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文物三维数字化建模方法探讨
　　摘要：文物三维数字化建模是目前数字博物馆研究领域的一个热点问题，是计算机图形图像技术在数字博物馆中的重要应用。本章首先介绍了文物三维数字化建模的必要性，介绍了文物三维数字化的主要方法、三维数字化建模的主要流程等，最后阐述了文物三维数字化建模的重大意义以及对未来的展望。 中国论文网 /8/view-4349348.htm　　关键词：文物；三维数字化建模；计算机图形学 　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：（3-04 　　随着计算机及网络技术的飞速发展和应用，人类自然文化遗产的保护与利用有了新的方式与方法。各种多媒体技术手段正逐渐应用到博物馆这一传统领中来。博物馆的主要功能为征集、 研究 、教育和展示，但是博物馆文物保护和利用之间存在着矛盾。从文物保护的观点来看，应该避免可能对文物造成损害的利用；而从文物利用观点来看，无论是研究、传播、教育还是展示，对文物本身都会造成某种损害。如何解决这种矛盾，已经成为博物馆工作者工作中的难题之一。然而数字博物馆的出现，将为这一困难提供适合的解决方法[1-2]。 　　数字博物馆需要以数字形式对可移动和不可移动文物相关信息进行采集、管理，建成基于网络数据库的数字化博物馆体系，可以很好地解决文物与有限的展陈空间、时间的矛盾，进一步开拓博物馆文物保护、传播、教育和展示的新领域。对于实现数字资源共享、保护珍贵的博物馆文化资源、传播古老的中华文明、加强国内外专家之间的学术交流与合作具有极其重要的意义。可以发现，在数字化博物馆的建设过程中，一个最重要的组成部分就是文物数字化。文物的数字化形式丰富，其中包括三维建模、文字录入、拍照、录像与录音等，其中应用三维建模技术重构高分辨率的三维虚拟文物是成功展示文物的重要技术之一[3-4]。 　　1 三维数字化方法 　　物体的三维模型是物体的三维多边形表现示，通常由计算机显示器或者其它显示设备进行显示。显示的物体可以是现实世界的东物体，也可以是虚构的物体，显示的尺寸可大可小。任何物体都可以用三维模型表示。 　　三维模型有多种表示形式，如利用长方体等基本体素进行布尔运算来构造复杂三维几何体的体素构造表示形式；用非均匀有理B样条（NURBS）等基于Bernstein基函数的样条曲面表示形式；用二值化的三维数组对模型几何特征进行描述的体素化表示形式等，其中最基本的表示形式是利用大量多边形或三角形来逼近真实三维物体，这种表示方法最直观、处理效率最高。现有的三维数字化方法有三大类： 　　第一类，依靠计算机图像学进行手工建模。这种方法建模者主观性大，物体大小尺寸无法达到精准无误。对于文物三维建模来说更是无法满足研究者对于文物高精度的需求。 　　第二类，基于计算机视觉的三维数字化建模。这种方法是通过二维图像重建三维物体， 该方法需要在拍摄时严格限定相机的基线和镜头，很多情形下，无法满足该条件，并且此方法自主要靠人工干预，不能够满足技术发展的要求。 　　第三类，使用三维激光扫描仪进行三维扫描建模。此方法能够精准地获取物体的三维形状，并且随着三维激光扫描仪的不断更新与发展，可以获得物体更加高精度的三维模型，通过高清数码相机的辅助拍摄，通过手动贴图等步骤，可以呈现出逼真的，带有纹理的三维模型[5-6]。 　　2 文物三维数字化建模处理流程 　　文物三维数字化建模包括数据采集、模型简化、模型UV 拆分、文物自阴影渲染、文物贴图制作等多个步骤： 　　第一步是数据采集，获取文物的三维数据以及高清纹理信息。 　　1）使用三维扫描仪获取：光学三维扫描仪可在无接触的情况下确定文物的几何尺寸、外形，并能满足测量精度控制在允许范围内[7]。光学三维扫描仪工作原理是使用激光三角测距原理，通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描物体。该激光线经过旋转平面镜的作用，改变角度，使得激光线发射到物体表面。物体表面反射激光束，每一条激光线都通过CCD传感器采集成一帧数据。根据物体表面不同的形状，每条激光线反射回来的信息中所包含表面形状和颜色数据[8]。 　　