馆藏文物三维影像的采集、管理与应用

刘芳　谢靖

摘  要：文章對藏品影像为核心的数字资源的采集、管理与应用进行研究。首先论述了馆藏文物三维影像资源的采集标准、流程与方法，重点介绍了三维数据采集在模型构建、色彩管理和后期精细化处理等过程中的注意事项。然后从数据采集、存储、管理、分发和逻辑管理机制方面，论述了藏品影像资源的特征及资源管理平台的功能架构和建设思路。经过论证后认为，该方法对数字资源的采集、管理与应用流程的完善具有推动作用。

关键词：博物馆;文物;三维采集;影像管理

中图分类号：G260       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）09-0113-04

Collection，Management and Application of 3D Image of Cultural Relics

LIU Fang1，XIE Jing2

（1.National Museum of China，Beijing  100006，China;

2.National Science Library，Chinese Academy of Sciences，Beijing  100190，China）

Abstract：This paper studies the collection，management and application of digital resources with collection image as the core. First of all，this paper discusses the collection standards，processes and methods of 3D image resources of cultural relics，focusing on the three-dimensional data collection in the process of model construction，color management and fine processing. Then，from the aspects of data collection，storage，management，distribution and logical management mechanism，this paper discusses the characteristics of the collection image resources and the functional framework and construction ideas of the resource management platform. After demonstration，it is believed that this method can promote the collection，management and application of digital resources.

Keywords：museum;cultural relics;3D collection;image management

0  引  言

博物馆是保护与传承人类历史物质文化遗产的重要场所。在近些年数字化发展的过程中，藏品的影像采集工作已进入到稳步开展的状态中，做了大量的相关工作。三维影像能够更加直观、精确地展示文物的原貌特征，便于博物馆藏品研究、展示、修复、鉴定、文创等各项工作的开展。随着三维采集技术的不断普及，除去常规的二维数据采集外，文物的三维数据采集也逐渐受到重视。例如，敦煌博物馆联合国际先进研究机构最早开始洞窟的三维数据采集工作并实现了30个洞窟的在线展示[1]。故宫博物院先后制作了数字多宝阁、“发现·养心殿”等三维展示应用[2]。在中国国家博物馆“智慧国博”（2019—2021）宏观规划项目中，馆藏文物的三维数据采集是其中重要的组成部分，已组织专门人才队伍并作为常规化的重点工作落实执行。在经过前期的技术培训、设备采购、场地布置、规章制度建设和标准制定等准备工作后，数据采集工作在有条不紊地进行。目前已完成馆藏三百件精品铜镜的试点采集工作。馆藏一级文物的三维影像采集工作已于2019年年底展开。鉴于三维数据体量大、数据类型多元化的特点，基于统一的数据管理标准创建数字资源管理平台，实现数字资源的可持续保存和应用具有重要的研究意义。本文首先论述了三维文物影像的采集规范和流程，然后结合博物馆数字资源特点提出了数字资源管理系统的建设方案及应用模式。

1  藏品三维影像的采集规范与流程

1.1  藏品三维影像采集的重要意义

三维数字采集在不接触文物的前提下，实现文物高精度的数字化转换，对文物的保护和应用具有重要意义，主要表现在以下几个方面[3]：（1）文物修复和研究。三维数字模型可按照比例缩小和放大，便于研究人员研究文物的局部精细结构、瑕疵和病害等特征，辅助文物鉴定。同时还可在数字模型或打印模具上进行修复方案的试操作和残片复原，避免对文物造成二次伤害;（2）文物的数字化展示。三维影像展示在近几年的展览中成为一种常见的展览形式，例如“近藏集萃——中国国家博物馆新入藏文物特展”中宋代彩绘木雕观音菩萨坐像的4K高清展示、“三山五园文化巡展——圆明园四十景图文化展”中十二生肖兽首喷水的全息投影等，能有效提高观众与文物的互动性;（3）文创产品研发。三维影像与3D打印技术的广泛普及，降低了模具塑形的难度，提高了文创产品的研发速度并使其更接近于原型;（4）文物的数字化灾备。文物是人类的文化遗产，但由于老化、自然灾害、战争、经济衰退、保存技术不当等因素，极易造成不可恢复的损毁，具有较强的脆弱性和不可再生性。三维数据能够在文物损毁后准确地再现文物原貌，为后代提供研究素材。

