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基于三维摄影技术的文物遗产信息化建设

摘要：利用三维摄影技术建立文物立体数据库系统,对文物进行统一的信息化管理和应用,全面实现文物资源的采集、分析、交流等多项功能,将文物的保护水平提升到了一个新的高度,实现文物数据查询公开化、文物文化交流国际化,丰富人民群众精神生活、传播历史声音,具有一定的历史意义和社会经济价值.

关键词：三维摄影；信息化；文物保护

在科技高速发展的现代,随着生活水平日益升高,人们越来越重视对文物遗产知识的学习,热爱和保护文物意识逐渐加强.党的十八大报告中提出2020年全面建成小康社会要求"信息化水平大幅提升","信息化"在以前所未有的速度发展,且已经突破了技术手段本身,并延伸之文物保护领域,文物信息化也开始相关的实践和探索并稳步前进.国家文物局网站近日发布了由国家文物局、国家发展和改革委员会、科学技术部、、财政部共同编制的《"互联网+中华文明"三年行动计划》政策.

湖北省具有深厚的历史积淀,文物资源十分丰富,第三次全国文物普查各类不可移动文物点36473处、各级博物馆197座、馆藏文物和标本178万余套,为我国的文物强省.我省的文物信息化建设工作虽然有初期成果,但仍处于起步阶段,2017年文物局为贯彻落实国家文物信息化《"互联网+中华文明"三年行动计划》工作,相关单位加强了与相关高校、企业合作,利用现代科技手段全面提高文物信息化水平,为推进湖北文物强省做出新的努力.2016年中国湖北咸丰县政府采纳湖北第二师范学院官彬同志的《咸丰唐崖土司遗址保护改进策略》,并组织专家对唐崖土司进行三维虚拟建模政策研究.本文结合湖北省咸丰县唐崖土司文物资源信息化建设的实际状况以及未来文物信息化发展趋势,详细描述三维摄影在文物信息化建设中的应用优势和方案,增强全社会对三维摄影在文物信息化建设领域的认知,从而将文物信息化建设提升到一个新的高度,具有一定的社会效益和经济效益.

一、文物遗产信息化保护在国内外进展

文物信息化保护在国外发达国家早已经开始,1986年法国美术联盟利用数字化技术采集了50多万幅美术文物,并且对卢浮宫进行了数字虚拟重建,实现了卢浮宫里12万个馆藏文物互联网再现；20世纪末,日本对镰仓时期的大佛进行三维数据采集,对大佛进行了虚拟修复和重建；美国IBM研究所与日本名族学博物馆制定了著名的"全球数字博物馆计划".与国外一样,国内文物保护工作也随着科技的进步逐步发展起来,2000年,北京故宫博物馆采用三维成像技术实现了"数字故宫"；山东大学数字博物馆,对5000多件文物进行了三维信息化采集.

二、文物遗产三维信息化建设的方法

文物信息化建设是指综合运用三维采集技术、网络服务技术、数据库技术等信息化手段建立起来的文物数据档案,实现对文物的信息化保存、显现、查询、交流、分析、管理等等文物信息化工程.文物信息化建设应以政府为主导,制定统一的文物信息采集、采集记录、文字描述等规范标准,并以各县、市、省博物馆为基础单位,建立统一的文物信息检索系统,让每一个文物都有详细的"书"；针对不能移动的大型文物,还需要建立文物的电子地址坐标地图.

其中三维信息采集是建立文物三维信息化中的重点工作.三维模型不仅能够确切的记录文物的全方位信息,并且以其逼真的效果能够极好的对文物进行宣传,并满足各个层面人民对文物的赏析、分析、保护交流工作,使之成为各个文物管理部门和社会大众对文物知识了解的综合平台.譬如,中国贵州省已经建立了大型三维文物空间数据库,并成为了贵州省文物管理、宣传、保护工作重要的组成部分；因此,文物遗存三维信息化的采集是建设文物遗产信息化的基础工作,其主要方法有以下几种：

(一)利用三维软件对文物进行人工建模

利用3DMAX、MAYA等三维建模软件对文物进行三维建模,在利用高清数码相机对文物表面进行纹理贴图,其工作步骤复杂,对工作人员专业素质要求较高,并且不能完成1：1的还原文物本身,存在误差,在文物建模中运用较少.

