三维数字化技术在文物保护中应用与作用

智库 (10) 2021-04-10 09:48:39

我国历史文化源远流长,拥有丰富的历史文化遗产,在自然因素和人为因素的双重作用下,文物信息面临逐渐消亡的危机,而文物蕴含着巨大的社会、文化和科学价值,故文物保护成为文物管理研究单位的首要任务。在文物保护工作中遇到很多使用传统手段无法解决的难题,为解决这些难题文物三维数字化技术应运而生,成为文物保护的有力手段。文物三维数字化技术可以和传统文物保护技术相结合完成文物修复、保护和研究工作。文物三维数字化技术包括三维激光扫描技术、近景摄影测量技术、3D打印技术及数字模拟修复技术等,这些技术的应用对于加强文物保护、研究及利用,充分发挥文物的价值具有重要意义。
1 文物三维数字化技术下的文物保护
1.1 文物保护的重要性
我国拥有丰富的文物资源,随着时间的推移,在自然因素和人为因素的双重作用下,文物势必会出现一定程度的损坏,这些损坏往往是不可逆的,文物信息一旦丢失将永远无法恢复,其中所蕴含的社会、文化和科学价值将不复存在,后人也将无法使用这些具有重要意义的文物信息,所以加强文物保护是文物工作者的首要任务,实现文物信息的永续利用意义重大。
1.2 文物三维数字化技术
1.2.1 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术又称高清晰测量(High Definition Survey-ing,HDS),它是利用激光测距的原理,通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息,将各种大实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中,进而快速复建出被测目标的三维模型及点、线、面、体等各种图鉴数据。
扫描过程中对物体全方位連续扫描,就能得到被测物体密集的三维散点数据,即为点云数据。图1为云冈石窟第9、10窟点云数据。得到点云数据后经过计算机建模得到被扫描物体的三维模型,进而可以对模型进行操作得到被扫描物体的几何信息。
依据承载平台的不同可划分为:机载型激光扫描系统、地面型激光扫描系统、手持型激光扫描系统。
1.2.2 近景摄影测量技术
近景摄影测量是借助于人眼的双眼视差,通过拍摄不同位置的物体照片,利用后方交会—前方交会法求区内外方位元素,并解析计算出像点在实际位置的地面坐标,进而解析出被测物体的三维模型。
1.2.3 3D打印技术
3D打印技术包括FDM熔融层积成型技术和SLA立体平版打印技术,在文物复制中主要应用的是SLA立体平版打印技术。在文物复制过程中,首先是使用三维数字化技术对文物进行三维数字扫描,使用工业级的SLA高精度3D打印机将文物的三维信息输出以达到文物复制的目的。3D打印机可以精确到0.001微米,从而能够精确复制出与文物一模一样的复制品,将文物的几何信息表现出来。图2-3为云冈石窟第3窟3D打印复制品。
1.3 文物三维数字化技术在文物保护中优势
文物三维数字化技术之所以在文物保护领域广泛使用,与其技术优势有很大关系,总结起来有以下优势。
1.3.1 精度高
使用三维激光扫描技术获得的点云数据的单点精度能够达到毫米级,有的甚至可以达到亚毫米级。
1.3.2 非接触
无论是近景摄影测量技术还是三维激光扫描技术,均不与被测物体接触,这样就可以最大程度减少对文物的破坏,保证被测文物的安全。
1.3.3 自动化程度高
三维激光扫描技术可以连续对设定区域内的物体进行扫描,期间不需要人为干预。近景摄影测量技术通过采集到的数据可以通过计算机程序自动生成文物模型。
1.3.4 对环境要求低
三维数字化技术抗干扰能力强,可以在更加恶劣环境下进行相关工作。
1.3.5 工作效率高
三维数字化技术与传统手工测绘技术相比测绘效率可以提高5倍以上。
1.3.6 采集范围广
三维数字化技术扫描范围广,最大扫描范围可达5000米以上。
2 三维数字化技术在文物保护中的应用
2.1 文物三维信息的采集与储存
想要更好地利用文物所蕴藏的价值,最重要的一条就是要将文物的信息保留下来,只有保留下文物的信息才能永久使用文物,但是实体文物湮灭的过程在现有的技术条件下是不可能停止的,也是不可逆的。使用三维数字化技术可以将文物的信息以数字化的形式永久保存,永续利用。
