文物三维模型研究及其在应用中面临的问题

侯妙乐，姜利利，胡云岗

（北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616）

文物三维模型研究及其在应用中面临的问题

侯妙乐，姜利利，胡云岗

（北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616）

三维信息留取技术的出现为文物数字化提供了新方法，在文物保护中发挥着越来越重要的作用。文章首先论述了文物三维模型的作用；然后从文物保护需求出发，以实际工程为例，重点分析了文物三维模型的自身特点及其在实际应用中面临的问题；最后指出，文物三维模型未来的发展与应用还将继续以数字化留取、病害检测、虚拟修复、变形监测、三维展示及三维力学分析等应用为主，兼容高精度、快速度及低价位的数据采集设备的研制，对促进文物三维模型的广泛应用意义重大。同时，信息安全技术集成也是促进文物三维模型在文物保护中的数据共享的重要研究方向之一。

文物三维模型；三维信息留取；信息安全；技术集成

文物是人类在历史发展过程中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹，历经几千年的沉淀和积累，具有了顽强的生命力及存在价值。然而，许多文物在留取下来的过程中历经沧桑，遭到了不同程度的人为及自然的损坏。目前已岌岌可危，亟须修复和复原。

文物测绘是文物保护中的一项基础且技术性要求极高的工作。传统的测量、绘图、摄影等手段限于自身的种种原因，只能获取三维文物的二维影像，而无法准确、详尽地呈现出文物的三维形态，不能为后续的文物数字化保存、病害检测、虚拟修复、三维展示及三维力学分析等应用需求，提供完整、详尽的资料支撑。而三维数字建模技术的不断发展，在很大程度上提高了文物信息获取的能力。尤其是随着三维扫描仪的出现，空间三维数据的获取有了突飞猛进的发展。

1 文物三维模型的作用

三维信息留取，又称三维数字化留取，是研究快速获取物体表面空间坐标，进而得到物体三维数字化模型的方法。随着三维建模技术的不断趋于成熟，三维信息留取成为文物数字化保护、修复及五千年中华文化弘扬和传承的有效手段之一。长期以来，科研工作者在该领域进行了广泛而深入地研究，并取得了许多重大成果。近年来，在文物考古领域也开展了一系列三维数字建模技术应用实践工作，如：已经竣工的大足石刻千手观音造像抢救性造像保护项目；故宫博物馆正在开展的古建筑数字建模项目；洛阳龙门石窟研究院利用三维建模技术建立的数字档案等，这些实践工作对于三维建模技术在文物考古领域的进一步开展都是有益的探索和实践。同时，也有力地说明了目前大量的三维数字产品模型也已经广泛而深入地应用到文物的协同研究及保护过程中。它不仅满足考古发掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的需求，有效地对文物遗产进行数字化保存、展示及保护，同时也为文物的数字测绘、辅助修复、考古资源管理以及虚拟现实等拓展应用提供了基础的技术支撑。

2 文物三维模型的特点

与一般的实体三维模型相比，文物三维模型数据自身特点显著。

2.1 数据量增大

文物是人类文明的瑰宝，蕴含着一个时代特有的精神价值、思维方式和想象力，是人类文明、文化与智慧的结晶[1]。我国有着五千余年灿烂的历史文明，文物遗存也灿若星河。尤其是大型的石质佛像、摩崖石刻、壁画等为人们广泛熟知并认同。

以重庆大足石刻为例，其宝顶山大佛湾8号龛的千手观音造像（图1）是我国最大的集雕刻、泥塑、贴金、彩绘于一身的立体型摩崖石刻造像，高约7.7 m，宽约10.9 m，正投影面积约84 m2，展开总面积达210余m2[2]。该造像以主尊观音为中心，呈辐射状在岩面上雕凿830只观音手（不包括造像中小佛的手），每只手心各有一眼，以表现观世音菩萨的法力无边与智慧无穷，部分观音手还执不同法器，在造像中下部还雕刻有胁侍与力士等。

图1 重庆大足石刻千手观音造像正射影像图（2008年制）

运用高精度扫描仪Romer对千手观音修复前后整龛进行了精细扫描，数据总量分别为301 GB(修复前）和151.2 GB（修复后），并在现场修复中某些特定时期的手进行了补充扫描，数据量为18.6 GB；运用Faro三维激光扫描仪完成千手观音整龛修复过程中2期数据采集，数据量达14.2 GB；对千手观音整龛修复前后进行纹理采集，其中前期纹理数据3 386张，数据量69.7 GB；后期纹理数据6 239张，数据量64 GB。在千手观音修复过程中也进行了2次局部的纹理拍摄，数据量为2 143张，40.4 GB。数据量之大，可见一斑。

