文物数字化与三维展示方案

文物数字化与三维展示方案一、方案综述根据数据获取方式不同，文物项目可分为古建街区、洞窟佛像、器皿、遗址现场发掘等技术方案。

古建街区包含古街区内的建筑、牌坊、古道古街等相关，属于文物史迹，以各种类型建筑为主，一般占地区域较大，街道较窄，房屋间距小，与周边环境联系较为紧密。

图表1 昆明古街区洞窟佛像包括寺庙、石窟、石刻、大型佛像等，也属于文物史迹，一般体积较大，不能或者不宜整体移动，通常藏于山水之间，地理环境较为复杂，尤其石窟大多数都在山腹中，实地场景光照来源杂驳，对获取高精度佛像及壁画纹理信息影响很大。

图表 2 黄岩石窟器皿等高精细文物包括陶器、瓷器、石器、铜器、玉石、绘画等，属于馆藏文物和流散文物，特点是，体量小，种类多，尺寸、形状、釉色、雕花图案、历史划痕等信息十分重要，是判断文物的产生时期、珍贵程度、收藏价值、修复方式等方面的首要依据。

图表3 麦积山石窟壁画遗址发掘现场多数分布于各种地貌地形条件下，对挖掘土层深度、出土文物确切位置等发掘现场真实现状方面资料的获取，提出了更高的要求，以便对文物考古现场保护、文物信息的提取等提供参考依据。

图表4金沙遗址发掘现场二、数据获取设备2.1 三维数据采集根据文物项目的不同，在数据采集方面，需要使用不同类型的扫描仪进行数据采集，以满足项目的需求。

（1）地面固定式扫描仪扫描仪需要架设固定站进行扫描，根据厂家品牌型号的不同，扫描距离一般在几十米至一百米之间，在测量距离10米处，精度可以达到mm(毫米)级别。

仪器特点：扫描范围广，主动测量，不受光源因素影响，多用于古建街区、洞窟、遗址现场发掘等大场景类型的数据采集。

图表5 地面固定式激光扫描仪（2）高精度扫描仪该扫描仪采用不同的测距原理，将扫描精度提高至亚毫米级，甚至微米级别，数据采集精度非常高，多用于佛像、瓷器、陶器、石器、绘画等对精度要求比较高的文物。

图表6 高精度激光扫描仪2.2 纹理数据采集文物纹理信息在文物复原保护、展示等方面具有重要的作用，在复杂光场环境下采集完成完整、真实的纹理信息。

纹理数据采集的质量主要取决于两个方面：一是相机及镜头的分辨率；二是专业的灯光设备及布光方案。

采用专业相机及镜头组合，可以获取分辨率及色彩还原度更高的影像数据。

专业的灯光设备及布光方案，则可满足在洞窟、寺庙、遗址等场景光源杂驳、过暗、偏色问题严重的特殊环境下，模拟出稳定的太阳光照环境，有效解决采集光源不真实问题。

图表7 灯光设备三、方案分类3.1 古建街区古街区一般占地区域比较大，房屋密集高，胡同巷道比较多，而且宽度较窄，由于古街区在当地属于历史遗迹，来参观游玩的游客很多，街区内人员流动较为频繁，交通情况比较拥挤。

在开始扫描作业之前，需要对街区进行现场踏勘，了解街区内各方面的情况，例如说街区建筑分布情况、对街区作业有影响的天气情况等等。

根据对现场的踏勘和卫星影像图及规划图等资料分析，将使用地面固定式三维扫描仪进行数据采集，对街区屋顶或者其它超出扫描距离的地物，计划采集数据方式有两种方案，一是在街区周围高层建筑顶层进行设站扫描，二是采用升降台、脚手架等辅助升高机械器材进行设站扫描，或者根据实际现场情况，将两种方案结合使用。

