浅谈三维数字化技术在文物保护中的应用

来源：定焦财经

中国历史文化博大精深，源远流长，每一个文物和遗迹都是中华民族历史的载体，是五千年灿烂文化的缩影，更是国家重要的珍宝和研究资料。

新拓三维光学扫描系统可以完整精确采集文物的尺寸、纹理、细节等，在文物的数据保存、三维建模、虚拟修复、复仿制和创意设计等方面应用广泛。新拓三维在文物保护领域有着多年的经验积累，能为文物古迹的数据保存、保护提供全套三维光学测量解决方案。

1、文物扫描三维建模

革命题材的雕塑，通过细腻的人物雕塑凸显挺拔的气势，可以从作品中感受革命的力量。陕甘边照金革命根据地纪念馆通过三维光学扫描技术，获取革命人物三维模型，用于人像数据存储、数字复原、加工和虚拟展示。

陕甘边照金革命纪念馆雕塑

革命人物雕像的构成，形态各异，细节丰富，扫描中为了突出雕塑的细节性，使用新拓三维XTOM蓝光三维扫描仪扫描单个雕像细节性的地方(脸部、手指等)，提高模型精度。

基于三维扫描技术，获取人物的逼真三维数据模型，可以为雕像建立起完整、准确、永久的三维数字档案库，基于实物的高保真度的三维数字模型，可以使仿形和改型设计更加方便快捷。

2、文物虚拟修复

青莲寺内罗汉堂内有十八罗汉雕像，造型优美，艺术价值极高，但年代久远，雕像已经有所残缺，亟待文物修复和雕像数字化还原。

根据文物修复项目的不同，以及现场环境条件限制等原因，拟订了采用不同的高精度蓝光扫描仪、大视场激光扫描仪、手持扫描仪进行三维数据采集的方案，以满足文物修复和数字化还原的需求。

残缺佛像和修复后的佛像

本次扫描的技术特点在于大小扫描仪结合，用大视场激光扫描仪扫描完整框架，结合工业级扫描仪数据补充更多细节，手持扫描仪可以扫狭小、边角的空间。通过多种数据最佳拟合对齐，获得精美的佛像三角网格数据，整个佛像修复和数字化还原得以完美解决。

3、大型文物数字化重现

北石窟寺项目的总体目标为全面数字重现石窟崖壁整体、各龛和佛像的方位、形状及颜色，力图可以实现长期和现状保持高度一致。具体包括：

1. 北石窟寺整体的外立面三维数字化采集，窟龛定位;

2. 洞窟内部的内壁及雕塑的扫描建模;

3. 大小窟龛中佛像的精细数据采集建模，并统一在整个外立面的三维数据坐标下;

4. 对有色彩的重点文物进行色彩和纹理的映射，生成彩色三维模型;

为了解决这个难题，新拓三维技术工程师分别对不同扫描仪的数据进行重建，然后配准到同一个坐标系下，在边界处利用分辨率渐变的网格把这些数据缝合起来，得到由局部细节和整体数据完美融合的三维模型。结合计算机软件，通过人机交互完成数据的后期处理和真实感模型重建。

粘贴了定位标志的佛像和41窟

此次项目的数据采集，拟采用由整体到局部，由粗到细，整体规划分布实施的实施方案。

1)使用大视场激光扫描仪等精度较低的设备来获取整个场景的数据，建立整体框架模型;

2)使用结构光面扫描设备等高精度的扫描仪获取局部精细数据;

3)查漏补缺，利用手持式设备补齐死角处等扫描盲点的数据。以上每一步，都同步用高分辨率彩色相机记录场景或佛像的颜色和纹理信息。

4、文物复仿制和创意设计

汉武帝雕像规划高度20米，雕刻艺术要求要表现出雄韬武略的气魄。传统雕塑制作流程，是建立在设计方案、制作泥稿、绘制施工图纸的基础上来制作的。而制作图纸耗时长，并且要具备很强的三维理解能力，这对于施工时间和图纸的正确程度都很难把控。

通过XTOM三维扫描仪，可以直接采集泥稿的三维数据，通过软件的自动处理功能，获得模型的三维数据(1:1)。根据实际尺寸进行等比例缩放、裁切可得到准确的施工图纸数据。

汉武帝雕刻模型

在汉武帝大型雕像建设中，通过泥塑或其他材质的小样，快速得到三维模型数据，细节轮廓可以在软件上完善，输出的三维图纸或CAD数据，可直接用于后期雕刻等制作。此方法可节约大量的构图时间、缩短施工周期。

使用XTOM三维扫描仪对雕像模型进行数字化，在软件中对雕像的面部、右手和衣服纹理部分进行精细化处理，将雕像分区域加工后进行组装，最终雕刻成型的雕像非常逼真形象。

三维模型和雕刻成像效果

5、文物三维建模用于3D打印

现有的三维造型软件，只能生成比较简单或规则的曲面形状，大量精美而复杂的雕刻以手工设计画图为主，这样就造成了复杂雕刻品往往是孤品的状况。采用三维扫描技术，对已有人物雕刻数模进行扫描，可快速获取三维点云数据，用于三维建模、3D打印等。