博物館3D掃描技術的應用及前景

館藏珍貴文物的三維數字化對于提高文物的保護、研究、展示及合理利用，發(fā)揮文物的社會功能，具有十分重要的意義。由于文物的真實和不可再生等特性，對那些容易損毀的文物，應盡量減少提取、觸摸。3D掃描技術能以無接觸、無損害、全方位完全數字化的方式準確、有效地記錄文物真實信息，并能在虛擬現(xiàn)實領域以生動的、交互的手段集中展示，這對于實現(xiàn)資源共享，擴展文物展示空間，展示悠久的歷史文化資源具有重要的現(xiàn)實意義。

3D掃描技術是利用三維掃描儀獲取目標物表面各點的三維空間坐標以及顏色信息，并由獲取的測量數據構造出目標物三維模型的一種全自動測量技術。這是目前博物館應用較多的三維數據獲取方式，其優(yōu)點是準確性高，易于操作，并能達到較為理想的文物三維數據記錄效果。因博物館文物類別不同，體量大小不一，沒有任何一臺三維掃描儀設備能解決所有類別文物的數據采集問題；同一文物可能需要不同的掃描儀設備完成整體及細節(jié)部分的數據采集工作。

三維掃描儀的發(fā)展情況是3D掃描技術發(fā)展的關鍵，市場上關于三維掃描儀的分類方式有很多種，按測量方式分為：基于脈沖方式、時間—相位差方式、三角測距原理等；按距離的遠近分為：近距、中距、遠距等；按光源分為：基于激光、白光等。除此之外，三維掃描儀設備國內外品牌型號眾多，價格相差很大，博物館應該根據本館經濟狀況、文物類型、材質、體量等特征做適當的選擇。文物的3D掃描是三維數字化過程中一個重要環(huán)節(jié)，后期需要對數據做拼接、補洞、紋理映射等優(yōu)化處理，并最終形成完整的三維數據模型。博物館文物三維數字化工作是基礎，三維數據資源的開發(fā)利用才是最終目的。

3D掃描技術在博物館領域的應用及前景

01數字展示方面
1）博物館陳列展覽的主體是博物館藏品，包括文物、標本、模型及其它有形物體。伴隨著博物館合理利用文物資源，充分發(fā)掘其內涵，讓文物活起來的辦展理念的加強，許多博物館在陳列展覽中逐步引入數字媒體技術。其中，文物三維數字模型交互展示在激發(fā)觀眾參觀興趣，增強與觀眾的互動，使觀眾沉浸并參與其中等方面發(fā)揮了重要作用。對于不便于移動的文物，采用三維數字模型的方式替代實物展出，使文物免遭運輸過程中的風險，觀眾在近距離欣賞文物的同時，能夠觸摸、感知文物。

文物承載著一個國家悠久的歷史及燦爛的文明，文明交流互鑒是推動人類文明進步和世界和平發(fā)展的重要動力�！拔奈飵�你看中國”展示展覽項目由文化部和國家文物局共同策劃，采用“可視化三維還原技術”，將國內多家博物館的珍貴文物以三維數字模型交互的方式在觸摸屏上展示，并在丹麥、法國、澳大利亞、新加坡等多個國家的文化交流中心投放使用，為中外文化交流起到了橋梁的作用，使優(yōu)秀的歷史文化在高科技的作用下走向更為廣闊的世界。

▲圖1  “文物帶你看中國”展示展覽

內蒙古博物院“流動數字博物館”采用觸摸屏技術和AR增強現(xiàn)實技術，使用文字、聲音、圖片、視頻及三維數字模型等方式全方位、立體性地展現(xiàn)館藏珍貴文物，以流動大篷車的方式將深藏在博物館里的文物運送到交通不便的偏遠地區(qū)，為觀眾帶來“身臨其境”的感官體驗，既保證了實體文物的安全，又提高了珍貴文物的展出率。

▲圖2  內蒙古博物院“流動數字博物館”

