三维扫描技术在文物保护中的应用探讨

张文

摘 要：文物保护是社会研究和人类历史研究中的重点领域，近年来兴起的三维扫描技术，在文物保护中有着积极的作用，逐渐成为数字化文物保护的重要手段。文章在研究分析三维扫描技术原理与核心设备的基础上，结合现阶段三维扫描技术的应用现状，重点探讨了该项技术在应用过程中的技术路线与关键流程。

关键词：三维扫描技术;文物保护;点云;建模

我国是一个拥有着几千年灿烂文明的国家，留存至今的文物数不胜数，文物保护是国家历史研究的重点领域之一。历史文物沉淀了一个国家的文化和共同记忆，通过文物研究可以探索过去的历史。如何借由高效、准确的方式，既保护文物本体，又实现文物的展出，是文物保护工作的一个重点研究课题。传统的测量方式过于简陋和笨拙，同时呈现的方式单一，远不能满足现阶段文物保护的需求。三维扫描技术是近年来文物保护领域应用效果较好的一种技术，其以非接触、高精度采样和快速建模等特点，在数字化文物保护中发挥了越来越重要的作用。

1 三维扫描技术简介

1.1 三维扫描技术原理

在文物保护中应用三维扫描技术，其基本原理是利用激光测距技术，并结合动态测量系统，实现数据的采集和建模再现。这里的仪器既包括激光扫描仪，又包括与之相关的组合测量装置、相机、传感器以及安装有专业数据处理软件的计算机等。

三维扫描技术基本原理是激光扫描仪向文物射出激光脉冲，在其表面产生漫反射，反射的光束由专业的观测设备采集，通过计算两者的时间差，求得扫描仪到物体的距离。借助于专业的数据处理软件，应用测角系统和三角高程原理，得到扫描对象的激光反射强度和三维坐标，进而建立起三维几何模型。最终通过色彩和纹理贴图，呈现出更加真实、生动的文物模型。

1.2 三维扫描核心设备

作为三维扫描技术的核心设备，三维激光扫描仪按照扫描空间和搭载方式的不同，大体分为固定式、手持式、机载式和车载式等;按照测序原理不同，又可分为光学三角测量、脉冲式、相位差式等。其中脉冲式激光扫描出现时间最早，测量范围在几百至几千米之间，但是精度较低，只能达到厘米级;相位差式三维扫描仪可以扫描几十米距离的物体，精度较高，可达毫米级;光学三角测量仪使用三角几何关系进行测量，距离最近，精度最高达到亚毫米级。

2 三维扫描技术在文物保护中的应用现状

2.1 三维扫描技术优势

2.1.1 利用三维扫描可以实现单点采集向批量采集的转化

单点式采集不可避免地存在抗干扰能力弱，误差大，工期长，效率低等缺陷。在文物的测绘和保护过程中，需要工作人员开展大量的高精度活动，这也导致了传统的单点式采集与文物保护需求之间的矛盾。传统的测绘方式难以得到精确数据，进而导致后期数据处理的误差，影响了文物考察和保护工作。另一方面，受采集模式的限制，单点式采集无法实现多角度数据的精准对比，难以建立可信的高精度三维立体模型。

文物中存在大量的体积巨大、难以移动的建筑类文物，依靠传统的测量方式，难以得到全面精准的数据，从而无法反映建筑物外围的空间关系。与此同时，作为一种难以移动的文物，建筑物的测绘只能在室外进行，受到外界条件的制约较多。引入三维扫描技术后，可实现批量式、连续性的数据采集，采集周期短，效率高，数据密度大，抗外界干扰能力强。三维扫描技术更加贴合文物的实际情况，保证了最终成果与文物实体的一致性。

2.1.2 利用三维扫描可以实现外业测量向内业测量的转化

大型雕塑和大型建筑都往往需要较多的人力投入室外测量工作，测量工作量大、误差大。同时在攀爬和搭建脚手架的过程中，不仅存在一定的危险性，还可能对文物的完整性造成损害。南方梅雨季节和西北的风沙环境都可能影响测绘进度，进而影响工期。利用三维扫描技术，可以实现高密度的测绘工作，结合计算机处理得到同比例的测量模型，实现了测量工作的内业化，大大改善了测量的工作环境，降低了工作强度。