2）使用高清照相机获取文物纹理信息，由于拍照有一定的局限性，不能一张照片拍完一件文物的所有角度，因此我们需要进行多个视角的拍摄，保证可以看清楚文物的每一个细节，这样对于制作出一个完美的模型有很大的帮助。 　　第二步是模型简化。经过光学三维扫描仪获取的几何模型包含的三角面片数量巨大，可以达到上百万个三角面片，对后期的数据处理、纹理映射等操作造成一定的困难，需要对高精度的模型进行模型经简化，这样不仅可以减少存储空间，还可以提高数据的处理效果。文物模型的简化要求更严格，文物模型中重要细节部分应该尽量的保留，而且能够很好保持边缘部分的几何特征，模型的整体结构必须与原始模型保持一致。 　　下图为经过光学三维扫描仪获取的扫描模型，导入后会发现模型面数非常多，有五十多万个三角面片，而且布线杂乱，需要后期进行低模的重新制作。 　　由于扫描的模型文件面数太多不能直接使用，因此需要在雕塑软件ZBrush里顺着高模结构制作一个中模，保留原有扫描模型上的主要结构、细节、起伏等。有些模型在结构复杂交错的部分会出现扫描不到的情况，导致模型局部漏面、缺失等现象，因此缺失的区域需要后期手动再去补面。下图分别是手动拓扑后的低模与中模，可根据制作要求选择不同面数版本的模型。 　　第三步是模型UV拆分，给模型贴图的基础就是需要有一套模型的UV（U 相当于世界坐标轴的X轴，V 就是Y 轴，还有一个W就是Z轴UV 通常是 UVW坐标轴的简称）用来调整贴图坐标。将拓扑完的模型导入三维软件MAX或者MAYA内先进行文物的UV拆分。 　　第四步是文物自阴影渲染：UV分完的模型可以进行一次自身阴影的渲染，最终得出一张Lightmap贴图，此图最终与角色自身贴图叠在一起，会让整个文物更加富有立体感。从左下图可看出角色贴上Lightmap已经有了角色身上结构相互之间的阴影关系。
　　第五步是文物贴图制作。贴图主要以照片映射为主，在Zbrush软件中导入照片，三维模型角度旋转缩放到与照片一致进行精确对位，然后进行映射。模型与照片角度不对，映射的内容就会缺失，因此需要每个角度每个细节的映射，这也是反映了前期照片拍摄的角度与质量的重要性。下图是文物贴图完成后的模型图。 　　4 文物三维数字化的重大意义 　　在博物馆展示、宣传究领域，文物三维数字化建模后的三维模型可以应用于艺术宣传片、纪录片、文教宣传片、游戏互动、杂志等各种新媒体产品中。大量的文物三维模型可以建立数字博物馆，通过虚拟漫游的模式展示给参观者，打破了传统陈列展示的方式，通过一种更加新颖的模式来传承中华文化遗产所蕴含的价值。 　　在博物馆文物保护、研究领域，文物三维数字化建模后的三维模型，在不直接接触文物的情况下，可以全方位，各个角度的去了解文物的细节；文物三维数字化模型为文物保存了一份完整的数据，在文物意外受损时，可以根据这些数据进行修复；考古工作者在发掘文物后，可以利用现有的三维文物模型来对发掘文物进行辅助研究；文物研究者可以通过计算机精确的测量文物模型的内部结构，计算文物的体积、周长等属性信息，弥补了文物信息不全或者有偏差的缺陷。 　　在博物馆教育领域，文物三维数字化建模后的三维模型可以利用三维打印机制作出不同比例的高质量仿真文物，可以让参观者身临其境的接触文物，感受文物的渊源与历史。 　　5 结束语 　　文物三维数字化建模是目前数字博物馆研究领域的一个热点问题，从国内外研究状况来看，目前各项技术还处于初级阶段，我们应该相信，随着新技术的不断完善和发展的，随着文物保护者的不断努力，文物三维数字化进程将会发展的更快、更好。 　　参考文献： 　　[1] 刘绍南，王升.数字博物馆中知识本体的构建技术研究[J].中原文物，2012（6）. 　　[2] 刘畅，张蕾.数字博物馆——数字博物馆发展透析[J].文化产业导刊，2011（12）. 　　[3] 刘绍南.数字博物馆系统架构初探[J].东南文化，2010（4）. 　　[4] 荣国栋，孟祥旭.Inspeck 3D-DF三维扫描仪在数字博物馆中的应用[J].计算机工程与应用，2002（38）. 　　[5] 张俊.数字博物馆中的三维数字化及互动展示技术[J].计算机科学，2007（34）. 　　[6] 杨丽萍.面向文物的三维信息可视化关键技术研究[D].北京：首都师范大学，2007. 　　[7] 张瑞，骆岩林.文物数字化的关键技术.北京师范大学学报.）：150-153. 　　[8] 邱兆文，张田文.文物三维重建关键技术[J].）.
