一、方案綜述

根據(jù)數(shù)據(jù)獲取方式不同，文物三維采集項(xiàng)目可分為古建街區(qū)、洞窟佛像、器皿、遺址現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘等技術(shù)方案。

古建街區(qū)包含古街區(qū)內(nèi)的建筑、牌坊、古道古街等相關(guān)，屬于文物史跡，以各種類型建筑為主，一般占地區(qū)域較大，街道較窄，房屋間距小，與周邊環(huán)境聯(lián)系較為緊密。

洞窟佛像包括寺廟、石窟、石刻、大型佛像等，也屬于文物史跡，一般體積較大，不能或者不宜整體移動(dòng)，通常藏于山水之間，地理環(huán)境較為復(fù)雜，尤其石窟大多數(shù)都在山腹中，實(shí)地場(chǎng)景光照來(lái)源雜駁，對(duì)獲取高精度佛像及壁畫(huà)紋理信

息影響很大。

器皿等高精細(xì)文物包括陶器、瓷器、石器、銅器、玉石、繪畫(huà)等，屬于館藏文物和流散文物，特點(diǎn)是，體量小，種類多，尺寸、形狀、釉色、雕花圖案、歷史劃痕等信息十分重要，是判斷文物的產(chǎn)生時(shí)期、珍貴程度、收藏價(jià)值、修復(fù)方式等方面的首要依據(jù)。

遺址發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)分布于各種地貌地形條件下，對(duì)挖掘土層深度、出土文物確切位置等發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)現(xiàn)狀方面資料的獲取，提出了更高的要求，以便對(duì)文物考古現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、文物信息的提取等提供參考依據(jù)。

二、數(shù)據(jù)獲取設(shè)備

2.1 三維數(shù)據(jù)采集

根據(jù)文物項(xiàng)目的不同，在數(shù)據(jù)采集方面，需要使用不同類型的掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以滿足項(xiàng)目的需求。

（1）地面固定式掃描儀

掃描儀需要架設(shè)固定站進(jìn)行掃描，根據(jù)廠家品牌型號(hào)的不同，掃描距離一般在幾十米至一百米之間，在測(cè)量距離 10 米處，精度可以達(dá)到 mm(毫米)級(jí)別。

  
儀器特點(diǎn)：掃描范圍廣，主動(dòng)測(cè)量，不受光源因素影響，多用于古建街區(qū)、洞窟、遺址現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘等大場(chǎng)景類型的數(shù)據(jù)采集。

（2）高精度掃描儀

該掃描儀采用不同的測(cè)距原理，將掃描精度提高至亞毫米級(jí)，甚至微米級(jí)別， 數(shù)據(jù)采集精度非常高，多用于佛像、瓷器、陶器、石器、繪畫(huà)等對(duì)精度要求比較高的文物。

2.2 紋理數(shù)據(jù)采集

文物紋理信息在文物復(fù)原保護(hù)、展示等方面具有重要的作用，在復(fù)雜光場(chǎng)環(huán)境下采集完成完整、真實(shí)的紋理信息。

紋理數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量主要取決于兩個(gè)方面：一是相機(jī)及鏡頭的分辨率；二是專業(yè)的燈光設(shè)備及布光方案。

采用專業(yè)相機(jī)及鏡頭組合，可以獲取分辨率及色彩還原度更高的影像數(shù)據(jù)。專業(yè)的燈光設(shè)備及布光方案，則可滿足在洞窟、寺廟、遺址等場(chǎng)景光源雜駁、

過(guò)暗、偏色問(wèn)題嚴(yán)重的特殊環(huán)境下，模擬出穩(wěn)定的太陽(yáng)光照環(huán)境，有效解決采集光源不真實(shí)問(wèn)題。

三、方案分類

3.1 古建街區(qū)

古街區(qū)一般占地區(qū)域比較大，房屋密集高，胡同巷道比較多，而且寬度較窄， 由于古街區(qū)在當(dāng)?shù)貙儆跉v史遺跡，來(lái)參觀游玩的游客很多，街區(qū)內(nèi)人員流動(dòng)較為頻繁，交通情況比較擁擠。

在開(kāi)始掃描作業(yè)之前，需要對(duì)街區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解街區(qū)內(nèi)各方面的情況， 例如說(shuō)街區(qū)建筑分布情況、對(duì)街區(qū)作業(yè)有影響的天氣情況等等。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的踏勘和衛(wèi)星影像圖及規(guī)劃圖等資料分析，將使用地面固定式三維掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)街區(qū)屋頂或者其它超出掃描距離的地物，計(jì)劃采集數(shù)據(jù)方式有兩種方案，一是在街區(qū)周?chē)邔咏ㄖ攲舆M(jìn)行設(shè)站掃描，二是采用升降臺(tái)、腳手架等輔助升高機(jī)械器材進(jìn)行設(shè)站掃描，或者根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，將兩種方案結(jié)合使用。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

