淺談三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

來(lái)源：定焦財(cái)經(jīng)

中國(guó)歷史文化博大精深，源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，每一個(gè)文物和遺跡都是中華民族歷史的載體，是五千年?duì)N爛文化的縮影，更是國(guó)家重要的珍寶和研究資料。

新拓三維光學(xué)掃描系統(tǒng)可以完整精確采集文物的尺寸、紋理、細(xì)節(jié)等，在文物的數(shù)據(jù)保存、三維建模、虛擬修復(fù)、復(fù)仿制和創(chuàng)意設(shè)計(jì)等方面應(yīng)用廣泛。新拓三維在文物保護(hù)領(lǐng)域有著多年的經(jīng)驗(yàn)積累，能為文物古跡的數(shù)據(jù)保存、保護(hù)提供全套三維光學(xué)測(cè)量解決方案。

1、文物掃描三維建模

革命題材的雕塑，通過(guò)細(xì)膩的人物雕塑凸顯挺拔的氣勢(shì)，可以從作品中感受革命的力量。陜甘邊照金革命根據(jù)地紀(jì)念館通過(guò)三維光學(xué)掃描技術(shù)，獲取革命人物三維模型，用于人像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)字復(fù)原、加工和虛擬展示。

陜甘邊照金革命紀(jì)念館雕塑

革命人物雕像的構(gòu)成，形態(tài)各異，細(xì)節(jié)豐富，掃描中為了突出雕塑的細(xì)節(jié)性，使用新拓三維XTOM藍(lán)光三維掃描儀掃描單個(gè)雕像細(xì)節(jié)性的地方(臉部、手指等)，提高模型精度。

基于三維掃描技術(shù)，獲取人物的逼真三維數(shù)據(jù)模型，可以為雕像建立起完整、準(zhǔn)確、永久的三維數(shù)字檔案庫(kù)，基于實(shí)物的高保真度的三維數(shù)字模型，可以使仿形和改型設(shè)計(jì)更加方便快捷。

2、文物虛擬修復(fù)

青蓮寺內(nèi)羅漢堂內(nèi)有十八羅漢雕像，造型優(yōu)美，藝術(shù)價(jià)值極高，但年代久遠(yuǎn)，雕像已經(jīng)有所殘缺，亟待文物修復(fù)和雕像數(shù)字化還原。

根據(jù)文物修復(fù)項(xiàng)目的不同，以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件限制等原因，擬訂了采用不同的高精度藍(lán)光掃描儀、大視場(chǎng)激光掃描儀、手持掃描儀進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集的方案，以滿足文物修復(fù)和數(shù)字化還原的需求。

殘缺佛像和修復(fù)后的佛像

本次掃描的技術(shù)特點(diǎn)在于大小掃描儀結(jié)合，用大視場(chǎng)激光掃描儀掃描完整框架，結(jié)合工業(yè)級(jí)掃描儀數(shù)據(jù)補(bǔ)充更多細(xì)節(jié)，手持掃描儀可以掃狹小、邊角的空間。通過(guò)多種數(shù)據(jù)最佳擬合對(duì)齊，獲得精美的佛像三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，整個(gè)佛像修復(fù)和數(shù)字化還原得以完美解決。

3、大型文物數(shù)字化重現(xiàn)

北石窟寺項(xiàng)目的總體目標(biāo)為全面數(shù)字重現(xiàn)石窟崖壁整體、各龕和佛像的方位、形狀及顏色，力圖可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期和現(xiàn)狀保持高度一致。具體包括：

1. 北石窟寺整體的外立面三維數(shù)字化采集，窟龕定位;

2. 洞窟內(nèi)部的內(nèi)壁及雕塑的掃描建模;

3. 大小窟龕中佛像的精細(xì)數(shù)據(jù)采集建模，并統(tǒng)一在整個(gè)外立面的三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)下;

4. 對(duì)有色彩的重點(diǎn)文物進(jìn)行色彩和紋理的映射，生成彩色三維模型;

為了解決這個(gè)難題，新拓三維技術(shù)工程師分別對(duì)不同掃描儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，然后配準(zhǔn)到同一個(gè)坐標(biāo)系下，在邊界處利用分辨率漸變的網(wǎng)格把這些數(shù)據(jù)縫合起來(lái)，得到由局部細(xì)節(jié)和整體數(shù)據(jù)完美融合的三維模型。結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件，通過(guò)人機(jī)交互完成數(shù)據(jù)的后期處理和真實(shí)感模型重建。

粘貼了定位標(biāo)志的佛像和41窟

此次項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集，擬采用由整體到局部，由粗到細(xì)，整體規(guī)劃分布實(shí)施的實(shí)施方案。

1)使用大視場(chǎng)激光掃描儀等精度較低的設(shè)備來(lái)獲取整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，建立整體框架模型;

2)使用結(jié)構(gòu)光面掃描設(shè)備等高精度的掃描儀獲取局部精細(xì)數(shù)據(jù);

3)查漏補(bǔ)缺，利用手持式設(shè)備補(bǔ)齊死角處等掃描盲點(diǎn)的數(shù)據(jù)。以上每一步，都同步用高分辨率彩色相機(jī)記錄場(chǎng)景或佛像的顏色和紋理信息。

4、文物復(fù)仿制和創(chuàng)意設(shè)計(jì)

漢武帝雕像規(guī)劃高度20米，雕刻藝術(shù)要求要表現(xiàn)出雄韜武略的氣魄。傳統(tǒng)雕塑制作流程，是建立在設(shè)計(jì)方案、制作泥稿、繪制施工圖紙的基礎(chǔ)上來(lái)制作的。而制作圖紙耗時(shí)長(zhǎng)，并且要具備很強(qiáng)的三維理解能力，這對(duì)于施工時(shí)間和圖紙的正確程度都很難把控。

通過(guò)XTOM三維掃描儀，可以直接采集泥稿的三維數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件的自動(dòng)處理功能，獲得模型的三維數(shù)據(jù)(1:1)。根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行等比例縮放、裁切可得到準(zhǔn)確的施工圖紙數(shù)據(jù)。

漢武帝雕刻模型

在漢武帝大型雕像建設(shè)中，通過(guò)泥塑或其他材質(zhì)的小樣，快速得到三維模型數(shù)據(jù)，細(xì)節(jié)輪廓可以在軟件上完善，輸出的三維圖紙或CAD數(shù)據(jù)，可直接用于后期雕刻等制作。此方法可節(jié)約大量的構(gòu)圖時(shí)間、縮短施工周期。

使用XTOM三維掃描儀對(duì)雕像模型進(jìn)行數(shù)字化，在軟件中對(duì)雕像的面部、右手和衣服紋理部分進(jìn)行精細(xì)化處理，將雕像分區(qū)域加工后進(jìn)行組裝，最終雕刻成型的雕像非常逼真形象。

三維模型和雕刻成像效果

5、文物三維建模用于3D打印

現(xiàn)有的三維造型軟件，只能生成比較簡(jiǎn)單或規(guī)則的曲面形狀，大量精美而復(fù)雜的雕刻以手工設(shè)計(jì)畫圖為主，這樣就造成了復(fù)雜雕刻品往往是孤品的狀況。采用三維掃描技術(shù)，對(duì)已有人物雕刻數(shù)模進(jìn)行掃描，可快速獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于三維建模、3D打印等。