Notice
馆藏文物三维数字化探究
作者：邵壮
内容摘要
“藏品保管是博物馆一项经常性的重要业务工作。”中国国家博物馆馆藏文物三维数字化，对于当下和未来博物馆藏品保护与研究，“发挥好国博在留存民族集体记忆、传承国家文化基因方面的独特作用”，率先做出了探索和实践。进而，使“智慧国博”建设和博物馆专业品质得到了有效提升。
一、概述
3D技术经过几十年的快速发展，得到了广泛应用与普及，几乎各行各业到处可见3D数字化身影的展现。在国外，3D技术已经成为产品设计、制造、消费等行业的创新基础和新的竞争高地。在国内，据悉已经有一些世界级文化遗产及一些博物馆，如故宫、布达拉宫、上海博物馆、南京朝天宫博物馆等已经开始了三维数字化尝试和实践。但目前对于可移动文物—馆藏文物三维数字化并未全面普及。中国国家博物馆馆藏文物三维数字化尚属先例。
年2月，国家文物局发布实施的《国家文物事业发展“十三五”规划》（以下简称《规划》），确定在全国范围内启动智慧博物馆建设工程，“运用物联网、大数据、云计算、移动互联等现代信息技术，研发智慧博物馆技术支撑体系、知识组织和‘五觉’虚拟体验技术”。《规划》要求推进文物信息化建设，全面推进文物保护、利用、管理、研究信息化整合共享工作，建设国家文物大数据库。文物三维数字化是文化遗产保护新的重要科技手段和发展趋势。通过对博物馆藏品的三维数据化重建，观众可以交互浏览，对文物进行放大、缩小、度旋转、测量等操作，还有文物数字档案、数字化展陈、文物虚拟修复、考古遗址虚拟漫游、文物高精度复制等，实现文物全方位的观赏、收藏、管理，扩大博物馆在全社会的影响，具有深远意义和发展潜力。
年，法国巴黎圣母院遭遇大火，损毁极为严重。所幸，美国人安德鲁·塔隆（AndrewTallon）早在年就已经通过激光扫描为它建造了三维模型。借助于存留的三维模型，巴黎圣母院恢复原貌只是时间问题。然而，并不是所有文化遗产都有这种运气。巴西国家博物馆发生火灾，馆内万件藏品化为灰烬。中国四川江油市全国重点文物保护单位云岩寺东岳殿发生火灾，大殿主体建筑
被烧毁。上述火灾的发生令人痛心，也为文物安全敲响了警钟。
文物是不可再生的资源。“博物馆藏品是国家宝贵的科学、文化财富，是博物馆业务活动的物质基础。”“博物馆对藏品负有科学管理、科学保护、整理研究、公开展示和提供使用（对社会主要是提供藏品资料、研究成果）的责任。”《中华人民共和国文物保护法》明确提出“为了加强对文物的保护，继承中华民族优秀的历史文化遗产，促进科学研究工作”，“鼓励文物保护的科学研究，提高文物保护的科学技术水平”。据国家文物局统计，截至年年底，全国博物馆数量已达家，博物馆文物藏品达.25万件/套。中国国家博物馆作为国内博物馆行业发展的“头雁”，“拥有藏品余万件（套）。涵盖到当代及各个历史阶段社会发展变化不同方面的内容，其中国家一级文物近件（套）。具有高度的历史价值、科学价值和艺术价值，全面系统完整地展现中华优秀传统文化、革命文化、社会主义先进文化，是中华文明发展史的典藏宝库。”①近年来，中国国家博物馆开展了对馆藏文物三维数据化工作，主要是利用3D扫描、数码摄影、三维建模等数字化手段，采集、加工、存储馆藏文物的三维数据。改写了博物馆一直以来对馆藏文物保管、研究、展示“前生今世”，而跃然于观众和历史面前“亮相”的，是馆藏文物丰富、客观、完整、生动的“造型”，熠熠生辉，留存于世。基于此，为“智慧国博”建设奠定了重要技术基础。凭借这一技术，中国国家博物馆对馆藏文物的保护和研究又向前迈进了坚实的一步。
二、馆藏文物三维数字化实施
（以馆藏文物兔首、鼠首为例）
馆藏文物的三维数字化，完全不同于传统的藏品保管做法，而是遵循和逐步摸索的一整套全新的、科学的、安全的操作规范、工作流程以及严格的数据采集标准进行的。下面以中国国家博物馆收藏的于年英法联*烧毁圆明园时流失海外的十二生肖铜像中的兔首、鼠首为例（图1），进行三维数字化实施阐释。
图1 鼠首、兔首实物图
兔首、鼠首三维数字化最重要的前提是保证文物安全。因此，采集前期的准备工作和全过程都异常细化、严格。根据文物在采集中的实际情况，不断对数据采集工艺流程进行摸索和改进，以最大限度地保证文物安全。最终使得兔首、鼠首整体面貌以三维数据化真实、精准、丰富地再现和完整留存。