3.1.1 数据采集标靶布设。

为了保证后期数据拼接的精度，标靶在布设位置要有方便识别、有利观测等多个方面的考虑。

图表8 布设标靶在扫描的过程中，根据扫描仪对回波数据的接收角度及点云间距，以及古街区街道的长宽等多方面的考虑因素，对街道两侧建筑进行扫描。

扫描完成以后，需要检查数据是否存在数据缺失及不合格的情况，并对以上情况进行数据补扫，最终完成整个街区的扫描数据。

图表9 街区扫描纹理拍摄。

对整个街区进行纹理影像拍摄，其中有一些要求需要注意，例如拍摄时一般需要进行试曝光，根据试拍结果调整相机参数，获取的照片应当明暗适中，不能有过亮或过暗的情况出现；拍摄时应避免阴雨天气、中午、傍晚、夜间等光线变化较大或过亮过暗的天气；根据纹理采集精度要求，以此计算拍摄距离、单张影像范围；拍摄时应当以获取目标整体影像作为参考，然后逐步获取细节影像，依据像片最外侧会有畸变及分辨率下降的情况，相邻相片重合率不应低于35%。

数据检查。

在数据采集工作的后期，需要对点云与纹理数据的有效性与完整性进行检查。

点云数据的检查，对整个街区数据检查是否存在数据缺失及不合格的情况，如有数据漏洞出现，可以立即进行数据补测。

纹理数据的检查，将获取全部影像数据，需对照片做检查，检查纹理影像是否覆盖完整，影像质量是否合格，对于漏拍建筑和影像质量不合格的建筑，需要补拍摄和重新拍摄。

图表10 建筑外部图表11 建筑内部图表12建筑侧剖面图表13结构空间浏览与测量图表14 建筑线画图图表15 建筑模型图表16 360度全景点云浏览3.2 洞窟佛像3.2.1 布光方案洞窟遗址等类型文物体积较大，不能或者不宜整体移动，通常位于山腹中，地理环境较为复杂，尤其是现场光照明暗不一致，甚至有些洞窟完全处在黑暗中，很多场景光源信息极难获取，极大的阻碍了真实纹理数据的获取。

对于这种情况，需要对现场环境架设灯光系统。

在对洞窟、彩色佛像等进行光场布设时，使用普通光源因热辐射等问题会对洞窟、佛像等纹理颜色造成损害，故需要布置冷光源以减少对文物的不良影响。

图表17 冷光源无影灯的使用，将洞窟佛像因视角、位置等问题产生的阴影尽量消除，能将色彩失真降到最低程度，并且无影灯还可以长时间的持续工作，而不散发出过量的热。

图表18无影灯测光表用来测量洞窟佛像现场光源的强度，确定拍摄纹理时相机所设置的曝光时间，同时也可以控制现场照明的亮度，确保光强符合一定的要求。

图表19测光表3.2.2 数据采集正式开始扫描工作之前，在窟内进行现场勘察时，认真分析洞窟地形、造像分布特点，根据复杂结构的情况，合理设置扫描站点，对主佛、菩萨等主体造像着重考虑，尽量的避免扫描盲区的出现，重点保证重要的扫描对象不会在盲区中出现。

最关键的是扫描测站的布置，测站的位置关系到数据的完整性、工作量大小及项目进度等重要的情况，其原则可以概括为：使用相对较少的站数扫描出最完整的数据。

另一项重要工作就是标靶的布置，公共点是完成各个扫描测站拼接的关键，标靶与场景特征点作为公共点都是可以完成拼接任务，其重要原则是任一标靶放置一定要至少保证相邻两站都能看到，如果相邻的多站之间都能看到，这样对整个场景的误差累计有很好的约束作用。

在布设标靶时，需要考虑到现场环境，一是保证标靶的有效性，二是不能对洞窟、佛像等相关文物进行间接破坏。

纹理拍摄是在依据灯光系统进行的，通过各种灯光设备，在光源强度、拍摄角度等多方面都适合的情况下，对各尊佛像、菩萨等主体造像进行多角度的纹理采集，确保数据采集的完整性。

图表20现场灯光图表21灯光系统下拍摄的纹理照片当天的扫描工作结束，要对点云数据进行拼接操作，检查数据的有效性、完整性，对所记录的扫描测站信息进行整理保存；对纹理拍摄信息，进行整理、检查等工作。