標(biāo)靶布設(shè)。為了保證后期數(shù)據(jù)拼接的精度，標(biāo)靶在布設(shè)位置要有方便識(shí)別、有利觀測(cè)等多個(gè)方面的考慮。

在掃描的過(guò)程中，根據(jù)掃描儀對(duì)回波數(shù)據(jù)的接收角度及點(diǎn)云間距，以及古街

區(qū)街道的長(zhǎng)寬等多方面的考慮因素，對(duì)街道兩側(cè)建筑進(jìn)行掃描。

掃描完成以后，需要檢查數(shù)據(jù)是否存在數(shù)據(jù)缺失及不合格的情況，并對(duì)以上情況進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)掃，最終完成整個(gè)街區(qū)的掃描數(shù)據(jù)。

紋理拍攝。對(duì)整個(gè)街區(qū)進(jìn)行紋理影像拍攝，其中有一些要求需要注意，例如拍攝時(shí)一般需要進(jìn)行試曝光，根據(jù)試拍結(jié)果調(diào)整相機(jī)參數(shù)，獲取的照片應(yīng)當(dāng)明暗適中，不能有過(guò)亮或過(guò)暗的情況出現(xiàn)；拍攝時(shí)應(yīng)避免陰雨天氣、中午、傍晚、夜間等光線變化較大或過(guò)亮過(guò)暗的天氣；根據(jù)紋理采集精度要求，以此計(jì)算拍攝距離、單張影像范圍；拍攝時(shí)應(yīng)當(dāng)以獲取目標(biāo)整體影像作為參考，然后逐步獲取細(xì)節(jié)影像，依據(jù)像片最外側(cè)會(huì)有畸變及分辨率下降的情況，相鄰相片重合率不應(yīng)低于 35%。

數(shù)據(jù)檢查。在數(shù)據(jù)采集工作的后期，需要對(duì)點(diǎn)云與紋理數(shù)據(jù)的有效性與完整性進(jìn)行檢查。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的檢查，對(duì)整個(gè)街區(qū)數(shù)據(jù)檢查是否存在數(shù)據(jù)缺失及不合格的情況，如有數(shù)據(jù)漏洞出現(xiàn)，可以立即進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)測(cè)。紋理數(shù)據(jù)的檢查，將獲取全部影像數(shù)據(jù)，需對(duì)照片做檢查，檢查紋理影像是否覆蓋完整，影像質(zhì)量是否合格，對(duì)于漏拍建筑和影像質(zhì)量不合格的建筑，需要補(bǔ)拍攝和重新拍攝。

3.1.2 掃描成果

3.1.3 成果介紹

3.2 器皿等高精細(xì)文物

器皿等高精細(xì)文物特點(diǎn)是種類多，體量小，它們的尺寸、形狀、雕花圖案等細(xì)節(jié)信息十分重要，是判斷文物的產(chǎn)生時(shí)期、珍貴程度、收藏價(jià)值、修復(fù)方式等方面的首要依據(jù)。

3.2.1 高反光高精度掃描

很多器皿類文物并非由單一的材料制成，金屬制品往往都是合金的，成分不純的金屬制品為數(shù)眾多。而這些金屬器皿具有強(qiáng)烈的高光和反光，在使用普通掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于其反光特點(diǎn)，很多激光數(shù)據(jù)接收不到，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)漏洞。

使用高精度彩色掃描儀，可以在短時(shí)間內(nèi)能完成器皿類文物的精密測(cè)量并輸出高精度、高分辨紋理信息的三維數(shù)據(jù)，通過(guò)不同的測(cè)量原理，和一些人為輔助手段，在高反光的情況下，采集到高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)，從而解決這些問(wèn)題。

3.2.2 器皿類紋理拍攝

燈光的運(yùn)用。對(duì)器皿類文物拍攝，使用的照明燈具是電子閃光燈，電子閃光燈是冷光源，一般不會(huì)對(duì)文物產(chǎn)生損害。

主要輔助器材的使用。三腳架在專業(yè)拍攝中，有利于構(gòu)圖和調(diào)焦， 避免因手持拍攝而引起的抖動(dòng)，可以確保紋理的清晰度；測(cè)光表負(fù)責(zé)調(diào)解光源強(qiáng)度等。

不同質(zhì)地器物的拍攝。例如青銅器、陶器、瓷器、玉器等，文物的質(zhì)地不同、形狀不同，拍攝時(shí)使用的器材不同，拍攝方法也各不相同，運(yùn)用的光線也不一樣。拍攝度。文物的拍攝般是在畫(huà)面居中的位置，要注意透視問(wèn)題，保證每張紋理主要拍攝目標(biāo)不變形。