1.2  藏品三維影像的采集流程

藏品的三维影像采集流程与步骤如图1所示，总体可以划分为三维数据测量与模型构建、二维数据采集与色彩管理、纹理贴图与精细化处理三个主要的数据处理工序，其中，标准模型为数据加工处理后得到的三维建模模型，不包含藏品的纹理数据。经过UV贴图后，可得到含有藏品纹理数据的完整的三维精细模型。这一部分将对藏品的采集流程依次进行介绍。

1.2.1  三维数据测量与模型构建

鉴于对文物影像采集“非接触”的严格要求，经过多次尝试，优先选用三维激光扫描仪作为主要采集设备，利用线结构光源光传感技术主动获取物体表面的三维数据。在扫描过程中，须由藏品管理员将待采集文物固定在专门制作的旋转平台上匀速旋转360°，依次从多个视角完成每个截面的点云数据采集。在扫描前，需要对文物进行标志点选取和点云配准以保证三维坐标成像的准确性。在扫描的过程中，操作人员可通过监视器查看数据模型的成像情况并依据成像情况调整扫描角度。在审核合格后，可换上另一件文物，并将数据模型传递到下一道工序的操作平台。原始数据点云数量多密度大，采集点之间的距离小，且含有大量的噪音数据，在贴图前需通过人工方式实现原始数据的截面拼合、空洞修补、点云压缩等精细化处理以还原数据模型的真实形态。

1.2.2  二维数据采集与色彩管理

二维纹理数据采集包括顶部、底部、环绕角度和局部等方位。环绕角度同样采用基于旋转平台的360°匀速旋转的方式采集，拍摄视角包括中部、中上方和中下方。每旋转15°拍摄1张截面图，同一视角拍摄24张。二维纹理数据采集与传统的二维影像拍摄存在不同，后者讲求拍摄角度、打光特效等摄影技术，涵盖摄影者的审美风格，达到艺术渲染的目的，而二维影像拍摄要求使用无影的打光效果，以求最精准地反映藏品原貌[4]。色彩管理通过使用颜色卡等工具，保证在数据采集场地内色彩与感官的一致性。

1.2.3  纹理贴图与精细化处理

纹理贴图通常使用专业的三维制图软件，借助软件的透视投影进行计算和人工矫正，实现数据模型的三维坐标和颜色坐标进行点对点匹配。为充分还原文物的质感，需迭代性地重复进行精细化修整，是人力和时间成本最高的一项工序，生成的数据模型在通过终验后转化为统一格式存储至数字资源管理平台。

1.3  藏品三维影像采集的管理规范

三维数据采集作为一种新兴的应用技术，在地理和建筑、石窟测绘方面应用广泛，已形成了较为完整的数据管理规范，如自然资源部中国地质调查局颁布的《三维地质模型元数据标准》[5]、山西省和河南省分别针对石窟文物颁布的《石窟寺三维激光扫描数字化采集技术规程》等[6]，为数据的建模和应用提供了重要的参考依据。对于可移动文物，相关的标准研究也在进行中，例如河北省标准化研究院等单位合作制定的《金属类可移动文物三维数据采集规范》[7]。中国国家博物馆将在2019年国家重点研发项目“重大自然灾害预警与防范”承担的课题项目[8]中，基于工作经验对三维数据的采集和管理规范提出参考性指南。这一部分从数据精度、数据存储、软硬件环境、技术难点和管理条例方面，概述文物数据的管理规范。

1.3.1  三维数据采集的精度要求

为避免数据的重复采集损伤文物，对原始数据首次采集的精度要求较高。对于三维模型，从点云的覆盖率、点云和三角网模型的正确性等角度进行考量，成像误差应控制在1毫米的范围内。对于复杂文物需拆分构造单独采集。对于纹理数据，清晰度应大于2 200万像素，保证构图正确、有效率大于90%且符合色彩管理要求。对不同材质、器型和体积的文物，由于采集条件所限，采集精度标准略有不同。

1.3.2  三维数据的存储要求

制作完成的三维原始数据将以“三维模型（OBJ/MTL）+二维纹理（RAW）”的无损格式存储。然后根据应用情景，分三级进行有损压缩。复制级用于文物的器型研究、仿真复制、鉴定和修复等;展示级用于数字展示的制作素材;浏览级用于手机终端和线上数字展示的制作素材。为保证数据安全，需分别对4种级别设置访问权限，高精度的复制级、展示级和原始数据需经过授权许可流程后才可访问和使用。