3.2.3 成果介绍图表22 北石窟165窟顶部剖面图图表23 大型彩色佛像图表24 北石窟165窟图表25黄岩石窟视频及虚拟展示3.3 器皿等高精细文物器皿等高精细文物特点是种类多，体量小，它们的尺寸、形状、雕花图案等细节信息十分重要，是判断文物的产生时期、珍贵程度、收藏价值、修复方式等方面的首要依据。

图表26小型彩色佛像3.3.1 高反光高精度扫描很多器皿类文物并非由单一的材料制成，金属制品往往都是合金的，成分不纯的金属制品为数众多。

而这些金属器皿具有强烈的高光和反光，在使用普通扫描仪进行数据采集时，由于其反光特点，很多激光数据接收不到，容易产生数据漏洞。

使用高精度彩色扫描仪，可以在短时间内能完成器皿类文物的精密测量并输出高精度、高分辨纹理信息的三维数据，通过不同的测量原理，和一些人为辅助手段，在高反光的情况下，采集到高精度的点云数据与纹理数据，从而解决这些问题。

图表27 雕像扫描3.3.2 器皿类纹理拍摄灯光的运用。

对器皿类文物拍摄，使用的照明灯具是电子闪光灯，电子闪光灯是冷光源，一般不会对文物产生损害。

主要辅助器材的使用。

三脚架在专业拍摄中必不可少，有利于构图和调焦，避免因手持拍摄而引起的抖动，可以确保纹理的清晰度；测光表负责调解光源强度等。

不同质地器物的拍摄。

例如青铜器、陶器、瓷器、玉器等，文物的质地不同、形状不同，拍摄时使用的器材不同，拍摄方法也各不相同，运用的光线也不一样。

拍摄角度。

文物的拍摄一般是在画面居中的位置，要注意透视问题，保证每张纹理主要拍摄目标不变形。

图表28 昆山陶瓷3.3.3 成果介绍图表29 麦积山高精度模型图表30关公铜像局部3.4 遗址现场发掘遗址发掘现场多数分布于各种地貌地形条件下，环境复杂，当前气候变化加剧，地震洪涝等灾害频繁发生，考古工作的紧迫性日益加剧，对挖掘土层深度、出土文物确切位置等发掘现场真实现状方面资料的获取，提出了更高的要求，以便对文物考古现场保护、文物信息的提取等提供参考依据。

图表31 遗址发掘现场根据现场技术方案，可以实现快速拼接、实时数据浏览等，及时将现场发掘信息快速传输至信息中心，进行信息记录和分析。

图表32 多层数据快速拼接比较四、应用领域4.1 文物电子档案通过对文物的数字化工作，可获得真实的三维点云数据和影像数据，依据点云处理技术、三维建模技术等制作出高精度三维模型。

文物的三维点云、高精度模型可以表现出真实三维尺寸，是文物保护分析和修复的第一步，三维扫描数据的获得，积累了文物最原始的精确尺寸数据，利用扫描点云数据及高精度三维模型精确测量文物任意位置的长度、面积等，并且可以全方位地了解文物形貌特征。

这不仅是传统的、单一的照相及绘图技术无法实现的，而且对于原物不会造成二次破坏，同时，对于文物病害的展示，也是最直观的方式。

建立文物电子档案以后，工作人员可以不进现场实地，不用靠近文物，不接触实体文物，可以准确掌握文物现状，详细了解文物的病害情况，并开展文物保护分析、研究工作和制定保护方案等。

图表33麦积山西大佛照片与高精度模型4.2 古建街区测量、修缮与保护对采集完成的数据进行处理，依据项目标准，可制作出点云分类、分层、数据分块等成果，通过这些成果，可以浏览建筑内部和外部结构，测量檐高、层高等数据，辅助古建街区的修缮与保护，为它们提供了精确的数据参考。

图表34依据测量数据设计建筑图则4.3 洞窟佛像器皿等现状图文物现状图一般包括文物的平面图、剖面图、立面图等，这些图纸可以表示现存文物遗迹内部的结构或构造形式和分层情况，能够说明文物的重要尺寸信息，了解文物遗迹的重要组成部分，是文物考古的成果之一。

三维数字化制图比传统手工方式在工作效率、数据精确度等方面有着很大的提高。