故宫文物数字化保护技术研究

数字故宫设计理念

数字故宫是中国故宫博物院借助数字化技术打造的虚拟数字博物馆，其设计理念主要体现在以下几个方面：

一、数字化呈现历史文化

数字故宫的设计理念之一是通过数字化技术对历史文化进行呈现，让观众能够更加直观、生动地了解故宫的历史背景、建筑风貌和文物珍品。通过3D建模、虚拟现实等技术手段，将故宫的建筑、陈列和展品进行数字化还原，使观众能够身临其境地感受古代宫廷的氛围和魅力。

二、多媒体互动体验

数字故宫的设计理念还包括提供多媒体互动体验，使观众能够更加主动参与和体验。观众可以通过平板电脑、触摸屏等设备与数字故宫进行互动，了解文物的背后故事，参与文化活动和互动游戏，增加了参观的趣味性和互动性。

三、数字化展览和教育

数字故宫的设计理念还包括推出数字化展览和教育项目，将故宫的文化资源数字化呈现，让更多人能够在不受时间和空间限制的情况下进行学习和研究。通过在线展览和教育平台，观众可以浏览丰富的文物展品和相关资料，进行线上学习和互动交流，提高了文物保护和传承的效果。

四、跨界合作与创新

数字故宫的设计理念还包括积极开展跨界合作与创新，借助先进的数字技术，将故宫文化与其他领域的创意相结合，创造更多新颖有趣的文化产品和体验方式。比如，通过与游戏、影视等行业的合作，开发出与数字故宫相关的游戏、影视作品，提高了文化传播的创新力和影响力。

五、文化遗产保护和传承

数字故宫的设计理念还要强调对文化遗产的保护和传承。通过数字化技术，对故宫的文物进行虚拟化保存和复原，不仅为文物的保存提供了额外的途径和手段，还能让更多人了解和认识到文物的重要性，提高广大民众的文化素质和文化自觉性，为文化遗产的传承和发展打下坚实基础。

数字故宫的设计理念不仅是将现代科技与传统文化相结合的有力体现，也是故宫博物院借助数字化时代的机遇，推动故宫文化的创新和传承的重要方式。通过数字化的手段和方式，让更多人能够接触到故宫文化，了解故宫的历史和文化，提高人们对中国传统文化的认同感和自豪感，促进文化的传承和传播。

【学术研究】Academic Research

074Vol.173我国历史文化源远流长，拥有丰富的历史文化遗产，

在自然因素和人为因素的双重作用下，文物信息面临逐渐

消亡的危机，而文物蕴含着巨大的社会、文化和科学价

值，故文物保护成为文物管理研究单位的首要任务。在文

物保护工作中遇到很多使用传统手段无法解决的难题，为

解决这些难题文物三维数字化技术应运而生，成为文物保

护的有力手段。文物三维数字化技术可以和传统文物保护

技术相结合完成文物修复、保护和研究工作。文物三维数

字化技术包括三维激光扫描技术、近景摄影测量技术、3D

打印技术及数字模拟修复技术等，这些技术的应用对于加

强文物保护、研究及利用，充分发挥文物的价值具有重要

意义。

1　文物三维数字化技术下的文物保护

1.1　文物保护的重要性

我国拥有丰富的文物资源，随着时间的推移，在自

然因素和人为因素的双重作用下，文物势必会出现一定程

度的损坏，这些损坏往往是不可逆的，文物信息一旦丢失

将永远无法恢复，其中所蕴含的社会、文化和科学价值将

不复存在，后人也将无法使用这些具有重要意义的文物信

息，所以加强文物保护是文物工作者的首要任务，实现文

物信息的永续利用意义重大。

1.2　文物三维数字化技术

1.2.1　三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又称高清晰测量（High󰀃Definition󰀃

