博物館3D掃描技術(shù)的應(yīng)用及前景

館藏珍貴文物的三維數(shù)字化對(duì)于提高文物的保護(hù),、研究、展示及合理利用,，發(fā)揮文物的社會(huì)功能，具有十分重要的意義,。由于文物的真實(shí)和不可再生等特性,，對(duì)那些容易損毀的文物，應(yīng)盡量減少提取,、觸摸,。3D掃描技術(shù)能以無(wú)接觸、無(wú)損害,、全方位完全數(shù)字化的方式準(zhǔn)確,、有效地記錄文物真實(shí)信息，并能在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域以生動(dòng)的,、交互的手段集中展示,，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)資源共享，擴(kuò)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(shí)意義,。

3D掃描技術(shù)是利用三維掃描儀獲取目標(biāo)物表面各點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)以及顏色信息，并由獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)造出目標(biāo)物三維模型的一種全自動(dòng)測(cè)量技術(shù),。這是目前博物館應(yīng)用較多的三維數(shù)據(jù)獲取方式,，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高，易于操作,，并能達(dá)到較為理想的文物三維數(shù)據(jù)記錄效果,。因博物館文物類(lèi)別不同，體量大小不一,，沒(méi)有任何一臺(tái)三維掃描儀設(shè)備能解決所有類(lèi)別文物的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題,；同一文物可能需要不同的掃描儀設(shè)備完成整體及細(xì)節(jié)部分的數(shù)據(jù)采集工作。

三維掃描儀的發(fā)展情況是3D掃描技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵,，市場(chǎng)上關(guān)于三維掃描儀的分類(lèi)方式有很多種,，按測(cè)量方式分為：基于脈沖方式、時(shí)間—相位差方式,、三角測(cè)距原理等,；按距離的遠(yuǎn)近分為：近距、中距、遠(yuǎn)距等,；按光源分為：基于激光,、白光等。除此之外,，三維掃描儀設(shè)備國(guó)內(nèi)外品牌型號(hào)眾多,，價(jià)格相差很大，博物館應(yīng)該根據(jù)本館經(jīng)濟(jì)狀況,、文物類(lèi)型,、材質(zhì)、體量等特征做適當(dāng)?shù)倪x擇,。文物的3D掃描是三維數(shù)字化過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié),，后期需要對(duì)數(shù)據(jù)做拼接、補(bǔ)洞,、紋理映射等優(yōu)化處理,，并最終形成完整的三維數(shù)據(jù)模型。博物館文物三維數(shù)字化工作是基礎(chǔ),，三維數(shù)據(jù)資源的開(kāi)發(fā)利用才是最終目的,。

3D掃描技術(shù)在博物館領(lǐng)域的應(yīng)用及前景

01數(shù)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(biāo)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(nèi)涵,，讓文物活起來(lái)的辦展理念的加強(qiáng)，許多博物館在陳列展覽中逐步引入數(shù)字媒體技術(shù),。其中,，文物三維數(shù)字模型交互展示在激發(fā)觀眾參觀興趣，增強(qiáng)與觀眾的互動(dòng),，使觀眾沉浸并參與其中等方面發(fā)揮了重要作用,。對(duì)于不便于移動(dòng)的文物，采用三維數(shù)字模型的方式替代實(shí)物展出,，使文物免遭運(yùn)輸過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn),，觀眾在近距離欣賞文物的同時(shí)，能夠觸摸,、感知文物,。

文物承載著一個(gè)國(guó)家悠久的歷史及燦爛的文明，文明交流互鑒是推動(dòng)人類(lèi)文明進(jìn)步和世界和平發(fā)展的重要?jiǎng)恿�,�,！拔奈飵�你看中�?guó)”展示展覽項(xiàng)目由文化部和國(guó)家文物局共同策劃,，采用“可視化三維還原技術(shù)”，將國(guó)內(nèi)多家博物館的珍貴文物以三維數(shù)字模型交互的方式在觸摸屏上展示,，并在丹麥,、法國(guó)、澳大利亞,、新加坡等多個(gè)國(guó)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(guó)”展示展覽

內(nèi)蒙古博物院“流動(dòng)數(shù)字博物館”采用觸摸屏技術(shù)和AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),，使用文字、聲音,、圖片,、視頻及三維數(shù)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(dòng)大篷車(chē)的方式將深藏在博物館里的文物運(yùn)送到交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū),，為觀眾帶來(lái)“身臨其境”的感官體驗(yàn),，既保證了實(shí)體文物的安全,，又提高了珍貴文物的展出率。