（二）利用序列影像技术对文物进行三维模型

基于文物二维图像对文物进行快速三维重建,其方法操作简单,不受空间和时间的影响、成本低,自动化程度高、效率快,但是数字化完成的文物三维模型数据获取不完整,文物信息缺失较为严重,完成不能够满足文物三维重建的要求.

（三）利用激光扫描实现的文物三维重建

激光扫描技术发展到现代已经非常先进,通过激光扫描仪建立出来的文物模型精准度较高,且工作效率快.但是,激光扫描工作原理是利用激光在文物表面进行接触来获取三维数据,直接的光接触对文物本身是存在伤害的；并且激光扫描仪对文物深色部分或者高反光部分有一定的扫描障碍,需要在这些部分涂上显影粉后再进行激光扫描,显影粉对文物将会造成直接的污染伤害；尤其在扫描一些结构较为复杂的文物时,需要在文物表面直接添加人工标志点,对文物也是极大的直接伤害,这些步骤在文物三维建模中都是不允许的.

（四）利用三维摄影技术完成文物三维重建

三维摄影是基于Photoscanshop计算机软件技术、摄影相结合的三维建模系统,前期利用摄影方法全方位拍摄文物图片数据,后期利用软件自动化合成,具有速度快、成本低、精度高特点,采集技术远高于激光扫描.

三、三维摄影在文物信息化建设中的应用优势

三维摄影是利用最少干预手段,高速准确的对文物进行数据三维可视化采集,直观呈现文物三维特征.其主要优势如下：

(一)文物三维数据化快速采集

人们可以随时利用手中数字影像设备对文物进行资料采集,并将采集的数据利用软件进行自动化三维拼接,随意将平面图片资料转换成三维数字信息,而不像以前需要用专业的摄影设备、摄影人员和三维软件进行图片三维拼接制作,减少了很多步骤、程序和设备,基本可以随心所欲的实现文物三维展示.

(二)文物资源整体性展示

现在大多数文物信息化展示基本以单独图片、文字记录为主,此类信息展示不仅不完整,且大量的高质量图片耗费网络资源,翻阅起来费时费力.三维摄影完成的文物三维数字化展示,能全方位的展示文物的完整细节,并且可以将文物置身于原始的环境,重造"体验式文物"展示,让观众在虚拟的三维空间中,真正感受文物的整体效果,设身处地的了解文物的历史功能,达到以往信息化展示不能达到的展示和保真效果,充分发挥这些弥足珍贵文物的历史教育作用.

(三)文物虚拟修复和重现

文物是历史长河留给人们的一笔宝贵的财富,但是由于历史发展的过程中自然风化的侵蚀、事故火灾、人为的原因,使得很多文物受到不可逆转的损坏,无法还原文物本来的原貌.利用三维摄影的方式,将文物现存的三维数据录入电脑,再进一步对文物损坏部分进行虚拟重建,让观者通过电子屏幕感受文物昔日的辉煌,并且如果重建过程中出现错误,能随时更改纠正,避免了因为资料不足带来的错误重建.

(四)零损伤的开发文物的历史经济价值

文物信息化的保护与开发往往处于矛盾之中,传统的激光扫描方式提取文物三维数据,或多或少的对文物都会产生光污染,随着非接触式三维数字摄影技术的发展,这一难题日益将解开.三维摄影以最小损害的方式建立文物立体数字化展示,可以在对文物零损伤的状态下,大力开发文物的文化价值和经济价值.三维摄影技术不仅有利于其保护传承,而且有利于立体、浸入式、完整性的虚拟现实产业链的开发,形成相对应的3D电影、数字博物馆、动漫、游戏等文化产业,推动文物文化事业的发展,将文物保护力转化为文化生产力,产生一定的文化经济效益,进一步调动广大民众对文物传承和保护的积极性.

利用三维摄影技术建立的文物立体数据库系统,对文物进行统一的信息化管理和应用,全面实现文物资源的采集、分析、交流等多项功能,将文物的保护水平提升到了一个新的高度,实现文物数据查询公开化、文物文化交流国际化,丰富人民群众精神生活、传播历史声音,具有一定的历史意义和社会经济价值.