2.2 结构更为复杂

文物是人类在历史发展过程中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹，文物考古、研究及保护是一项必不可少的、技术性很强的工作。随着三维数字化、计算机图形学等技术的不断精进，目前，已经具备了将实体精确地“复制”成计算机中存储的三维模型的能力。这样一来，研究人员就可以先行在虚拟三维模型上完成方案的制订、调整、实施、结果评价等工作，为实际操作提供试验材料及参考依据。

然而，与常规实体不同，文物形形色色，千奇百态，具有不相似、不对称特性。况且，我国古人多喜舞文弄墨，故凡绘画、雕刻之作品大多刻画细腻，布局精巧，分层分段，并装饰华丽，看起来场面宏大，气派十足。再加上随着时间的推移，大多文物都呈现出残缺、破损、不完整情形。至于受损部位、特征、程度，更是不可同一而论。如大足石刻千手观音，根据现场实地考察可知，手指断裂，金箔脱落、分层、开裂、卷曲、崩裂、起翘、空鼓等病害多样，特征各不相同（图2）。

图2 重庆大足石刻千手观音典型金箔病害展示

因此，与常规实体相比，要将文物实体精确地“复制”成计算机中存储的三维模型，就必须要面面俱到，将各类病症清晰、准确地呈现出来，进而为后续的病害统计、虚拟修复、保护研究提供最精准的数据。

2.3 数据处理过程更加复杂

文物三维数据处理主要包括点云预处理、三维建模、三维彩色模型构建。一般而言，文物体积都比较大，对大范围文物进行扫描时，为了保证能对数据进行全面采集，通常需要对扫描范围进行分区、分块，并根据划分规则对其命名（图3）。此外，对某些具有特殊构造的部分，有时候还需要进行额外的单独采集。因此，三维激光扫描测量一般要通过多站的扫描，才能获得整个被扫描物体的完整数据。然而，在数据处理的过程中，数据的拼接、合并等程序是不可或缺的。就一般实体模型而言，实体体积小，数据采集量也就小，因此在数据处理过程中，诸如数据拼接、分割、简化、合并之类的操作也就显得不那么必要。然而较一般实体模型，文物三维模型数据处理量大，数据处理过程也就相应地变得更为复杂。

2.4 精度控制更加困难

图3 重庆大足石刻千手观音分区与编号（2008年，局部）

中国文物一向以器宇不凡、恢弘大气著称，如上文所述千手观音，高约几米也不足为奇。因此，数据采集过程中，搭建脚手架辅以操作成了必不可少的程序，如图4，是重庆大足石刻千手观音三维数据获取方案设计。而在扫描过程中，只要脚手架存在微米级的晃动，都可能会导致扫描数据的分层，如图5，同一曲面出现红、蓝两层数据。这在一定程度上，为数据获取过程中的精度控制加大了难度。

图4 重庆大足石刻千手观音三维数据获取方案设计

图5 重庆大足石刻千手观音扫描数据分层情况

2.5 数据精度要求更高

文物是历史文化的沉淀，泱泱中华五千年文明，积累了无数的历史瑰宝。但随着时间的推移，在长期自然营力和人类活动的影响下，许多文物都出现了严重的局部破坏，亟待修复和复原。三维模型的一大用途就是为细微、潜在病害的识别及尺寸标注提供基础依据。如图6，在彩色正射影像图上，可以较清晰地展现出壁画裂缝、外部墙体裂缝、外部墙体病害的位置、范围等情况，能够帮助壁画保护修复工作者详细了解病害种类、损坏程度、分布规律等信息，深入探究病害产生机理，分析病害演化原因，以进行具有针对性的实行抢救修复工作。图7则是指借助相关软件，通过三维模型量算，即可获取文物的长、宽、高、面积、倾斜、扭曲等各方面信息，为文物的进一步研究奠定坚实、可靠的技术基础。