2.2 三维扫描技术国内外应用现状

20世纪60年代发明了激光技术，随着激光技术的不断成熟，三維激光扫描技术逐渐应用于建筑、采矿、医学等诸多领域。美国、法国、瑞士等诸多海外国家均成立了规模较大的三维激光扫描系统研发企业，在三维扫描技术的原理研究和关键设备生产中形成优势。三维激光扫描技术在20世纪欧美国家中率先投入使用，相对的研究也更加深入，在文物保护领域的应用案例更多。较为知名的项目是美国2003年数字化米开朗琪罗项目，华盛顿大学和斯坦福大学选取了10件著名的雕像进行扫描，得到了2亿个面片及海量的照片，成功地对上述雕像进行了三维复原。德国汉堡大学于2004年使用激光扫描技术，对两座大厅进行了全方位的扫描，得到数字化二维平面布局和三维模型。2015年有学者对LasCuevas遗址进行了三维扫描，重点探讨了相移变化。2016年，国外学者利用三维扫描技术对瑞士高山地区的石版画进行了侵蚀研究。

在数字化文物保护的浪潮下，国内众多的文物保护团体和文物保护单位也纷纷采用三维扫描技术。故宫博物院与日本单位合作，建立了故宫数字模型，结合虚拟现实技术和三维扫描技术，构建了故宫建筑群数据库。2007年，秦始皇陵兵马俑博物馆运用三维扫描技术，对2号坑进行了数字建模。首都博物馆借助成立的文物保护分析实验室，对馆藏的100余件文物进行了三维扫描和数字建模。2010年，国家“指南针计划”使用三维激光扫描和传统手绘相结合的技术，对北京先农坛太岁殿整体结构和彩色装饰等进行三维数字化重现。

3 三维扫描技术在文物测绘中的应用

3.1 技术路线与流程

应用三维扫描技术辅助文物保护的常规路线分析如下：①扫描现场的勘测与分析。应了解需保护文物周围的作业环境，大致描述扫描对象的空间分布及外在形态，确定扫描点的位置及标靶等。②根据勘测信息确定扫描技术方案。三维扫描技术方案中应包含二维扫描仪型号、数据采集方案、控制点空间布设、成果类型、项目进度控制方案和数据处理等。③开展野外作业，获取数据信息。④依据获得的数据进行拼接、滤波、模型构建等，最终形成所需的数字化成果。

3.2 点云去噪

运用三维扫描技术对文物进行数字化处理，主要的环节包括数据拼接、数据去噪、简化处理、压缩分割与三维模型建立。文章重点对点云去噪、简化压缩和模型建立三个环节进行分析。

激光点云数据按照点云的空间位置分布，可以分为扫描线点云、阵列式点云、三角化点云和散乱点云四类。采集文物时获得的三维激光扫描数据为散乱点云，通常扫描之后的原始数据存在大量噪点。如果不对其进行有效剔除，将会影响后续体征点的提取和模型曲面的光滑度。噪点产生的主要有以下三个原因。

①文物本身的特性：文物的材质、外形、颜色、平滑度及反光度等。

②三维扫描观测系统：扫描过程中的微小震动、三维扫描仪工作特性、相机的分辨率等。

③介质是否存在明显干扰，主要包括抖动、遮挡和触碰等。

如扫描的对象是可移动的小型文物，依照扫描过程的噪点分布，大体分为两个类型：一种表现为噪点远离文物本体，明显偏离数据集，震动幅度大，可手动去除;另一种表现为混杂在数据集中，振动幅度小，需借助于专门的算法才能剔除。对于古建筑、雕塑等大型不可移动的文物，其三维扫描得到的点云数据相比前者明显提升，应将远离目标文物的点云去除，同时对于遮挡形成的障碍物也要去除。

通过三维扫描技术对得到的离散点进行滤波，首先需要操作人员手动框选，将远离数据本体的外围离群噪点去除，然后借助于网格化处理技术，对密集的点云进行滤波，这一过程中常用的算法包括平均曲率流算法、双边滤波法、邻域平均滤波法和拉普拉斯算法等。①

