫描技术主要有三维激光扫描、结构光扫描、多图像摄影测量技术。

 

 

三维激光扫描技术

 

三维激光扫描技术是通过高速激光扫描的方法，对目标的整体或局部进行全空间全维度的高精度扫描测量，以获取目标在空间中的点、线、面、体等三维信息数据并进行高精度的三维逆向建模，从而实现对物体的逆向还原。三维激光扫描采用非接触式高速激光测量方式直接对目标物体进行扫描，获取其表面空间坐标信息。48万次测量/秒的扫描效率，可以快速、完整地获取物体空间表面点云。自动化程度高，以可视化的方式进行扫描，可以直观地观察到数据成果，扫描过程大部分由程序完成。可以达到0.05毫米的点云分辨率，计量级的精度可以达到0.03毫米。可以实现输出二维数字图纸、三维数字模型等大量的数字产品，使其具有广泛的融合性和交互性。

 

 

结构光扫描技术

 

结构光扫描技术是一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。结构光扫描数据采集自动化，功能一体化，软件自带后处理功能，包含从数据采集、处理到生产三维纹理模型的全部功能，满足高精度的同时大大提高工作效率。采用无伤害白光，无须粘贴标志点，对扫描对象及人体零伤害。扫描精度高，点间距可以达到0.05~0.1毫米，实现高分辨率扫描。可输出3DS、STL、DXF、OBJ等通用三维格式，模型结果可与Autodesk、Geomagic、Polyworks等主流逆向工程软件自由交换数据。

 

 

多图像摄影测量技术

 

多图像摄影测量技术是利用双目立体视觉的原理，对成“像对”的照片重叠部分进行计算，解析出点云后构建曲面模型，并实现图像和模型的无缝高精度映射，最终生成真彩色3D模型。多图像摄影测量建模技术为我们提供了获得照片真实感的一种最自然的方式，通过数码成像技术获得物体/场景的二维图像，获取数据方式简单便捷，自动化程度高，操作简单便捷，技术成本较低，点云数据量小，易于处理分析，适合批量自动化制作。同时模型纹理贴合精准，几何形体强，真实度高。

 

 

 

可移动文物不同三维扫描技术效果比较

 

 

 

不同扫描技术参数对比

 

 

 

扫描对象

 

▲扫描对象原始照片

 

 

扫描效果

 

▲三维激光扫描三维素模效果图

 

▲结构光扫描三维素模效果图

 

▲多图像摄影测量三维素模效果图

 

 

 

可移动文物三维扫描技术优缺点及对策

 

 

通过大量不同扫描方式的可移动文物三维扫描工作实践，我们总结出不同扫描方式的优缺点：

 

三维激光扫描技术扫描精度较高、物体精细还原程度较好，适合于文物的数字化展示，但是设备成本较高，数据量大，纹理映射需要人工干预，后期纹理匹配耗时较长。

 

结构光三维扫描技术，扫描文物精度更高，可以实现点间距0.05~0.2毫米的分辨率，精度也可以达到0.02毫米的高精度，可以扫描硬币大小的物体且分辨率高，是进行精确扫描的必要设备及技术，但是设备成本较高，数据量大，纹理映射需要人工干预，后期纹理匹配耗时较长。

 

多图像摄影测量技术具有操作成本低，转化效率高，节约数据转化时间，达到了模型数据与纹理信息的良好匹配，更加方便进行数据采集和成果展示、储存，但是数据获取受到文物采集及表面特性影像较大，黑色白色及物体结构复杂物体等无法获取数据，几何精度及纹理分辨率较差，不如上述两种技术。

 

为了保证可移动文物的扫描效果，充分满足博物馆不同业务类型对于扫描结果的不同需求，针对不同质地、不同尺寸、不同表面特征的可移动文物，我们制定《三维扫描重建作业流程规范》，可灵活采取不同的扫描方式和扫描策略。