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。