1.3.3  设备、人员与场地要求

三维数据采集使用的器材主要应用光学原理，应合理避免其他光线对成像效果的影响。同时考虑到文物安全，将离库房较近的地下操作间选作拍摄场地。文物的出库、拍摄和入库全程由专门保管人员操作和监督。除三维扫描和二维影像拍摄的负责人需在场地内检查成像效果外，数据审核员、纹理贴膜及后期处理员在另外的房间工作。通常，拍摄一件文物需要40至60分钟，后期处理需要2倍的时间。不同材质、器型、体积的文物需要不同的拍摄设备。为此，我馆选择了租赁设备的方式进行拍摄，并在制定方案时将近似的文物划分至一组立项。

1.3.4  三维数据采集的技术难点

半透明材质和具有反光属性的文物会造成光信号反射和散射的特殊反应，一般的三维扫描方法很难获得其三维坐标信息并重现其表面的真实感光特征。这为玉器、牙骨角器和瓷器的三维数据采集带来困难。对于器型复杂的文物，需要单独制定数据采集方案。典型案例如我馆收藏的青铜冰鉴，由鉴与缶两部分组成，形体壮伟、纹饰复杂、内刻铭文、机关精妙，数字化重现其所有空间结构存在一定难度。

1.3.5  三维数据的管理条例

在三维数据的采集、管理和应用中，需要针对文物的搬运、人员的工作职责、数据的生命周期（采集、加工、存储、授权、应用）建立严格的管理机制和管理条例，保证数据采集工作快速、协调、有序、安全地发展。避免数据采集和存储标准不一致、人员混乱、文物损毁、重复投资建设等严重问题的出现。

2  藏品数字资源管理平台建设

2.1  藏品数字资源特征分析

藏品数字资源具有以下特点：（1）以藏品的二维影像、三维影像、视频等多媒体资源作为主要存储类型，而传统图书馆、档案馆以文献记录作为主要存储类型;（2）不同类型的多媒体资源由于采集设备和来源渠道不同，存在多种编码方式;（3）为避免重复从库中提取文物造成损害，数字资源具有采集精度高、数据容量大、存储资源消耗多的特点;（4）与知识描述紧密关联，需要对数字媒体与相关文本知识关联进行标注;（5）为适应展厅、网站、手机终端等多种展示要求，数字资源需支持不同比例与分辨率的压缩，满足不同环境场景下的传输与展示。根据藏品数字资源的以上特征详细论述了数字资源管理平台的设计思路。

2.2  藏品数字资源管理平台的主要功能架构

数字资源管理是一系列对数字信息进行持续管理和维护的活动，目标是为了确保数字信息的长期存活，保证数字信息真实可信，能够被使用者理解和应用[9]。为达到上述目标，数据管理平台应该在以下5个方面提供功能支撑[10]：（1）需具有数据摄入功能，可以创建和抽取必要的元数据实现数据的保存与管理;（2）为存储对象的呈现信息提供存儲框架，可以对其呈现信息进行管理和应用;（3）具有技术监测功能，可以对存储对象的呈现信息及其相关的技术依存关系进行监测，当发现存储对象的呈现技术过时时，能够提示需要采取的技术应对措施;（4）为存储对象的数据呈现提供软件支撑，能够对检索到的存储对象进行正确呈现;（5）具有操作记录功能，能够记录元数据的变化和其他系统信息。为实现上述要求，数字资源管理平台的功能架构如图2所示。

2.2.1  数据采集模块

数据采集模块要求在存储对象摄入的过程中能够自动抽取元数据、识别文件格式、并对照相关的文件格式规范对存储对象进行校验，判断数字对象是否符合合适规范的要求。通常需要集成相关的插件工具来实现该过程。在存储对象校验完成后，要求为其分配唯一标识符。唯一标识符是一个重要的管理机制，能够保证存储对象在物理位置发生变化的情况下迅速确定其位置。