2）有些基于但不局限于展品本身的深層次信息，僅靠文字、圖片、靜態(tài)展品等展陳手段難以體現(xiàn)，通過三維動態(tài)數字技術虛擬場景、功能演示、動態(tài)交互等現(xiàn)代化的科技手段闡釋解讀，使展覽寓教于樂并加深觀展印象。

故宮數字館“數字多寶閣”以9列2排共18塊高清屏幕組成，精選近百件故宮典藏器物的高精度三維數字模型展示。觀眾可以伸手觸摸、縮放，觀看文物細節(jié)，并對部分文物的使用功能、造型特征等做了動態(tài)演示，將傳統(tǒng)博物館展陳中無法展出的文物信息，以虛擬的技術手段進行深度的揭示與闡發(fā)，使觀眾獲得藏品外在形態(tài)之外的深層次信息。觀眾在數字交互中體驗到觀展的樂趣，并獲得知識和啟迪。

▲圖3  故宮數字館“數字多寶閣”

3）由于網絡時間和空間的無限性，高清晰的三維數字模型以網絡的方式展示，使觀眾不僅能夠觀看到全方位數字化的文物信息，還可以進行互動，實現(xiàn)足不出戶就可以游覽博物館，甚至可以下載、打印，打破了實體博物館信息單向傳遞的限制。

美國史密森尼博物館協(xié)會正在為其1.37億件藏品創(chuàng)建3D效果圖。這個成果通過在線測試平臺http://3d.si.edu/tour-browser向公眾開放，任何人都可以查看、操作乃至3D打印。采用最新的WebGL和HTML5無縫融合的技術，使觀眾無需插件就能在網絡上實現(xiàn)完美交互，解決了多年來3D技術在網絡發(fā)展上的瓶頸問題，具有劃時代的重大意義。

▲圖4  史密森尼博物館協(xié)會X-3D網絡展示

02文物保護領域
首先，3D掃描及數據優(yōu)化處理后獲取的三維數字模型，因全方位、各個角度的記錄文物細節(jié)特征，可以提供給不同用戶開展繼續(xù)研究、數字展示、教育宣傳等工作，避免了借展藏品返還后很難再接觸到、頻繁出入藏品庫房手續(xù)繁瑣以及可能對藏品帶來損害等弊端，減少實體文物的使用次數，達到文物保護的目的。

其次，3D掃描技術在非接觸條件下獲取文物三維點云數據并創(chuàng)建、制作修復模型，在計算機中模擬修復文物，為文物修復方案的制定提供理論依據，避免在文物修復過程中出現(xiàn)不可預見的錯誤而導致文物本體損壞，因此在文物修復保護領域具有強大優(yōu)勢及應用前景，更是現(xiàn)代科學技術在文物保護領域應用的重要性體現(xiàn)。

再次，傳統(tǒng)文物復制一般是采用翻模、塑形、雕刻等方法制作完成，直接在原文物基礎上進行翻模，會將翻模的材料殘留在文物表面，對文物造成不同程度的損害。塑形及雕刻需要精湛的師傅，材料、人工的成本高，花費的時間較長，往往一件文物的復制就要花費近一個月時間。3D打印技術解決了這一難題，能夠在不直接接觸文物的條件下，配合3D掃描技術獲取文物的精準三維信息，并通過使用數字軟件和特定材料，將文物造型和紋飾直接打印出來，實現(xiàn)文物的復制輸出，大大簡化了文物復制的工藝流程。

03文創(chuàng)產品開發(fā)
3D打印技術是快速成型技術的一種，以三維數字模型文件為基礎，采用分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來構造物體的技術。3D打印技術可以實現(xiàn)與原文物等同或成比例縮小、放大的輸出，這是在原文物上進行翻模復制所不能實現(xiàn)的，并且設計師可以對三維數字文件進行二次開發(fā)設計，這將會對博物館文創(chuàng)產品開發(fā)帶來革命性的變革。鑒于3D打印材質的局限性以及成本因素，博物館文創(chuàng)產品開發(fā)一般采用3D打印技術將文物三維數字數字模型打印輸出，然后在輸出的3D模型上進行翻模復制，就可以得到相應材質的文創(chuàng)產品。