1.整体工作流程图
图2 整体工作流程图
2.准备阶段
采集前的准备阶段重点包括以下几点。
（1）预案准备
任务策划：工作内容、工作量、工期、应急预案、安全措施、人员安全技术培训等。对兔首、鼠首的采集工期大约用了几个小时，采集技术及保管人员有5人，全部进行先期安全技术培训。
（2）场地及设备准备
采集场地特意选址在文物库房的旁边，以最大限度减少文物的搬运和挪动。同时，减少文物暴露在外时间。为保护文物安全，甚至不允许经过有坡度的走廊。场地内设置了扫描区、纹理拍照区、后期处理区、人员休息区、推车存放区（文物临时存放）、信息登记区，并明显标示出“采集区域范围，无关人员禁入”。防止文物暴露在空气中受损，确保温度和湿度达标，并避免阳光直射。
放置文物的台面必须有3cm左右的柔性泡沫垫或其他保护性设施。由于兔首、鼠首颈部内构造和基座相同，因此，制作了可以从颈部插入的通用支架，还有扫描台通用坐垫，在扫描和拍照后，兔首、鼠首可以互换位置，再进行扫描、拍照。扫描台上底部的大圆盘是可以控制自动旋转度的，省却了人为挪动文物变换扫描角度。这个转盘适用于体积较小的文物，兔首、鼠首就是采用这个转盘。转盘中间，刻有文字，是为了后期拼图时作为参照系。当扫描小型文物时，文物不转，底盘转（山不转水转）。如果扫描大型文物，则选取带轨道转盘，轨道带着扫描仪围绕中间文物进行度旋转，文物和底盘都不可旋转。转盘旁边的桌面上，是一个温度湿度仪器，时刻监视场地温度、湿度，时刻保持拍摄恒环境温恒湿。
图3 文物三维扫描及纹理拍照用底座自动转盘
图4 大型文物扫描现场场景图
根据采集对象兔首、鼠首的形状、结构和材质，特别是其铜质地、高反光的特点，采集时会有相当难度。扫描仪选用了蔡司公司三维激光扫描仪，速度快、质量高、信息丰富，属于看到即可的非接触式扫描仪。扫描前，校准扫描设备，并根据文物的尺寸、材质等配置扫描设备的参数，保证最佳采集效果。
摄影场景布置用了2个光棚，这主要是兔首、鼠首的材质是铜，如果用普通灯，文物容易出现反光，所以采用光棚布置。这样打光均匀，各个角度都不会出现投射阴影。灯光及摄影台布置如图5所示。
图5 兔首采集现场暨摄影台灯光布置图
关于相机的选择，考虑选用佳能5DX，并选用中焦段50cm固定焦段镜头，尽量跟人眼焦段相似，避免拍摄文物变形、光圈、快门要固定，感光度尽量调低，降低噪点，成像好（图6）。
图6 鼠首采集现场暨扫描台设置
3D扫描仪现场扫描时，对场景灯光的布置没有特别高的要求。只要旋转台稳定、可旋转就好（图7）。
图7 鼠首采集现场暨摄影台布置图
3.数据采集
数据采集主要分为两大部分，即三维扫描采集和纹理拍照采集。
（1）三维扫描采集流程图
摄影测量采集流程图如图8所示。
图8 三维扫描采集流程图
（2）摄影测量采集流程图
摄影测量采集流程图如图9所示。
图9 摄影测量采集流程图
从三维数字化的整体流程看，当“三维扫描”阶段数据采集完成后，理论上讲，应进行文物的三维建模，一般是要经过“点云拼接”“点云除噪”“点云封装”“填充修补”等步骤，也即对不完整点云数据的“拼接”“除噪”“封装”以及对部分被测模型本身的几何拓扑或遮挡效应而导致的数字化模型破损进行“填充修补”，然后才进入“纹理采集”阶段。
但是在实际操作中，是将纹理影像数据采集的操作提到数据处理步骤的前面进行，也就是将兔首、鼠首同时进行扫描、拍照，然后位置对调，再扫描，再拍照。待文物3D扫描和纹理拍照进行完后，一并开始对采集数据进行审核、处理、验收、存储，从而最大限度地减少文物的频繁移动、调位以及藏品暴露于外部（库房外）时间过久，而可能对文物造成的损失。
需要注意的是，文物拍摄过程中，常常需要挪动文物或文物的水平转动等，必须借助人工或自动转盘，须由保管员进行操作，禁止手触碰文物。同样，采集人员在操作设备进行采集时，也要保证采集设备与文物的采集距离，禁止设备触碰到文物。
兔首、鼠首在采集数据信息时，身体部位大的面是比较容易扫描和拍摄的，而且从结构上看，曲面占大部分，结构并不算复杂，也没有镂空、雕刻的地方。但是耳朵部分构造较为复杂，扫描时有相当的难度，尤其是兔首，耳朵进深比较长，耳眼里面几乎无法通过扫描获取内部的信息。
