博物馆3D扫描技术的应用及前景
馆藏珍贵文物的三维数字化对于提高文物的保护、研究、展示及合理利用，发挥文物的社会功能，具有十分重要的意义。由于文物的真实和不可再生等特性，对那些容易损毁的文物，应尽量减少提取、触摸。3D扫描技术能以无接触、无损害、全方位完全数字化的方式准确、有效地记录文物真实信息，并能在虚拟现实领域以生动的、交互的手段集中展示，这对于实现资源共享，扩展文物展示空间，展示悠久的历史文化资源具有重要的现实意义。
3D扫描技术是利用三维扫描仪获取目标物表面各点的三维空间坐标以及颜色信息，并由获取的测量数据构造出目标物三维模型的一种全自动测量技术。这是目前博物馆应用较多的三维数据获取方式，其优点是准确性高，易于操作，并能达到较为理想的文物三维数据记录效果。因博物馆文物类别不同，体量大小不一，没有任何一台三维扫描仪设备能解决所有类别文物的数据采集问题；同一文物可能需要不同的扫描仪设备完成整体及细节部分的数据采集工作。
三维扫描仪的发展情况是3D扫描技术发展的关键，市场上关于三维扫描仪的分类方式有很多种，按测量方式分为：基于脉冲方式、时间—相位差方式、三角测距原理等；按距离的远近分为：近距、中距、远距等；按光源分为：基于激光、白光等。除此之外，三维扫描仪设备国内外品牌型号众多，价格相差很大，博物馆应该根据本馆经济状况、文物类型、材质、体量等特征做适当的选择。文物的3D扫描是三维数字化过程中一个重要环节，后期需要对数据做拼接、补洞、纹理映射等优化处理，并最终形成完整的三维数据模型。博物馆文物三维数字化工作是基础，三维数据资源的开发利用才是最终目的。
01
数字展示方面
1）博物馆陈列展览的主体是博物馆藏品，包括文物、标本、模型及其它有形物体。伴随着博物馆合理利用文物资源，充分发掘其内涵，让文物活起来的办展理念的加强，许多博物馆在陈列展览中逐步引入数字媒体技术。其中，文物三维数字模型交互展示在激发观众参观兴趣，增强与观众的互动，使观众沉浸并参与其中等方面发挥了重要作用。对于不便于移动的文物，采用三维数字模型的方式替代实物展出，使文物免遭运输过程中的风险，观众在近距离欣赏文物的同时，能够触摸、感知文物。
文物承载着一个国家悠久的历史及灿烂的文明，文明交流互鉴是推动人类文明进步和世界和平发展的重要动力。“文物带你看中国”展示展览项目由文化部和国家文物局共同策划，采用“可视化三维还原技术”，将国内多家博物馆的珍贵文物以三维数字模型交互的方式在触摸屏上展示，并在丹麦、法国、澳大利亚、新加坡等多个国家的文化交流中心投放使用，为中外文化交流起到了桥梁的作用，使优秀的历史文化在高科技的作用下走向更为广阔的世界。
▲图1 “文物带你看中国”展示展览
内蒙古博物院“流动数字博物馆”采用触摸屏技术和AR增强现实技术，使用文字、声音、图片、视频及三维数字模型等方式全方位、立体性地展现馆藏珍贵文物，以流动大篷车的方式将深藏在博物馆里的文物运送到交通不便的偏远地区，为观众带来“身临其境”的感官体验，既保证了实体文物的安全，又提高了珍贵文物的展出率。
▲图2 内蒙古博物院“流动数字博物馆”
2）有些基于但不局限于展品本身的深层次信息，仅靠文字、图片、静态展品等展陈手段难以体现，通过三维动态数字技术虚拟场景、功能演示、动态交互等现代化的科技手段阐释解读，使展览寓教于乐并加深观展印象。
故宫数字馆“数字多宝阁”以9列2排共18块高清屏幕组成，精选近百件故宫典藏器物的高精度三维数字模型展示。观众可以伸手触摸、缩放，观看文物细节，并对部分文物的使用功能、造型特征等做了动态演示，将传统博物馆展陈中无法展出的文物信息，以虚拟的技术手段进行深度的揭示与阐发，使观众获得藏品外在形态之外的深层次信息。观众在数字交互中体验到观展的乐趣，并获得知识和启迪。
▲图3 故宫数字馆“数字多宝阁”
3）由于网络时间和空间的无限性，高清晰的三维数字模型以网络的方式展示，使观众不仅能够观看到全方位数字化的文物信息，还可以进行互动，实现足不出户就可以游览博物馆，甚至可以下载、打印，打破了实体博物馆信息单向传递的限制。
美国史密森尼博物馆协会正在为其1.37亿件藏品创建3D效果图。这个成果通过在线测试平台http://3d.si.edu/tour-browser向公众开放，任何人都可以查看、操作乃至3D打印。采用最新的WebGL和HTML5无缝融合的技术，使观众无需插件就能在网络上实现完美交互，解决了多年来3D技术在网络发展上的瓶颈问题，具有划时代的重大意义。
▲图4 史密森尼博物馆协会X-3D网络展示
02
文物保护领域
