三維建模技術在文物測繪的應用

文物是人類在歷史發(fā)展過程中遺留下來的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡，歷經(jīng)幾千年的沉淀和積累，具有了頑強的生命力及存在價值。然而，許多文物在留取下來的過程中歷經(jīng)滄桑，遭到了不同程度的人為及自然的損壞。

目前已岌岌可危，亟須修復和復原。

文物測繪是文物保護中的一項基礎且技術性要求極高的工作。

傳統(tǒng)的測量、繪圖、攝影等手段限于自身的種種原因，只能獲取三維文物的二維影像，而無法準確、詳盡地呈現(xiàn)出文物的三維形態(tài)，不能為后續(xù)的文物數(shù)字化保存、病害檢測、虛擬修復、三維展示及三維力學分析等應用需求，提供完整、詳盡的資料支撐。

而三維數(shù)字建模技術的不斷發(fā)展，在很大程度上提高了文物信息獲取的能力。尤其是隨著三維掃描儀的出現(xiàn)，空間三維數(shù)據(jù)的獲取有了突飛猛進的發(fā)展。

一、文物三維模型的作用

三維信息留取，又稱三維數(shù)字化留取，是研究快速獲取物體表面空間坐標，進而得到物體三維數(shù)字化模型的方法。

隨著三維建模技術的不斷趨于成熟，三維信息留取成為文物數(shù)字化保護、修復及五千年中華文化弘揚和傳承的有效手段之一。它不僅滿足考古發(fā)掘過程中科學、準確獲取遺址各類信息的需求，有效地對文物遺產(chǎn)進行數(shù)字化保存、展示及保護，同時也為文物的數(shù)字測繪、輔助修復、考古資源管理以及虛擬現(xiàn)實等拓展應用提供了基礎的技術支撐。

二、文物三維模型的特點

與一般的實體三維模型相比，文物三維模型數(shù)據(jù)自身特點顯著。

1、數(shù)據(jù)量增大

文物是人類文明的瑰寶，蘊含著一個時代特有的精神價值、思維方式和想象力，是人類文明、文化與智慧的結晶。我國有著五千余年燦爛的歷史文明，文物遺存也燦若星河。尤其是大型的石質佛像、摩崖石刻、壁畫等為人們廣泛熟知并認同。

2、結構更為復雜

隨著三維數(shù)字化、計算機圖形學等技術的不斷精進，目前，已經(jīng)具備了將實體精確地“復制”成計算機中存儲的三維模型的能力。

這樣一來，研究人員就可以先行在虛擬三維模型上完成方案的制訂、調整、實施、結果評價等工作，為實際操作提供試驗材料及參考依據(jù)。

然而，與常規(guī)實體不同，文物形形色色，千奇百態(tài)，具有不相似、不對稱特性。況且，我國古人多喜舞文弄墨，故凡繪畫、雕刻之作品大多刻畫細膩，布局精巧，分層分段，并裝飾華麗，看起來場面宏大，氣派十足。再加上隨著時間的推移，大多文物都呈現(xiàn)出殘缺、破損、不完整情形。

因此，與常規(guī)實體相比，要將文物實體精確地“復制”成計算機中存儲的三維模型，就必須要面面俱到，將各類病癥清晰、準確地呈現(xiàn)出來，進而為后續(xù)的病害統(tǒng)計、虛擬修復、保護研究提供最精準的數(shù)據(jù)。

三、數(shù)據(jù)處理過程更加復雜

文物三維數(shù)據(jù)處理主要包括點云預處理、三維建模、三維彩色模型構建。一般而言，文物體積都比較大，對大范圍文物進行掃描時，為了保證能對數(shù)據(jù)進行全面采集，通常需要對掃描范圍進行分區(qū)、分塊，并根據(jù)劃分規(guī)則對其命名。

此外，對某些具有特殊構造的部分，有時候還需要進行額外的單獨采集。

因此，三維激光掃描測量一般要通過多站的掃描，才能獲得整個被掃描物體的完整數(shù)據(jù)。然而，在數(shù)據(jù)處理的過程中，數(shù)據(jù)的拼接、合并等程序是不可或缺的。

就一般實體模型而言，實體體積小，數(shù)據(jù)采集量也就小，因此在數(shù)據(jù)處理過程中，諸如數(shù)據(jù)拼接、分割、簡化、合并之類的操作也就顯得不那么必要。然而較一般實體模型，文物三維模型數(shù)據(jù)處理量大，數(shù)據(jù)處理過程也就相應地變得更為復雜。

四、精度控制更加困難

中國文物一向以器宇不凡、恢弘大氣著稱。因此，數(shù)據(jù)采集過程中，搭建腳手架輔以操作成了必不可少的程序，重慶大足石刻千手觀音三維數(shù)據(jù)獲取方案設計。而在掃描過程中，只要腳手架存在微米級的晃動，都可能會導致掃描數(shù)據(jù)的分層，同一曲面出現(xiàn)紅、藍兩層數(shù)據(jù)。這在一定程度上，為數(shù)據(jù)獲取過程中的精度控制加大了難度。

五、數(shù)據(jù)精度要求更高

文物是歷史文化的沉淀，泱泱中華五千年文明，積累了無數(shù)的歷史瑰寶。但隨著時間的推移，在長期自然營力和人類活動的影響下，許多文物都出現(xiàn)了嚴重的局部破壞。

三維模型的一大用途就是為細微、潛在病害的識別及尺寸標注提供基礎依據(jù)。

在彩色正射影像圖上，可以較清晰地展現(xiàn)出壁畫裂縫、外部墻體裂縫、外部墻體病害的位置、范圍等情況，能夠幫助壁畫保護修復工作者詳細了解病害種類、損壞程度、分布規(guī)律等信息，深入探究病害產(chǎn)生機理，分析病害演化原因，以進行具有針對性的實行搶救修復工作。

然而，文物三維模型數(shù)據(jù)處理是一個精細而漫長的過程。在這一處理過程中，無論是點云的數(shù)據(jù)拼接，還是點云的數(shù)據(jù)簡化，又或者是點云的數(shù)據(jù)合并，對點云數(shù)據(jù)的每一步處理都伴隨著一定精度的虧損。而文物三維模型是文物最精準的基礎數(shù)據(jù)，是文物數(shù)字化保存、病害檢測及后續(xù)虛擬修復工作的前提。

因此，較一般三維模型，文物三維模型數(shù)據(jù)獲取及處理時的精度控制則更為嚴格，信息要求也更為精細。

文物三維模型在文物保護中的應用逐步深入，未來的發(fā)展與應用還將繼續(xù)以數(shù)字化留取、病害檢測、虛擬修復、三維展示及三維力學分析等應用為主。但是針對文物三維數(shù)據(jù)量大、精度控制困難等特點，提升數(shù)據(jù)采集設備精度、速度等性能，降低數(shù)據(jù)采集成本，對促進文物三維模型的廣泛應用意義重大。

此外，文物三維模型所有權面臨巨大挑戰(zhàn)，如何加快信息安全技術的集成，使數(shù)據(jù)安全問題得到有效解決，也將是文物三維模型發(fā)展與應用研究的重點之一。

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