以國家博物館“宋代彩繪木雕觀音菩薩坐像”青銅文創(chuàng)產品開發(fā)為例。在獲取三維數據的基礎上，采用光敏樹脂為打印材料，按與實物1:5的比例進行3D打印，然后在3D模型基礎上翻制蠟模，再以蠟模為原型制作“青銅觀音菩薩坐像”。圖5為國博“宋代彩繪木雕觀音菩薩坐像”青銅文創(chuàng)產品開發(fā)流程。

▲圖5 國博“宋代彩繪木雕觀音菩薩坐像”青銅文創(chuàng)產品開發(fā)

04器物測量及考古測繪線圖生成
以往的考古研究中經常通過點、線、面的形式來科學、形象的記錄和表述遺跡、遺物，即進行考古繪圖。而使用3D掃描技術獲取的文物三維數據模型，不但可以精確地測量文物基礎屬性信息（長、寬、高）等，文物模型的內部結構，利用模型界面測量器物厚度、生成等高線、對器物表面的紋飾進行平面展開等，而且可以導出不同面的正射影像圖、剖面影像圖、立面影像圖等，用于繪制文物或標本的正面、剖面、立面線圖。通過這種模型器物測量及考古線圖生成的方法，速度快、精度高，技術規(guī)范，彌補了以往人工測量或者手動繪圖方式文物信息不全或者有偏差的缺陷。

▲圖6  “鎏金銅金剛薩捶坐像”基礎屬性信息測量

05數字出版
數字出版是指建立在計算機技術、網絡技術、流媒技術、存儲技術、顯示技術等高新技術基礎上從事的出版活動。隨著人們閱讀習慣與閱讀載體的改變，數字出版物明顯更符合當下的需求。相對于實體出版在發(fā)行量與發(fā)行成本方面的局限性，數字出版依靠著互聯(lián)網的便捷，呈現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢：大容量的存儲和多樣的選擇權利；實現(xiàn)智能化檢索；二維、三維、音頻、視頻等多種媒體呈現(xiàn)；根據內容、功能、設計、外觀等實現(xiàn)個性化定制等。

數字出版對博物館館藏文物數字影像既是機遇也是挑戰(zhàn)，一方面，可以將珍貴的館藏文物三維數字模型、圖片、音視頻等資料，制作授權許可的關于藏品的三維影像光盤或者其它的數字媒體介質(ipad、iphone等)，提供給出版發(fā)行、學校教育、藝術品收藏等相關人員使用，實現(xiàn)博物館效益增值；另一方面，數字出版產業(yè)發(fā)展過程中也暴露出許多亟待解決的版權問題，有關著作權法律法規(guī)亟待完善，數字出版企業(yè)的版權意識、社會責任意識和誠信意識建設亟待加強。

總結
近年來，3D掃描技術在博物館展示、研究、教育、文物保護、文物復制等業(yè)務工作中發(fā)揮著越來越重要的作用，未來將會在市場規(guī)范、法律健全、版權意識和社會責任意識明確的情況下，廣泛應用于文創(chuàng)產品開發(fā)、數字出版領域，這對博物館帶來的變革將是全新的。

盡管如此，博物館文物3D掃描工作開展的過程中也存在著不少問題：1）三維數字化工作開展需求不明確，三維數據的開發(fā)利用不夠；
2）三維數據采集標準不統(tǒng)一，不規(guī)范；
3）文物三維數據的知識產權保護法律不健全等。
三維數字化技術現(xiàn)階段雖有不足，但伴隨著技術的不斷發(fā)展和進步，市場和法律的規(guī)范，三維數據資源的合理有效利用，將會對博物館業(yè)務工作開展帶來更為廣闊的前景，請關注南極熊3d打印網。

來源：文博圈
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