3D技术在文物保护应用中的若干问题与对策探究

一、文物保护的3D技术需求

由于自然与人为因素的影响，文物不可避免地遭受破坏或消亡的威胁，人们借助各种科技手段对文物实施保护，其中，利用数字信息技术，进行永久存档、传承记忆及相关研究，成为文物保护的重要方向。文物自身的特殊性决定了文物数字化保护工作的特殊需求，首先为满足文物保护最小干预原则，要求尽量采取非接触式的无损技术手段，其次，由于文物多具有复杂的立体形状与空间结构，部分不可移动文物还处在异常复杂的环境之中，需要采用高新数字化信息技术。为此，3D技术成为文物数字化应用研究的热点。目前，3D技术主要分为激光三维扫描及光栅扫描两类，其核心技术在于测距方式，一般而言，基于三角测量或相位测距方式的三维设备能获得更高的精度，而基于时间飞行的设备能达到更远的测程。3D技术以其安全性高、精度高、效率高及成果形式丰富等优势，在文物保护工作中得到了广泛应用，主要包括：文物信息记录与存档[1-2]、考古制图[3-4]、虚拟修复或复原[5-6]、文物保护工程辅助设计[7-8]、文物数字展示[9]、遗产监测[10]及其他应用[11]。

然而，目前仍存在一些问题亟待解决，如文物管理者难以进行质量评估验收及把握合理的资金预算，文物保护专业人员难于制作或使用规范而实用的图件，3D技术人员因缺乏文物理论知识而难以避免数据处理中不当的人工干预。中国文化遗产研究院通过近十年30余项文物保护工程应用实践表明，建立3D技术在文物保护应用中的相关规范，搭建好文物保护专业人员与3D技术人员之间的桥梁，是解决上述问题的关键[12]。

二、主要问题分析

（一）文物三维数字化保护标准规范缺乏及难点

据全国文物保护标准化项目统计调查，发现文物行业数字化保护相关标准相对缺乏， 2016年以前，尚无一项文物数字化保护的行业标准，2016年列立了一系列针文物数字化保护相关标准，但未有3D的专项标准，至2017年才计划列设了《石窟寺壁画数字化勘察测绘技术规程》、《馆藏文物数字化三维模型重建与质量评价》两项行业标准。

此类文物标准规范研制的难点主要有两点：一是文物的丰富多样性而又唯一性，如何从差异性中寻求共性具有较大难度；二是文物保护行业是多学科交叉介入，如何吸收不同行业中的相关标准的优点为文物行业所用，难免需要求同存异的过程。

（二）文物三维数字化工作程序中多学科交叉性需求强

文物三维数字化一般包括现场踏勘、方案设计、外业数据采集、内业数据处理、成果应用等主要工作环节，而在各个环节中均需要多学科人员的共同参与。其中：在现场踏勘工作中，除了解文物的基本形状特点及环境外，更需要了解文物保护的具体需求、文物的相关历史资料，以更合理的进行方案设计；在方案设计及外业数据采集阶段，除了3D技术人员要尽可能优化数据采集技术方案外，同时要学习了解一些文物的基本知识，更需要文物专业人员在第一手原始数据的质量检查中发挥重要作用；在内业数据处理及成果应用环节，尤为强调多专业人员的共同介入，方能保证制作的图件与模型能满足文物保护应用的切实需求。

三、应对策略思考

基于上述问题分析，就3D技术在文物保护应用中的策略与主要研究方向进行探讨：

（一）文物信息精细化认知与采集

有形物质是文物信息的基本载体，主要包括外表形状信息和表面纹理信息。如何保证外部几何信息的精准性及纹理信息的逼真性，成为文物信息精细化采集的首要目标任务。但是在以测绘信息技术为主的数字化行业传统上多聚焦于有形的“物”，对于无形的、而又蕴含文物重要价值的“文”的理解往往有所欠缺，造成再高精的测绘技术也可能只是体现出文物的形貌而非神韵。因此，在实施数据采集前需要进行基于文物价值认知的空间分析，从而选择更合理的采集方式。

在文物信息采集时，一方面，要注重文物数字化精度的选择，需要通过前期采集试验，进行设备比选，确定最佳精度和密度，盲目采用仪器进行所谓的高精度采集往往会导致垃圾数据的产生及海量数据处理的困难性。另一方面，文物数字化保护所指的信息范围应有所界定，广义的文物数据信息还包括无损及无损检测数据、本体及环境勘察数据、遗产监测数据等，在文物保护工作中，可结合常规数字化保护数据的不足及保护工作的需要，提取部分数据作为补充。