以数字化的形式保存文物信息,首先需要采集文物信息,目前主要使用的三维信息采集技术有三维激光扫描技术和近景摄影测量技术,使用这两种技术可以将现有的文物三维几何信息以数字化的形式保存下来,色彩信息可以采用摄影的方式保存下来。
文物信息采集完成后,以GIS平台的形式存储,在储存时可以以质地、形状及年代等条件去进行归类,管理工作人员利用GIS平台所具备的数据管理、展示功能,实现文物信息的自动检索、管理及展示等,减少了文物保护人员的工作量,提高了文物保护质量。
2.2 文物复制
三维数字化技术在文物复制中的应用主要是利用文物三维几何信息使用3D打印技术制作文物3D打印复制品。3D打印复制品有复制精度高、还原性强的特点。3D打印复制技术实现了文物的高精度复制,特别是实现了大型不可移动文物外出展览的要求。同时3D打印高精度复制品可以供游客参观使用,在一定程度上减少了实体文物在参观过程中的损坏,使实体文物得到一定程度的保护。   2.3 文物形变监测
三维信息采集技术具有精度高的特点,可以利用这一特点对文物前后变化做出对比,先后采集不同时期的文物三维信息,然后对比各个不同时期的文物三维信息数据,可以得出文物的变化特点。
2.4 文物病害调查
有些山体上的文物受条件所限无法近距离进行岩体病害调查,远距离三维激光扫描仪可以远距离高精度采集文物点云数据,生成模型,进行病害调查。
2.5 文物图像的制作
利用三维数字化技术可以在计算机中生成文物模型,利用文物模型可以生成文物的正射影像图、数字拓片、任意角度的文物剖图等图件,这些图件是使用传统技术手段无法得到的。图4、图5为云冈石窟第3窟剖图、菩萨头冠数字拓片。
2.6 文物虚拟修复
在考古发掘中会出土大量的残损文物,这些文物的修复工作繁重,即使有丰富经验的文物修复师也不可能一次性将文物拼接修复完成,需要多次重复的试验,这样就加重了出土文物的磨损,对于大型文物的修复拼接,人工更是无法完成。使用三维数字化技术将文物碎片进行扫描获取模型后,在计算机中进行虚拟拼接修复,这样既减少了对文物的磨损,又可以实现大型文物反复移动拼接,大大提高工作效率。
3 文物三维数字化技术对文物保护的作用
文物三维信息化技术对文物保护具有重要意义,具体的主要作用包括三方面:
①相关人员可以快速检索到文物三维信息,文物信息是进行文物保护、展示及收藏的首要,如果没有完整的文物信息,其他的都是多余的,利用三维扫描技术可以快速且准确地获取文物三维数据,而这可能是传统的信息技术所无法做到的。并且三维扫描技术中所用到的设备不会与文物的表面发生接触,从而保证了文物的完整性,在最大程度上实现文物保护作用。
②主要体现在文物复制方面,传统的翻模方法无法保证文物的完整性,对文物造成损坏是不可避免的,而运用三维数字化技术与3D打印技术以非接触式的形式采集到文物信息,然后建立数字模型,最后形成与原本文物一样的复制品,可以简化文物复制的程序,最大限度地保护实体文物。
③體现在文物修复方面,文物三维信息数字化技术可以进行文物修复,在成功获取三维数据信息完成数字模型后,在原本的数据基础上对器物数据进行模拟修复。在开始文物修复工作前,工作人员可以对复制后文物的形状预览,查看其是否符合目的,从而更好地制订文物修复方案。
总而言之,文物三维数字化技术在文物领域的应用对文物保护具有重要意义,在保证文物完整性的情况下,实现文物复制与文物修复,并且所形成的文物三维信息对再次文物修复具有重要的参考价值。在时间的推移中,自然因素与人为因素都会对文物造成一定的损坏,在进行文物保护工作时需要文物原始信息,使再次修复有据可依。三维信息数字化技术也是与我国的《文物保护法》的工作方针相符的。
4 结语
当前信息技术已经渗透到社会的各行各业中,三维数字化技术在文物保护工作中的应用是顺应时代发展需要的。文物是人类历史文明的遗产,随着时间的推移,文物不可避免会受到一定程度的损坏,文物三维信息数字化技术有效地解决了文物信息的湮灭问题,成为文物保护的有力手段,在一定程度上保证了文物信息的完整和永续利用。

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