▲圖2  內(nèi)蒙古博物院“流動(dòng)數(shù)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(guò)三維動(dòng)態(tài)數(shù)字技術(shù)虛擬場(chǎng)景,、功能演示、動(dòng)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(lè)并加深觀展印象,。

故宮數(shù)字館“數(shù)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(shù)字模型展示,。觀眾可以伸手觸摸,、縮放，觀看文物細(xì)節(jié),，并對(duì)部分文物的使用功能,、造型特征等做了動(dòng)態(tài)演示，將傳統(tǒng)博物館展陳中無(wú)法展出的文物信息,，以虛擬的技術(shù)手段進(jìn)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(shù)字交互中體驗(yàn)到觀展的樂(lè)趣,，并獲得知識(shí)和啟迪,。

▲圖3  故宮數(shù)字館“數(shù)字多寶閣”

3）由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和空間的無(wú)限性,，高清晰的三維數(shù)字模型以網(wǎng)絡(luò)的方式展示，使觀眾不僅能夠觀看到全方位數(shù)字化的文物信息,，還可以進(jìn)行互動(dòng),，實(shí)現(xiàn)足不出戶(hù)就可以游覽博物館，甚至可以下載,、打印,，打破了實(shí)體博物館信息單向傳遞的限制。

美國(guó)史密森尼博物館協(xié)會(huì)正在為其1.37億件藏品創(chuàng)建3D效果圖,。這個(gè)成果通過(guò)在線測(cè)試平臺(tái)http://3d.si.edu/tour-browser向公眾開(kāi)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(wú)縫融合的技術(shù),，使觀眾無(wú)需插件就能在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)完美交互，解決了多年來(lái)3D技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展上的瓶頸問(wèn)題,，具有劃時(shí)代的重大意義,。

▲圖4  史密森尼博物館協(xié)會(huì)X-3D網(wǎng)絡(luò)展示

02文物保護(hù)領(lǐng)域
首先，3D掃描及數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后獲取的三維數(shù)字模型,，因全方位,、各個(gè)角度的記錄文物細(xì)節(jié)特征，可以提供給不同用戶(hù)開(kāi)展繼續(xù)研究,、數(shù)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(kù)房手續(xù)繁瑣以及可能對(duì)藏品帶來(lái)?yè)p害等弊端,，減少實(shí)體文物的使用次數(shù)，達(dá)到文物保護(hù)的目的,。

其次,，3D掃描技術(shù)在非接觸條件下獲取文物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并創(chuàng)建、制作修復(fù)模型,，在計(jì)算機(jī)中模擬修復(fù)文物,，為文物修復(fù)方案的制定提供理論依據(jù)，避免在文物修復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的錯(cuò)誤而導(dǎo)致文物本體損壞,，因此在文物修復(fù)保護(hù)領(lǐng)域具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景,，更是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的重要性體現(xiàn)。

再次,，傳統(tǒng)文物復(fù)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(chǔ)上進(jìn)行翻模,，會(huì)將翻模的材料殘留在文物表面,，對(duì)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(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng),，往往一件文物的復(fù)制就要花費(fèi)近一個(gè)月時(shí)間,。3D打印技術(shù)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(shù)獲取文物的精準(zhǔn)三維信息,，并通過(guò)使用數(shù)字軟件和特定材料，將文物造型和紋飾直接打印出來(lái),，實(shí)現(xiàn)文物的復(fù)制輸出,，大大簡(jiǎn)化了文物復(fù)制的工藝流程。

03文創(chuàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種,，以三維數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),，采用分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù),。3D打印技術(shù)可以實(shí)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(jìn)行翻模復(fù)制所不能實(shí)現(xiàn)的,，并且設(shè)計(jì)師可以對(duì)三維數(shù)字文件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),，這將會(huì)對(duì)博物館文創(chuàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)革命性的變革,。鑒于3D打印材質(zhì)的局限性以及成本因素,，博物館文創(chuàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一般采用3D打印技術(shù)將文物三維數(shù)字?jǐn)?shù)字模型打印輸出，然后在輸出的3D模型上進(jìn)行翻模復(fù)制,，就可以得到相應(yīng)材質(zhì)的文創(chuàng)產(chǎn)品,。