2.2.2  数据存储模块

具备存储结构管理功能，根据存储管理策略、存储请求、安全策略等，将存储对象保存在正确的媒体上。具备错误检查功能，保证存储对象的组成部分在数据库或者内部数据传输中不会出现损坏，并向数据管理模块提供对媒体设备、存储容量以及使用情况的操作统计，生成日志和报告。具备灾难恢复功能，通过存储冗余数据的方式实现数据恢复。常见方式如异地灾备、可移动存储等。具备技术监测功能，定期对存储对象的相关呈现信息进行扫描，确保在技术过时时提供预警。

2.2.3  数据管理模块

数据管理模块通过制定技术策略和管理机制，保证应用软件、工作流程、计算机硬件和存储体系的协调性。具备管理存储对象和元数据的功能，确保二者关系的有效关联。在数据库出现问题的时候，能够从存储对象的呈现信息中恢复元数据及其关系。提供审计和监测功能，确保数据的导入、导出、查询和访问等功能的顺利进行。

2.2.4  数据分发模块

具备数据查询和检索功能，借助元数据、缩略图、部分节选内容的索引和查询体系，帮助用户发现需要的存储对象。具备访问控制功能，响应用户的存储对象访问请求，并根据用户的资源访问权限，将符合需求的请求结果传送给用户。具备数据呈现功能，将存储对象的字节流转化为能够为用户提供知识内容的有意义的信息。

2.2.5  逻辑管理机制

具备内容模型构建功能，通过定义内容模型，将多个不同类型的存储对象组织成一个逻辑上完整的对象，用以解决一个存储对象由多个不同类型的存储对象组成的情况。例如一件藏品包含多张从多个不同角度拍摄的二维图片。具备存储逻辑管理功能，能够利用数据库（关系数据库和非关系数据库）、分布式文件系统（如Hadoop、HDFS）或云存储的方式，管理底层的数据存储系统。

3  结  论

数字技术的发展对博物馆的传统工作方式产生了巨大的影响。在新形势下，展览展示、文物修复、文创产品的研发等都需要强大的数据基础提供支持。博物馆一方面应该加大资源管理平台的建设力度，促进文物影像资源的共建共享，充分发挥其经济及艺术价值，为社会服务。另一方面，应该建立有效的影像版权管理机制，保护自身权益不会受到侵犯。文物数字资源的建设应成为一项长期工作持续开展和完善。

参考文献：

[1] 敦煌研究院.数字敦煌 [EB/OL].[2020-04-20].https：//www.e-dunhuang.com/.

[2] 欧阳宏.故宫院藏文物的三维数据采集与应用 [J].数字图书馆论坛，2019（7）：48-53.

[3] 马玉静.三维激光扫描技术在国家博物馆的应用初探 [J].北方文物，2016（2）：108-110.

[4] 宗立成.文物三维数字化设计及其实验方法研究 [J].文物保护与考古科学，2018，30（2）：127-132.

[5] 王想红.《三维地质模型元数据标准》发布实施 [EB/OL].[2020-05-25]. http：//www.cgs.gov.cn/gzdt/zsdw/201912/t20191217_499210.html.

[6] 中国新闻网.山西发布首例石窟寺文物三维数字化地方标准 [EB/OL].（2019-11-11）.http：//www.chinanews.com/cul/ 2019/11-11/9004418.shtml.

[7] 河北省标准化研究院.我院与石家庄铁道大学合作完成《金属类可移动文物三维数据采集规范》初稿 [EB/OL].（2019-12-12）.http：//www.hebstd.net.cn/xinwendongtai/yuanneixinwen/

2019-12-12/6774.html.

[8] 中华人民共和国科学技术部.关于对“重大自然灾害监测预警与防范”重点专项（文化遗产保护利用专题任务）2019年度项目申报指南征求意见的通知 [EB/OL].（2019-03-20）.http：//www. most.gov.cn/tztg/201903/t20190320_145773.htm.

[9] National Archives. Digital Preservation Strategy [EB/OL].（2017-06-08）.https：//www.archives.gov/preservation/electronic-records/digital-preservation-strategy.

[10] WHEATLEY P. Institutional Repositories in the Context of Digital Preservation [J].Microform & Imaging Review，2004，33（3）：135-146.

作者简介：刘芳（1985—），女，汉族，河北保定人，馆员，硕士，研究方向：博物馆数字化建设、数据组织、数据存储与服务;谢靖（1983—），男，汉族，河南洛阳人，副研究馆员，硕士，研究方向：大数据计算、数据组织、知识图谱、用户画像。