然而，文物三维模型数据处理是一个精细而漫长的过程。在这一处理过程中，无论是点云的数据拼接，还是点云的数据简化，又或者是点云的数据合并，对点云数据的每一步处理都伴随着一定精度的亏损。而文物三维模型是文物最精准的基础数据，是文物数字化保存、病害检测及后续虚拟修复工作的前提。因此，较一般三维模型，文物三维模型数据获取及处理时的精度控制则更为严格，信息要求也更为精细。

图6 彩画梁病害识别图

图7 重庆大足石刻千手观音手指三维量算

3 文物三维模型初步应用

原始点云数据是文物真实的三维数据，应用广泛。一则是最准确的基础数据，在实施文物的精确三维量算的同时，还解决了信息高精度保存的问题；二则当文物遭受到不可逆破坏时，可以为病害的标注与统计、文物的虚拟修复提供最有力的理论与实验支撑[3]；三则，通过对不同时期点云数据进行处理，可为文物的保护、病害检测、修复工作提供监测分析[4]；四则，文物三维信息留取的相关模型还可以为三维展示提供更好的数据原型，在普及文化知识的同时，也减少了对文物的人为破坏，达到保护文物的目的。此外，文物一直是考古及科学研究的重点对象，文物三维模型也为文物考古及科学研究提供基础资料与依据，为其进一步发展奠定基础。

4 文物三维模型使用中面临的问题

4.1 模型数据精度不易控制

三维激光扫描仪对施工现场的稳定性要求很高，尤其是高精度的扫描仪器，极其微弱的晃动都有可能影响到数据获取的精度。文物现场数据采集环境复杂，光线强度、空气湿度、地表温度、场地稳定性等，稍有异样，就会使数据精度发生改变。因此，测量得到的点云数据精度与理想情况下得到的数据精度存在差异。况且文物三维模型数据采集量大，多站扫描数据间配准、坐标系统一等过程都会存在误差的传播，进而引起数据精度的降低。因此，如何控制数据采集精度，减少不合格数据量成了文物三维在应用中面临的关键问题。

4.2 模型数据获取缺乏统一规范

文物三维模型数据获取缺乏统一规范。首先，文物是人类在历史发展过程中遗留下来的遗物、遗迹，不同时期的文物从不同的侧面反映着不同时期的人文关系，因此，风格迥异、形态不一，以文物创作的时代背景、创作特点为基础，来开展数据获取工作不容小觑。其次，施工现场复杂，不同文物所处环境更是不同，如何设站、如何扫描、如何采样、如何建模都没有一个固定的模式，须视具体情况而行。故而，文物模型数据获取缺乏统一规范，成了文物三维模型在其应用中面临的一大问题。

4.3 无法以用户要求逐级控制模型数据精度

文物三维模型的主要作用就是为文物三维信息留取、病害统计、三维展示、虚拟修复、变化检测、文化宣传及考古等多层次的应用及研究提供基础依据。然而，不同应用研究就会有不同的精度需求。一般来说，用于三维信息留取、病害统计、虚拟修复等应用的三维模型精度要求较高；而一般的文化宣传、三维展示之类的应用，精度要求相对较低。但是，精度不同，对点云数据的采集、数据建模及整个过程的成本要求也会随之而异。更何况，三维激光扫描仪器及建模软件昂贵、数据建模过程复杂，将耗费大量的人力、物力、财力。因此，如何以用户要求逐级控制模型数据精度，避免不必要的资金、人员的投入及浪费，将成为文物三维模型在应用中面临的又一重大问题。

4.4 模型数据广泛共享困难

4.4.1 仪器设备昂贵

三维激光扫描系统由三维激光扫描仪（图8、图9）、便携式笔记本电脑、数码相机、扫描仪控制平台、软件、数据处理平台及电源和其他附件设备共同构成，是一种集成了多种高新科技的新型空间信息数据获取手段。一般来说，一台三维激光扫描仪就要几十万，甚至上百万，造价昂贵。这在一定程度上，也限制了三维模型在文物保护中的普遍应用。