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12月11日到15日，市博物馆完成了“广德寺、高峰山、宝梵寺和博物馆部分馆藏文物三维扫描项目”的三维数据采集工作，该项目由市博物馆与北京博云图科技有限公司共同合作进行。
根据项目要求，双方合作完成了我市全国重点文物保护单位广德寺、高峰山、宝梵寺和市博物馆60件馆藏珍贵文物的拍照和三维数字化扫描工作。三维扫描工作分为外景组和馆藏文物组，两组工作同时进行。外景组首先运用无人机对广德寺、高峰山、宝梵寺古建筑进行全景拍摄，然后再用扫描仪对古建筑细节进行扫描；馆藏文物组首先对馆藏文物进行720度和360度拍摄，然后再对其进行扫描。之后的后期制作阶段将拍摄完成的部分进行高精度纹理图像融合制作和映射，使用obj格式给出附带纹理的三维模型。
馆藏文物扫描组对文物进行720度拍摄
此项工作在我市尚属首例。三维扫描数据采集为文物建立的高保真三维模型，将永久留存文物信息，实现文物的精细信息留取及资料永久存档，将会为我市日后文物的科学保护、利用和研究留存可靠的依据，最终成果也将用于遂宁市博物馆新馆数字化建设。
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3D打印对修复历史文物意义重大
三维扫描仪可以从上百个角度扫描瓷器的碎片，并对每块碎片制作 3D 模拟图，然后将其整合，做出原物的 3D 模拟图，将缺失部分以及支持结构打印出来，一个历史中的文物就这样重见天日。
　　近日，大型户外纪实真人秀《侣行》收获的荣誉可谓&盆满钵满&。在上周举行的&第十三届四川电视节&金熊猫&颁奖典礼&上，《侣行》第三季凭借高口碑、高人气荣获国际新媒体最具创新真人秀节目奖，实至名归。而更让人惊讶的是，在节目中，这对极限情侣更是为中东地区带去了古文明的拯救密码&&由杭州先临三维科技股份有限公司(以下简称先临三维)提供的和3D扫描设备。　　首次走进古巴比伦　　从2013年开始，一对被称为&极限情侣&的&旅友&&&张昕宇、梁红踏上了非同寻常的旅途，他们走在恐怖之都索马里;他们进入魔鬼之城切尔诺贝利，探访美丽的传说古巴比伦&&在《侣行》第三季，这对极限情侣前往伊拉克境内的古巴比伦遗址探访。　　古巴比伦的空中花园可以说是古建筑文明中一道夺目的风景线，但是古文明时期的民族战乱加上现代中东动荡，让这座美丽的城市失去了太多的珍贵文物。每次，节目组都只能对着断壁残垣扼腕叹息。　　而这次，这对情侣得到了先临三维的支持，获得了手持式三维扫描仪和打印机，并将设备赠送给了伊拉克当地旅游文化遗产部，用于日后文物的扫描和后期修复。　　有了3D扫描仪和，对当地的文物修复工作将带来极大的帮助。比如说修复一个陶瓷人偶，三维扫描仪可以从上百个角度扫描瓷器的碎片，并对每块碎片制作 3D 模拟图，然后将其整合，做出原物的 3D 模拟图，将缺失部分以及支持结构打印出来，一个历史中的文物就这样重见天日。　　文物3D数字档案意义重大　　3D打印和3D扫描技术的成熟，为人类文物修复带来了新的可能。其实，3D打印和3D扫描技术在文物考古方面早有应用，已有的研究主要是利用三维扫描采集文物古迹的点集，输入计算机进行过滤和建模，最终应用于文物的保护和修复。　　作为国内文物数字化保护的先锋和中坚力量，早在2009年起，先临三维就开始与诸多博物馆、私人藏家合作，接连扫描了诸多文物珍品，从高古玉到商周青铜，从秦汉石雕到盛唐陶瓷，从宋代雕塑到明清建筑，时间跨度之长，文物材质之丰富，至今已经扫描了不下300件文物，比如西安大汉十六品雕塑的数字化保存，还有龙门石窟等。且每一个扫描案例都可以作为文博领域的经典来记载，开创了中国文物界3D数字档案之先河，并持续推而广之。　　通过创建文物3D数字档案，除了能为文物保护研究建立完整、准确、永久、真实的三维数字档案，还能通过数字记录的方法为文物保护提供检测和修复依据，并能在已有模型的基础上重建已经不存在的、或被毁坏的历史遗迹，能够真实记录考古发掘现场，再现考古发掘前后的遗址原貌。还能通过建立虚拟博物馆的方式，以虚拟展览方式为研究人员及游览者提供更自由的观察角度。　　此外， 依据三维扫描获得的文物三维数字模型，使用数控加工手段，可以复制出文物的真实形貌或制作文物衍生品，用于代替文物真品进行实物展示，使人们能够欣赏文物造型的同时，减少和避免对文物真品的损坏。　　随着3D打印技术的成熟，结合利用计算机技术实现文物及考古现场的数字模型的建立和信息化存储，进而对数字模型进行管理和应用，3D打印技术在文物修复领域将具有更加广阔的研究和应用前景。
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