使用拉普拉斯算法进行处理，主要是将异常的高频噪声集中起来，借助于多次迭代方式将这部分数据点逐渐扩散，最终达到光滑去燥的目的。拉普拉斯算法最大的优势在于计算简单，但是随着迭代次数的吸收，点云的网格体积会快速下降，最终导致三维模型模糊化。

使用双边滤波算法处理，核心原理依然是高斯函数，利用空间分布的非线性滤波函数将点和数据进行图像化处理。有国外学者分析了非线性滤波的特征，并总结归纳得到基于网格模型的双边滤波算法、算子，该种方式的优势是能够在去除噪声的同时保持模型的特征，不足之处在于双边滤波去噪算子过分依赖局部特征，去除严重干扰噪声的效果较差，主要表现在多次迭代后去除效果难以控制，可能出现纹理丢失的现象。

平均曲率流算法最早由Desbrun提出，使用该方法需要先估算曲率，然后让网格顶点按照平均曲率速度移动。该种方法能够解决拉普拉斯算法中的顶点偏移现象，但是在网格顶点移动的过程中，会产生一定的不规则三角面片，影响整体的采样率和模型建立。

3.3 点云简化与压缩

点云简化与压缩主要针对难以移动的大型古建筑群和雕塑群，站点扫描得到的数据太大。结合大量的处理过程，发现并非所有的数据都对后期的三维模型建立有用，同时大量集中分布的点云中存在较多的冗余信息，导致后期三维建模过程组织困难、数据处理量大、处理时间长，这就要求在保证三维建模精度和纹理特征的前提下，尽可能地对点云进行简化和压缩，减少数据量，降低后期三维建模过程中的处理难度，常用的方法包括包围盒算法、简化算法、区域重心法、坐标增量法等。①

近年来有国内学者提出了一种新型的提取方法，可对简化算法进行改进，改进的程度与点云大小的选取有关，简化效果决定于提取的K邻域。蔺小虎基于传统的坐标增量法，提出了一种将扫描线从一维向二维扩展的点均压缩算法，并借助于数据处理软件，对比了两种算法的压缩效果。于海霞通过大量的长方体区域压缩算法计算，指出在点云密集的区域，可使用重心压缩法。近年来，诸多学者研究了八叉树法和k-d树法，可进一步提升压缩的效果。

3.4 建模方法

傳统的建模方式时间长、工作量大、精度低，测量过程不可避免地需要与文物本体接触，可能导致文物损坏。借助于三维扫描技术实现建模多借助专门的数据处理软件。建模的过程属于实物再现的过程，因此，上述软件也可称为逆向工程软件。虽然建模软件较多，处理过程基本相似，先是需要提取点云数据，并将其转化为多边形;然后依据数据压缩方法，对点云数据进行简化。上一步骤可以得到NURBS曲面，将得到的曲面借助于CAD等软件进行数据导出。②

在实际对文物进行三维建模的过程中，由于构造和结构相差较大，需使用不同的方法进行构建分离。索俊峰在处理蝴蝶厅模型的建立时，将现代测量技术和三维激光扫描技术结合在一起，提出了一种室内外一体化处理方式，将古建筑分为不同的构件进行单独建模。化蕾以客家土楼为研究对象，将土楼内外部的点云分开，并分别提取内部和外部的轮廓线，进行内部和外部的单独建模。王金在利用三维扫描技术处理遗址墓葬陶器时，结合C++语言提取特征曲线，并借助于傅里叶系数完成了特征曲线的聚类分析。实现模型建立的最根本的问题是重构自由曲面，常用的曲面重建方法包括变形曲面重建、隐式曲面重建、分片线性曲面重建等。③

4 结语

三维扫描技术在文物保护中的应用，经过了多年的实践并取得了积极的效果。不少学者对于文物保护中的三维扫描技术、关键问题和关键技术做出了大量的研究，并制订了多项基础标准，完善了工艺流程，在此基础上，文物保护领域的三维扫描系统逐渐构建并成熟。以数字化为基础的三维扫描技术推动了文物保护工作的重大进步，尤其是大型古建筑群和石窟等不可移动的文物。对于小型可移动文物，三维扫描技术在数字修复和数字呈现方面也有重大的技术优势。但是也有注意到现阶段的三维扫描技术与虚拟现实相结合，还存在仪器成本高、处理数据量大、结构复杂、文物难以呈现等问题。