4.数据审核、处理、验收和存储
当三维扫描和纹理拍照的数据采集完后（图10、图11），就开始进入到数据审核、后期处理、数据验收、数据存储阶段。
图10 鼠首实际采集3D视图
图11 “鼠首”局部采集3D视图
（1）数据审核
数据审核包括模型数据及效果、属性数据、文件资料等三个方面。
模型数据及效果审核内容：
①模型数据的完整性、准确性、合理性,包括模型数据的高度、形状、比例等几何精度的准确性，模型在场景中表达逻辑正确以及各级别模型优化制作的合理性检查等。
②模型纹理、贴图的准确性、完整性、协调性、清晰度及纹理与几何模型的一致性检查。
③各建模单元接边的正确性、合理性检查。
④模型及纹理数据明明的正确性、规范性检查。
⑤模型应准确反映出文物的形状、质感、色彩、明度以及明暗关系。
⑥场景整体色彩、光照效果应协调一致。
属性数据审核包括属性数据的正确性、完整性、现势性。
文件及相关资料审核包括文件资料齐全，相关说明、附图和签章完整、清晰，内容合理可靠自检报告完整合理。
（2）审核方法
可全检或抽样检。按照10%抽样进行交互检查。质检中如果存在问题的模型数量大于检查总量10%时，进行全面检查；小于10%时，修改完善。
文物三维建模物体的平面位置检查，以最新的1∶1、1∶1.5等比例尺的地形图为依据，将三维模型数据与地形图数据套合，%检查三维模型数据的平面位置与对应地形图的一致性，平面精度应符合相关规定。建模物体的精度检查应按三维模型制作要求执行，模型制作级别和精度应该一一对应。
（3）审核步骤
先确定适用的模型数据质量要求，然后确定精度和度量方法，再选择和应用模型数据质量评价方法，判定模型数据质量结果和文物三维模型场景整体效果。
（4）审核标准
可分为三级，并符合下列规定：Ⅰ级：模型在精度和完整性方面存在严重偏差，或严重影响数据集成、场景表现以及系统运行。Ⅱ级：精度偏差较小或对场景表现效果及系统运行存在一定影响。Ⅲ级：模型精度偏差不大，或对模型场景数据表现效果以及系统运行影响不大的一般性错误。
（5）后期处理
根据相关技术标准对前期采集到的文物模型数据、纹理数据、属性数据进行检查、处理，方法主要是通过不同功能的计算机软件来辅助检查。其中，模型质检用具备三维模型展示、测量功能的如GeoMagic3DSMAX等软件辅助检查，内容包括模型的几何面数、覆盖率、分辨率、精度、拓扑、坐标系的检查。影像质检用计算机图片查看软件辅助检查，内容包括分辨率、图像污染、色彩均匀性、贴图精度的检查。属性信息通过计算机文本编辑软件辅助检查，主要是看完好性和正确性，如果模型数据和纹理数据都能够正常显示，则说明模型数据集合格。需要说明的是，文物的三维模型成果数据可以根据使用者的需求和应用场合，对文物模型进行再处理。如果是复制级（高模），数据质量要求较高，数据集要能正常打开，显示要素完整。对于几何数据10万～万面，如果结构复杂，曲面、镂空、雕刻等复杂模型面数可达上千万面，不限制，覆盖率≥99%，分辨率≤0.1mm，模型整体精度≤0.2mm（尺寸小的文物扫描次数少，精度会较高），无拓扑错误，无图像污染，色彩均匀型≥95%，贴图误差。对于cm以上的文物，贴图误差≤2cm。对于60cm以下的文物，贴图误差≤0.5mm。展示级（低模）数据质量要求一般不高。
进行数据处理。主要计算机应用软件如下：
GeomagicStukio（结膜软件）：在得到三维扫描数据后，用于处理模型数据中的错面、漏面和结构大小（控制模型面数），目前要求的模型面数是高模万三角面和低模20万三角面以内。
ZBrush4R8：用于低模数据处理，可将上千万级别的三角面模型压缩至2万～20w三角面（在形体和凹凸上与原始模型基本一致）。
3dsMax：主要处理低模数据的UV结构，展平数据的模型UV才可在模型上进行纹理绘制。
Mudbox：数据模型拆分完UV后，便可直接在Mudbox中进行纹理绘制（模型贴图），Mudbox软件可将纹理清晰度与照片1∶1还原。