（二）三维建模与质量评估

文物三维建模目前多依赖于Geomagic等成熟的专业软件，技术上已鲜有突破，而更需要的是建立标准的建模工作流程，包括点云处理接、三维几何建模及纹理贴图等关键环节。在点云数据处理中尽量避免因人工干预而造成的特征数据丢失，包括点云预处理、点云拼接及点云除冗等主要环节。在三维空间几何模型构建中多采用三角网方式，与传统方式建模有所区别的是，为突出文物局部细节，往往需要实施多尺度不同精度的建模。在彩色三维模型的构建中注重特殊视角的选择及边界差异的消减。此外，在三维建模的各环节均需要实时评估质量。

（三）多元数字化表达体系建立

传统上对文物的描述为照片及文字方式，存在单一和抽象的问题。基于3D技术，极大地丰富了文物信息形式，但是需要结合文物工作者的惯例及常规平立剖面图特点，形成基于3D的文物多元数字化表达体系。结合多种文物保护工程需求，文物多元数字化表达体系可归为三大类9小类：

1、基础模型类：即三维几何模型。该模型为根据处理过的点云直接构建的未着色彩的三维模型，可用于展示及简单的尺寸量测，也是其他图件模型的基础。

2、基本描述类：包括白模图和正射影像图两类。白模图实为三维几何模型不同视角的二维平面图。正射影像图是利用数字高程模型经过逐像元进行投影差改正、镶嵌、剪裁而生产的影像，兼具影像和几何信息，直观而可直接量测，成为文物保护工程中最基本的一类图件，如在文物病害调查中可直接作为底图进行病害标注和面积统计等。

3、专题表达类：主要包括特征线划图、剖面图、等值线图、骨架线图、透视图、展开图等7类。特征线划图是体现文物形态特征的一类重要图件，如考古线图。剖面图是通过对图形按照一定剖切方向所展示的内部构造图示，包括全剖、半剖及阶梯剖图等，是文物保护工程中进行详细设计时所需要的重要图件。等值线图是是用数值相等各点联成的曲线（即等值线）在平面上的投影来表示被摄物体的外形和大小的图，可用于工程设计或雕刻复制。骨架线图是用与原形状连通性和拓扑结构相一致的细曲线作为理想表达的一种对象表示，是对文物特征的一种抽象描述。透视图是在人与文物之间设立一透明的铅锤面作为投影面，人的视线透过投影面而与投影面相交所得的图形。展开图是在文物表面沿一条特定的线切开后铺平成平面图形，可用于文物修复设计中的对比研究或展示。

（四）文物保护专项应用深化

文物保护工作范围十分广泛，在具体的文物保护专项中需要结合特殊需求对3D基础成果作进一步加工。在文物修复前，为避免不当的修复，可结合原始文物3D模型图件及相关数据进行修补，并借助VR/AR等技术，提供若干虚拟修复效果，供专家比选以确定更合理的修复方案。在文物数字展示中，可将3D成果作为基本素材或进一步加工，丰富展示内容。在遗产监测中，可将不同时间的三维数据进行对比分析，达到全方位的立体监测。为加强数字产品的版权保护，可在三维模型中添加数字水印。为便于三维数据成果的管理与使用，可建立三维可视化系统平台。

四、应用案例探讨——3D技术在大足宝顶山石刻千手观音造像保护修复工程中的应用

（一）项目概况与3D技术需求

大足宝顶山石刻千手观音造像开凿于南宋淳熙至淳祐（1174-1252）年间，是我国现存最大的集雕刻、贴金、彩绘于一体的摩崖石刻千手观音造像，是世界文化遗产大足石刻的精华石窟和重要组成部分，具有较高的历史、艺术、科学及宗教价值。历经沧桑，不可避免地产生了多达34种病害，保护难度极大，于2008年被国家文物局列为全国石质文物保护一号工程。历时8年，于2015年该工程通过了竣工验收，取得了较好的保护修复效果。图1为千手观音修复前后对比，图2为某单只手（编号9-2-S1）修复前后的对比。

千手观音不仅体量大，而且空间结构异常复杂，加之表面破损严重，常规的测绘与数字化技术手段难以实现对千手观音现状信息的翔实调查与定量评估，对保护修复工作也难以提供精准的数据支持。前期试验表明，只有通过3D技术方可最大程度地留存千手观音的现状信息，并可为保护修复工作提供丰富图件。

（二）工作思路与技术要点

1、工作思路

千手观音保护修复以“真实性”、“完整性”为根本原则，并结合千手观音自身的特点，提出修复首要任务是保证千手观音的物质存在，即稳定存在，其次要尽可能多地保存形态、贴金、彩绘、保存环境等历史痕迹，此外，为满足千手观音造像的宗教功能和信众信仰的需要，需关注修复后的整体统一性和艺术效果。因此，确立了3D工作的基本思路：在修复过程中，尽可能留存有价值的文物信息，与石质胎体加固修复、贴金修复、彩绘修复及环境改善等人员共同商讨制作所需图件。在此基础上，结合千手观音保护修复工程总体技术路线，建立从3D外业数据采集、内业数据处理及保护修复应用的规范化技术流程。