首先，3D扫描及数据优化处理后获取的三维数字模型，因全方位、各个角度的记录文物细节特征，可以提供给不同用户开展继续研究、数字展示、教育宣传等工作，避免了借展藏品返还后很难再接触到、频繁出入藏品库房手续繁琐以及可能对藏品带来损害等弊端，减少实体文物的使用次数，达到文物保护的目的。
其次，3D扫描技术在非接触条件下获取文物三维点云数据并创建、制作修复模型，在计算机中模拟修复文物，为文物修复方案的制定提供理论依据，避免在文物修复过程中出现不可预见的错误而导致文物本体损坏，因此在文物修复保护领域具有强大优势及应用前景，更是现代科学技术在文物保护领域应用的重要性体现。
再次，传统文物复制一般是采用翻模、塑形、雕刻等方法制作完成，直接在原文物基础上进行翻模，会将翻模的材料残留在文物表面，对文物造成不同程度的损害。塑形及雕刻需要精湛的师傅，材料、人工的成本高，花费的时间较长，往往一件文物的复制就要花费近一个月时间。3D打印技术解决了这一难题，能够在不直接接触文物的条件下，配合3D扫描技术获取文物的精准三维信息，并通过使用数字软件和特定材料，将文物造型和纹饰直接打印出来，实现文物的复制输出，大大简化了文物复制的工艺流程。
03
文创产品开发
3D打印技术是快速成型技术的一种，以三维数字模型文件为基础，采用分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来构造物体的技术。3D打印技术可以实现与原文物等同或成比例缩小、放大的输出，这是在原文物上进行翻模复制所不能实现的，并且设计师可以对三维数字文件进行二次开发设计，这将会对博物馆文创产品开发带来革命性的变革。鉴于3D打印材质的局限性以及成本因素，博物馆文创产品开发一般采用3D打印技术将文物三维数字数字模型打印输出，然后在输出的3D模型上进行翻模复制，就可以得到相应材质的文创产品。
以国家博物馆“宋代彩绘木雕观音菩萨坐像”青铜文创产品开发为例。在获取三维数据的基础上，采用光敏树脂为打印材料，按与实物1:5的比例进行3D打印，然后在3D模型基础上翻制蜡模，再以蜡模为原型制作“青铜观音菩萨坐像”。图5为国博“宋代彩绘木雕观音菩萨坐像”青铜文创产品开发流程。
▲图5 国博“宋代彩绘木雕观音菩萨坐像”青铜文创产品开发
04
器物测量及考古测绘线图生成
以往的考古研究中经常通过点、线、面的形式来科学、形象的记录和表述遗迹、遗物，即进行考古绘图。而使用3D扫描技术获取的文物三维数据模型，不但可以精确地测量文物基础属性信息（长、宽、高）等，文物模型的内部结构，利用模型界面测量器物厚度、生成等高线、对器物表面的纹饰进行平面展开等，而且可以导出不同面的正射影像图、剖面影像图、立面影像图等，用于绘制文物或标本的正面、剖面、立面线图。通过这种模型器物测量及考古线图生成的方法，速度快、精度高，技术规范，弥补了以往人工测量或者手动绘图方式文物信息不全或者有偏差的缺陷。
▲图6 “鎏金铜金刚萨捶坐像”基础属性信息测量
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数字出版
数字出版是指建立在计算机技术、网络技术、流媒技术、存储技术、显示技术等高新技术基础上从事的出版活动。随着人们阅读习惯与阅读载体的改变，数字出版物明显更符合当下的需求。相对于实体出版在发行量与发行成本方面的局限性，数字出版依靠着互联网的便捷，呈现出无可比拟的优势：大容量的存储和多样的选择权利；实现智能化检索；二维、三维、音频、视频等多种媒体呈现；根据内容、功能、设计、外观等实现个性化定制等。
数字出版对博物馆馆藏文物数字影像既是机遇也是挑战，一方面，可以将珍贵的馆藏文物三维数字模型、图片、音视频等资料，制作授权许可的关于藏品的三维影像光盘或者其它的数字媒体介质(ipad、iphone等)，提供给出版发行、学校教育、艺术品收藏等相关人员使用，实现博物馆效益增值；另一方面，数字出版产业发展过程中也暴露出许多亟待解决的版权问题，有关著作权法律法规亟待完善，数字出版企业的版权意识、社会责任意识和诚信意识建设亟待加强。
近年来，3D扫描技术在博物馆展示、研究、教育、文物保护、文物复制等业务工作中发挥着越来越重要的作用，未来将会在市场规范、法律健全、版权意识和社会责任意识明确的情况下，广泛应用于文创产品开发、数字出版领域，这对博物馆带来的变革将是全新的。
尽管如此，博物馆文物3D扫描工作开展的过程中也存在着不少问题：1）三维数字化工作开展需求不明确，三维数据的开发利用不够；2）三维数据采集标准不统一，不规范；3）文物三维数据的知识产权保护法律不健全等。三维数字化技术现阶段虽有不足，但伴随着技术的不断发展和进步，市场和法律的规范，三维数据资源的合理有效利用，将会对博物馆业务工作开展带来更为广阔的前景。
作者：马玉静，中国国家博物馆信息网络部，硕士研究生，馆员