以國(guó)家博物館“宋代彩繪木雕觀音菩薩坐像”青銅文創(chuàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)為例。在獲取三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,，采用光敏樹(shù)脂為打印材料,，按與實(shí)物1:5的比例進(jìn)行3D打印，然后在3D模型基礎(chǔ)上翻制蠟?zāi)�,，再以蠟�(zāi)�為原型制作“青銅觀音菩薩坐像”,。圖5為國(guó)博“宋代彩繪木雕觀音菩薩坐像”青銅文創(chuàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。

▲圖5 國(guó)博“宋代彩繪木雕觀音菩薩坐像”青銅文創(chuàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

04器物測(cè)量及考古測(cè)繪線圖生成
以往的考古研究中經(jīng)常通過(guò)點(diǎn),、線,、面的形式來(lái)科學(xué)、形象的記錄和表述遺跡,、遺物,，即進(jìn)行考古繪圖,。而使用3D掃描技術(shù)獲取的文物三維數(shù)據(jù)模型，不但可以精確地測(cè)量文物基礎(chǔ)屬性信息（長(zhǎng),、寬,、高）等，文物模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，利用模型界面測(cè)量器物厚度,、生成等高線、對(duì)器物表面的紋飾進(jìn)行平面展開(kāi)等,，而且可以導(dǎo)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(biāo)本的正面,、剖面、立面線圖,。通過(guò)這種模型器物測(cè)量及考古線圖生成的方法,，速度快、精度高,，技術(shù)規(guī)范,，彌補(bǔ)了以往人工測(cè)量或者手動(dòng)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(chǔ)屬性信息測(cè)量

05數(shù)字出版
數(shù)字出版是指建立在計(jì)算機(jī)技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、流媒技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù),、顯示技術(shù)等高新技術(shù)基礎(chǔ)上從事的出版活動(dòng),。隨著人們閱讀習(xí)慣與閱讀載體的改變，數(shù)字出版物明顯更符合當(dāng)下的需求,。相對(duì)于實(shí)體出版在發(fā)行量與發(fā)行成本方面的局限性,，數(shù)字出版依靠著互聯(lián)網(wǎng)的便捷，呈現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：大容量的存儲(chǔ)和多樣的選擇權(quán)利,；實(shí)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(jù)內(nèi)容,、功能,、設(shè)計(jì)、外觀等實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制等,。

數(shù)字出版對(duì)博物館館藏文物數(shù)字影像既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn),，一方面,，可以將珍貴的館藏文物三維數(shù)字模型、圖片,、音視頻等資料,，制作授權(quán)許可的關(guān)于藏品的三維影像光盤(pán)或者其它的數(shù)字媒體介質(zhì)(ipad、iphone等),，提供給出版發(fā)行,、學(xué)校教育、藝術(shù)品收藏等相關(guān)人員使用,，實(shí)現(xiàn)博物館效益增值,；另一方面，數(shù)字出版產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中也暴露出許多亟待解決的版權(quán)問(wèn)題,，有關(guān)著作權(quán)法律法規(guī)亟待完善,，數(shù)字出版企業(yè)的版權(quán)意識(shí)、社會(huì)責(zé)任意識(shí)和誠(chéng)信意識(shí)建設(shè)亟待加強(qiáng),。

總結(jié)
近年來(lái),，3D掃描技術(shù)在博物館展示、研究,、教育,、文物保護(hù)、文物復(fù)制等業(yè)務(wù)工作中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,，未來(lái)將會(huì)在市場(chǎng)規(guī)范,、法律健全、版權(quán)意識(shí)和社會(huì)責(zé)任意識(shí)明確的情況下,，廣泛應(yīng)用于文創(chuàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā),、數(shù)字出版領(lǐng)域，這對(duì)博物館帶來(lái)的變革將是全新的,。

盡管如此,，博物館文物3D掃描工作開(kāi)展的過(guò)程中也存在著不少問(wèn)題：1）三維數(shù)字化工作開(kāi)展需求不明確,，三維數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)利用不夠,；
2）三維數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不規(guī)范,；
3）文物三維數(shù)據(jù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)法律不健全等,。
三維數(shù)字化技術(shù)現(xiàn)階段雖有不足，但伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,，市場(chǎng)和法律的規(guī)范,，三維數(shù)據(jù)資源的合理有效利用，將會(huì)對(duì)博物館業(yè)務(wù)工作開(kāi)展帶來(lái)更為廣闊的前景,，請(qǐng)關(guān)注南極熊3d打印網(wǎng),。

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