Photoshop：用于处理数据中影响模型数据正常浏览时的异常问题，其中包括但不限于曝光、色差、错面等，主要用于贴图模型的最终效果与原文物效果完全匹配。
（6）数据验收
模型数据经过反复处理后，按审核方法和步骤验收并对提交质检的文物进行交互。将问题对比核查，并作为比对依据，形成质检报告，修改完善后，验收通过。
（7）数据存储
数据存储主要通过密码技术保障数据机密性、完整性。可以采取数据加密、硬盘加密等多种技术方式保障数据存储安全。
三、实施效果与存在问题
1.实施效果
（1）高效、精准的数据获取
以往，立体馆藏文物档案影像采集是拍摄正视图、俯视图、侧视图、底部图、局部图，一般要求不少于6张。而藏品三维数据化，运用先进的高精度扫描仪，与纹理采集相结合，全方位记录文物真实信息，获取文物几何数据、纹理数据、材质数据等，快速建立文物的三维模型，其几何数据的面数，根据藏品结构和体积情况，特别复杂文物结构，面数可高达数十万、上百万甚至千万面，可以快速、高效、精准地实现。体积很小的藏品，有丰富的细节，扫描精度就更高了，分辨率可以达到≤0.15mm。而以往藏品直接数字化采集影像时，分辨率每祯能达到不小于万像素，就算合格了。现在，纹理相机像素则不小于万像素，纹理分辨率≥*，覆盖率≥99%，如此标准，足以高度还原文物表面纹理信息，而且不失真，信息含量大，具有三维立体感。精确地解算纹理和模型之间的相对位置和姿态，将纹理直接映射到三维模型上，完美地解决图像色差和纹理接缝问题，给模型贴图工作带来极大便利。从未来显示技术发展方向看，它应该是高清发展的必经之路。
（2）非接触式3D扫描，保障文物安全
在采集数据时运用非接触式高速激光扫描仪扫描，不用贴点，与文物保持恰当距离，支持大距离扫描，被测物体在扫描时可随意移动，几乎不会损害文物。
（3）支持多样化文件格式，兼容主流软件，实现快速数据传输
文物采集的各种数据文件，如模型文件、纹理文件和材质信息文件等，规范使用了多种包括JPG等常用文件格式，同时，又兼容多种主流软件，处理数据能力强，如大众化的常用图片处理软件Photoshop等，这里也用于数据采集完后的后期处理。
（4）强大展示能力及多场合“替身”
中国国家博物馆作为国家的文化客厅，肩负着促进不同文化交流互鉴的重要职责，在开展对外文化交流、展示中华文明魅力、传播世界文明成果方面发挥着重要的窗口作用。日常工作中经常会遇到馆际间、国际间的文物互换交流，或者是相关业内展，业内专家对文物的近距离研究等情况，出于对文物保护的考虑，对外所能展示、提供的文物信息量有限，大量的藏品没有机会实物“现身”。因此，经常会涉及文物不方便运输、不可以出境、限制文物出库等情形。如果文物出库，就必然会涉及文物的损坏和安全问题。《中华人民共和国文物保护法》第四十六条规定：“复制、拍摄、拓印馆藏文物，不得对馆藏文物造成损害。”文物三维数字化后，就有了灵活的“替身”。在很多珍贵文物不便“出镜”的情况下，文物出不去，但数据可以出去。文物的三维数据可以对文物有非常精确、全面的展示，可以替代实体文物出库，在各种不同的场合“出镜”“参演”，使实体文物安全有了保障。
（5）抢救式留存文物三维数字信息
文物是有生命的。文物的破损、损毁也是不可逆转的，但文物的三维信息可以永久留存。随着时间的推移，所有文物都面临着或多或少的自然损耗，一些年代久远、濒危的文物，如说纸张和丝织品等，几乎过不了千年。“文物工作贯彻保护为主，抢救第一，合理利用，加强管理的方针。”①这是文物工作的一贯方针。尽早留存文物当下最真实的三维数字化信息，就是延续中华文化，使之源远流长，这是博物馆的使命和责任，是功利千秋万代的业绩，责无旁贷。
（6）激活文物资源存量，互联网多渠道分发
互联网科技的发展，使得在年轻人看来一向“冷清、呆板”的博物馆忽然之间增加了许多中青年观众，他们大多来自线上，或者说，由线上认识了文物，认识了博物馆，亲近了博物馆。这种可喜局面当然得益于博物馆文物的三维数字化，使馆藏文物资源由静止转为“活跃”，由实体跃动于网上或虚拟空间。通过互联网实现多渠道分发，无论是专家，还是普通人，足不出户就可以细究一个文物，浏览一个馆，看完一个展。甚至用手机也可以实现。通过