3.2.3 成果介紹

3.3 遺址現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘 

 遺址發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)分布于各種地貌地形條件下，環(huán)境復(fù)雜，當(dāng)前氣候變化加劇，地震洪澇等災(zāi)害頻繁發(fā)生，考古工作的緊迫性日益加劇，對(duì)挖掘土層深度、出土文物確切位置等發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)現(xiàn)狀方面資料的獲取，提出了更高的要求，以便對(duì)文物考古現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、文物信息的提取等提供參考依據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)快速拼接、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽等，及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘信息快速傳輸至信息中心，進(jìn)行信息記錄和分析。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 文物電子檔案

通過(guò)對(duì)文物的數(shù)字化工作，可獲得真實(shí)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，依據(jù)點(diǎn)云處理技術(shù)、三維建模技術(shù)等制作出高精度三維模型。

文物的三維點(diǎn)云、高精度模型可以表現(xiàn)出真實(shí)三維尺寸，是文物保護(hù)分析和修復(fù)的步，三維掃描數(shù)據(jù)的獲得，積累了文物最原始的精確尺寸數(shù)據(jù)，利用掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)及高精度三維模型精確測(cè)量文物任意位置的長(zhǎng)度、面積等，并且可以地了解文物形貌特征。這不僅是傳統(tǒng)的、單一的照相及繪圖技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而且對(duì)于原物不會(huì)造成二次破壞，同時(shí)，對(duì)于文物病害的展示，也是最直觀的方式。

建立文物電子檔案以后，工作人員可以不進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地，不用靠近文物，不接觸實(shí)體文物，可以準(zhǔn)確掌握文物現(xiàn)狀，詳細(xì)了解文物的病害情況，并開(kāi)展文物保護(hù)分析、研究工作和制定保護(hù)方案等。

4.2 遺址現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘真實(shí)記錄

遺址發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)，是發(fā)掘出土文物保護(hù)的步，是影響整個(gè)文物保護(hù)質(zhì)量的關(guān)鍵一步，除了設(shè)法控制發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境突變，必須要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行全面認(rèn)真的調(diào)查和記錄，例如出土文物的數(shù)量、類別、形狀、顏色、保存情況、在墓葬中埋藏的層位、深度等，傳統(tǒng)的文字記錄、照相等技術(shù)在工作效率、數(shù)據(jù)精確度等方面已經(jīng)滿足不了日益增長(zhǎng)的需求。

三維掃描技術(shù)可以獲取多角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，記錄并且保存發(fā)掘過(guò)程中的信息數(shù)據(jù)，包括層高信息、出土文物的層位和深度、文物之間的空間關(guān)系等，能夠真實(shí)記錄文物發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)，再現(xiàn)考古發(fā)掘前后的遺址原貌，這是考古學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。

三維掃描技術(shù)在遺址發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)除了對(duì)原始環(huán)境三維信息的記錄與保存，對(duì)現(xiàn)存數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較等功能，還可以利用三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)等對(duì)遺址進(jìn)行建模、渲染等實(shí)現(xiàn)三維遺址重現(xiàn)，并且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬瀏覽。

4.3 文物虛擬修復(fù)與翻模復(fù)制

利用已有掃描數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史資料，在數(shù)字空間進(jìn)行模擬修復(fù)，可以預(yù)覽修復(fù)完成的形貌，相比現(xiàn)有純?nèi)斯し绞礁鎸?shí)，精度更高，可作為考古分析資料， 這對(duì)文物修復(fù)方案的制定實(shí)施都有著指導(dǎo)作用。同時(shí)，模擬修復(fù)還可以避免由于實(shí)際修復(fù)操作過(guò)程中反復(fù)比對(duì)、拼接對(duì)文物造成的二次破壞。

 
 在傳統(tǒng)方法中文物的復(fù)制往往是在原物上進(jìn)行翻模，這在一定程度上對(duì)文物

的表面造成危害，特別是一些脆弱的易損壞的部分文物容易在翻模過(guò)程中發(fā)生無(wú)法彌補(bǔ)的損失，而應(yīng)用三維掃描技術(shù)，可以在非接觸狀態(tài)下為文物建立數(shù)字模型， 通過(guò)成型技術(shù)得到高精度的復(fù)制品，這樣大大簡(jiǎn)化了文物復(fù)制的程序，而且最重要的是不對(duì)文物進(jìn)行任何破壞。

4.4 文物宣傳視頻與虛擬展示

依據(jù)真實(shí)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)三維建模技術(shù)、CG 動(dòng)畫(huà)技術(shù)等制作出高真實(shí)模型，并且模型數(shù)據(jù)量大幅度減少，可用于影視作品的制作、大場(chǎng)景的虛擬展示等。