2、数据采集要点

千手观音的数据采集主要有两个难点：一是表面形态复杂，采集视角遮挡严重，且表面贴金层有一定反射性，二是体量大而需要分区域采集（如搭设脚架），需要解决多站数据拼接的精度问题。因此，数据采集前，选用了多种设备进行对比实验，通过在数据质量、扫描精度、工作效率及价格等方面进行综合评定，最后选择海克斯康关节臂ROMER、Faro扫描设备进行三维数据采集。在采集过程中，参照控制测量的思路，以Faro扫描作为整体控制，以ROMER关节臂作为局部（单只手、法器等）的超高精度扫描，专门研制了一种基于精准控制的复合标靶基座装置，以解决不同三维数据的高精度拼接。结合保护修复各项工作需求，最终确定采样密度平均为0.1mm，留存了修复前、修复过程中及修复后的表面空间信息。同时，用NIKON D4等高清单反相机进行多角度拍摄，采集纹理色彩信息。

3、数据处理要点

为满足保护修复中各子项工作人员通用需求，首先是建立了千手观音整龛及单只手、法器、人像（中央主尊、胁侍、饿鬼）等局部的三维几何模型，在此基础上，制作了正射影像图。结合保护修复工作的专项需求，制作了特征线划图、骨架线图、剖面图，以及单只手及主尊等三维虚拟修复效果模型。此外，在大足石刻博物馆中的“一沙一世界”的数字展示中进行了效果渲染，如图3。

图3 基于3D数据的千手观音数字展示

（三）保护修复应用

1、精确统计

基于三维数据成果，对千手观音进行了全面的调查统计，首次获取到千手观音最精准的信息，主要包括：千手观音手及手臂数量为830只，澄清了长久以来的1007只手的传说，其中283只为残存状况，并对手中的法器种类、名称和数量进行了统计；千手观音造像精确尺寸为上边长8.250m，下边长9.610m，中间最宽处10.662m，高7.510m，正投影面积74.98m2，总表面积为199.37m2，在此基础上，对石质、金箔和彩绘病害的面积、分布状况也进行了精确统计，分别为总表面积的7.12%、61.75%及16.53%。这些精确统计数据为工程量及经费的合理估算提供了科学依据。

2、特征提取

为把握好修复的整体效果，提取了造像整体和局部的若干重要特征，主要包括：总体上，造像下部至3.1m为垂直部分，之上部分为倾斜部分，且中间倾斜幅度为约19︒，两边约15︒；对单只手的骨架线进行提取，获得了长度、粗度、弯曲度等特征数据；获取了中央主尊面部与信众跪拜位置的角度与距离信息等。

3、虚拟修复

对于残损部位，运用计算机技术、数学理论及宗教知识，经虚拟修复技术人员与文物保护专家及现场修复师共同分析研究，总结归纳出了一套基于信息循证和三维模型的文物虚拟修复工作规程。以某只手的修复为例，其主要工作流程包括：

（1）信息循证：手印循证，即通过手掌朝向、四指朝向、弯曲程度及手指形态的特征数据，结合佛教手印含义，对千手观音手进行手印归类；对称相似手的循证，即从位置、手指轮廓、三维形态及手握法器样式等方面进行对比分析；残缺手指几何参数循证，即预测缺失部位长度等。

（2）修复建模：即通过上述信息循证，运用计算机进行定型、建模和检测，得到虚拟修复效果模型；

（3）效果表达：为方便现场修复工作人员在实际修复时参照使用，建立“五图一表”，即虚拟修复尺寸图、线划图、三维模型图、平立剖尺寸图、虚拟修复前后效果对比图及虚拟修复效果现场反馈表。

上述过程循环进行，逐步完善优化，直至实际修复工作完成。图4为某只手的虚拟修复过程及效果。

图4  千手观音单只手的虚拟修复

4、其他

为支持保护修复工作，还进行了3D打印，对修复后的三维形态进行了跟踪监测。

五、结论

随着3D技术的不断成熟以及在文物保护应用中的逐渐深入，3D技术已经成为文物保护不中不可或缺的一种手段，应用潜力极广。但是，由于文物保护工作的多学科交叉性，难免出现三维数据成果与文物保护需求脱节的问题。研究表明，问题的解决需要结合管理和技术双重角度，从管理上要着重建立3D技术在文物保护应用中的标准规范，重点涉及工作流程、技术要求、成果形式及质量验收等方面内容，而从技术层面需在文物精细化信息的认知与采集、文物三维建模、文物数字表达体系及文物保护专项深化应用等方面进一步加强研究。