四、文物三维信息化方案

(一)数据获取

文物从外观形状上大致可分为规则文物和不规则文物,规则文物表面数据的获取相对容易,主要在于文物主体的光线,不能用均匀的光线,均匀光线下的规则文物出来的图片信息内容相同,软件无法识别机位,所以尽量使用45°光线对文物打光,这样可以提高后期电脑软件的机位辨析度,否则容易形成软件错误的单一机位定位（如图一）.不规则文物表面信息的获取较为困难,尤其是文物表面结构较为复杂、出现病害、颜色较深的情况下,为了精准的获得文物的表面信息,需要精确设定好机位,机位的分布要根据文物的结构进行均匀的变化,保持在同一坐标系上,然后在统一的时间、色温、技术参数的要求下,对文物进行数据获取.其数据捕捉的过程分为三步：

1.前期准备工作

首先现场对文物进行布光,确定光源位置后,再调整光源色温,将光源色温稳定在4500K左右,然后确定拍摄位置和轨迹,保证每张照片最少有20%的重叠.

2.拍摄工作

拍摄时照片的清晰度是关键,为了保证焦点清晰,需要用三脚架或者拍摄轨道进行稳定拍摄,尽量避免手持相机拍摄.拍摄时应该保持相机在计算机的控制下进行数据采集,利用计算机屏幕能更好的观察拍摄出来的实际效果,便于及时的调整拍摄现场条件.

3.照片选择

由于拍摄的时候,相机的自然抖动和人为因素,都会照成拍摄照片重复和缺失,这些都会造成后期三维成型的障碍,因此需要对照片进行查漏补缺的筛选.

(二)数据调整

由于色温、、拍摄不稳定的因素,相机拍摄出来的图像都需要进行严格的色彩管理和大小调整,利用专业的色彩管理系统,做到每张照片的色彩尽量还原,大小尺寸也达到相应的要求,以免影响后期三维合成的效果和速度.

(三)三维建模

三维摄影建立的模型主要是依靠软件Photoscan软件自动化完成点云建模、三角网格建模、三维表面建模、三维实体渲染四个步骤,该过程需要统一调整建模数据信息,操作简便、快速,节约了人力、物力和时间（图二）.

(四)文物三维信息数据库设计

文物三维信息其精度较高、数据量大、在数据库处理过程中,面对如此海量的数据处理,很容易造成系统的崩溃,针对如此海量的信息处理,普遍的作法是将这些数据利用文件夹分类,完成数据库检索,并建立索引文件,以便快速的查询出结果.

五、文物三维信息化中面临的问题

三维摄影完成的文物三维信息化建设,从目前来看主要存在以下几个问题：①色彩还原,在利用数码相机对文物表面数据进行采集时,由于光线、拍摄角度、拍摄时间和拍摄器材的区别,拍摄出来的图片不能完全还原对文物表面的色彩,因此在进行三维软件合成之前,则需要专业的色彩管理团队完成色彩还原这一步骤.②虽然文物三维信息化可以社会公开化,但并不代表所有的文物信息都可以随时随地的共享,应该保证部分文物的隐私权,分阶段,分层次,分领域、分地域的公开文物信息,既要保证文物的安全性又要保证文物的社会教育意义.③随着科技的发达,影像信息成为了衍生于实体资源的无形资源,文物的三维信息在传播和应用过程会造成一定的文物信息泄露,对于文物资源的知识产权保护问题需要放在工作的重中之重.④文物三维信息化是历史发展的需要,任重道远,当今对于文物和计算机知识全面了解的人才颇为稀有,国家教育部门应加大专项人才的培养,争取早日全面实现文物三维信息化.

六、结语

利用三维摄影提取的文物信息,可以在对文物最小伤害的前提下将文物资源进行保护和开发,从而解决了历史文物保护和开发之间的主要矛盾,大规模的利用三维摄影建立文物信息化工程,符合现代党和国家的文物保护方针政策,是信息化时代文物保护和开发的必然选择.

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作者简介：官彬（1981—）,女,湖北武汉人,副教授,湖北文化产业经济研究中心研究员,主要研究方向：三维摄影.

基金项目：本文为2014 教育部人文社会科学研究青年基金项目“《3D 高清摄影在文物保护中的应用研究》项目批准号：14YJC760014”成果之一.

信息化建设论文范文结:

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