图8 Focus 3D三维扫描仪

图9 Romer便捷式关节臂

4.4.2 所有权保护面临挑战

文物是人类在历史发展过程中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹，是研究宗教、历史、文化、艺术及社会生活等诸多问题的重要历史资料。通过文物三维模型可以科学、准确地获取遗址的各类信息，数据留存的历史价值巨大。此外，如上文所述的有关文物三维模型数据获取困难、处理复杂等原因，对文物三维模型数据获取工作将耗费大量人力、物力、财力。故而，获取和重建的三维模型数据将非常宝贵。然而，在不法商徒肆意侵权、盗版行径日益猖獗的今天，数字化文物三维模型数据的产权保护面临着巨大压力和挑战，人们开始越来越关注数据信息本身存储的保密性、来源的可信性，甚至于传输过程中的完整性，使得信息安全、版权保护等问题变得愈发严峻。这也在很大程度上影响着文物三维模型数据的广泛传播与使用，成为制约文物三维模型数据广泛共享及产业化应用的重要因素之一。

4.4.3 文物三维模型数字水印技术难点多

正如上文所言，文物三维模型所有权面临巨大挑战。因此，基于文物模型知识产权标志及保护的数字水印研究将迫在眉睫。但鉴于三维模型较于文本、音频、视频及图像等更为复杂，对水印加密的要求也更高，目前研究还相对较少，进展比较缓慢。此外，虽然自1997年Ohbuchi等[5]第一次提出三维模型数字水印技术的概念以来，三维模型数字水印技术的研究已经取得了长足的进展，但鉴于文物三维模型自身特点（如精度要求更高、数据量更大等）显著，常规三维模型数字水印算法虽可以加以借鉴，但也不能完全照搬。因此，从文物三维模型的初步应用出发，结合文物三维模型自身特点及其在广泛使用中面临的问题，设计适用于文物三维模型的数字水印算法将是今后文物三维模型在文物保护中发展与应用研究的重点之一。

5 总结

文物三维模型在文物保护中的应用逐步深入，未来的发展与应用还将继续以数字化留取、病害检测、虚拟修复、三维展示及三维力学分析等应用为主。但是针对文物三维数据量大、精度控制困难等特点，提升数据采集设备精度、速度等性能，降低数据采集成本，对促进文物三维模型的广泛应用意义重大。此外，文物三维模型所有权面临巨大挑战，如何加快信息安全技术的集成，使数据安全问题得到有效解决，也将是文物三维模型发展与应用研究的重点之一。

[1]詹长法,徐琪歆.现代文物修复的思考:以千手观音造像保护修复为例[J]. 遗产与保护研究,2015,1(1):27- 34.

[2]侯妙乐,吴育华,张向前,等.基于关节臂扫描的文物精细三维信息留取[J].文物保护与考古科学,2014,26(3):94-98.

[3]侯妙乐,杨溯,胡云岗,等.A novel method for the virtual restoration of cultural relics based on a 3D fine model[J].Dyna,2015,90(3):1- 8.

[4]侯妙乐,李树坤,姜利利,等.A new method of gold foil damage detection in stone carving relics based on multi- temporal 3D lidar point clouds[J].ISPRS International Journal of Geo-Information,2016,5(5):60 .

[5]OHBUCHI R,MASUDA H, AONO M.Watermarking three-dimensional polygonal models[C]// In:Proceedings of ACM Multimedia 97.New York:ACM Press,1997:261- 272.

Research on 3D Model for Cultural Relics and Problems in Practice

HOU Miaole, JIANG Lili, HU Yungang
（School of Geomatics and Urban Spatial Information, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102616, China）

3D information retention, which emerges with 3D modeling technology, has a quick development in recent years. It not only provides a new method for digitization of cultural relics, but also plays a more and more important role in heritage conservation. First of all, the data source of 3D model for cultural relics is discussed. Then, starting from the actual needs of heritage conservation and taking a practical project as an example, the specific characteristics of 3D model for cultural relics and its problems faced in practical applications are analyzed. At last, it points out that the focuses of further development and application of 3D model for cultural relics will continue to be the digital retention, disease detection, virtual restoration, deformation monitoring, 3D display, 3D mechanical analysis and many other applications. However, development of data acquisition instrument which is compatible with high accuracy, fast speed and low price will contribute to the extensive application of 3D model for cultural relics. At the same time, integration of information security technology will also be the research hotspot to promote the further data sharing of 3D model for cultural relics in heritage conservation, as well.

3D model for cultural relics; 3D information retention; information security; technology integration

G112；P234.4

A

侯妙乐（1974-），女，教授，博士，主要研究方向为地理信息系统。E- mail:houmiaole@bucea.edu.cn.

“973”项目“复杂几何对象高精度数字化重建理论与方法”（2012cb725301）