Survey-ing，HDS），它是利用激光测距的原理，通过记录

被测物体表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息，

将各种大实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，进

而快速复建出被测目标的三维模型及点、线、面、体等各种图鉴数据。

扫描过程中对物体全方位连续扫描，就能得到被测物

体密集的三维散点数据，即为点云数据。图1为云冈石窟第

9、10窟点云数据。得到点云数据后经过计算机建模得到被

扫描物体的三维模型，进而可以对模型进行操作得到被扫

描物体的几何信息。

依据承载平台的不同可划分为：机载型激光扫描系

统、地面型激光扫描系统、手持型激光扫描系统。

第44卷第6期 山 西建筑 Vol.44No.62 0 1 8 年 2 月 SHANXI ARCHITECTURE Feb. 2018 • 257 ••计算机技术及应用•文章编号：1009-6825 (2018) 06-0257-02面向数字化保护的自动文物三维重建方法研究+吴宁1’2陈佳舟3吴凯乐2(1.衢州学院，浙江衢州324000; 2.衢州云圈科技有限公司，浙江衢州324000; 3.浙江工业大学，浙江杭州310023)摘要:将基于图像的三维重建方法引入物质文化遗产的数字化保护，提出了一种针对文物三维模型的自动重建方法。首先输入 —组不同视角下拍摄的图片，从图像中进行特征提取与匹配，由此重建出稠密的三维点云；然后利用类八叉树聚类算法对三维点 云进行处理，去除点云中的误差点;最后通过泊松重建算法生成可编辑三维网格，并对网格进行纹理参数化，实现了从图像集到逼 真三维模型的过程。结果表明，该方法能够全自动地进行三维重建,为文物的数字化保护和研究提供了新的研究思路和技术支撑。关键词:三维重建，文物,物质文化遗产，数字化保护 中图分类号:TP3191概述文物是人类在社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学 价值的遗物和遗迹，它是人类宝贵的历史文化遗产。对于文物的 保护研究，国内外都制定了很多数字化保护方案。尽管如此，对 于文物的保护仍是世界各国面临的一大挑战。对于受损文物，如 何快速、有效、代价尽量小的对其进行修复;对于珍稀文物，如何 在尽量少的破坏文物的情况下对其进行研究，这些仍是文物保护 方面面临的难题。针对文物的数字化保护问题，本文提出利用基 于图像的自动三维重建方法，构建文物的三维重建系统。通过输 人一组文物图像，采用SFM +PMVS算法生成稠密点云，通过类八 叉树聚类算法对稠密点云去噪，最后利用泊松曲面重建算法生成 文物三维模型并进行纹理参数化。2相关工作对于物体三维重建的研究很早就开始了，目前三维重建的技 术趋于成熟。三维重建的方法大致分为两大类:第一类是基于光 结构的三维重建方法，黄俊春[1]利用结构光技术实现了实时的物 体三维重建。本文不实际基于光结构的三维重建,所以在此不再 赘述。第二类是基于图像的方法，基于图像的方法也可以分为两 类:一是双目立体视觉方法，T Akim〇to[2]于1993年利用双目立体 视觉方法用于三维重建，C L Chen[3]于2007年将双目立体视觉方 法用于物体的重建，推动了双目立体视觉方法的发展。第二类是 单目视觉三维重建方法，主要有基于明暗度的方法、基于光度立 体视觉的方法、纹理法、轮廓法、调焦法、基于特征统计学习法和 运动法。C. Harris[4]在1988年首先提出了结合角和边缘的探测 方法用于物体的三维重建，迅速推动了运动法的发展。随后J. Shi[5]在1994年提出了一个更好的角度提取算法。而目前广泛使 用的SIFT算法是由David Lowew于1999年发表，随后更加鲁棒 的SIFT算法相继被提出。在得到三维点云之后，KaZhdan[7]提出 了泊松曲面重建算法，实现了三维点云到三维网格的过程。本文 通过提出类八叉树聚类算法，结合SFM + PMVS和泊松算法，构建 了一个三维重建系统，能够有效地用于文物的三维重建。3三维重建 3.1稠密点云生成通过相机采集待重建物体的图像数据之后，本文通过使用 SFM + PMVS算法生成稠密点云。利用SIFT算法对每张图像提文献标识码:A取特征，再对每一对图像做鲁棒的特征匹配;将所有二图匹配合 并，找出相机的轨迹;通过轨迹估算相机参数场景的稀疏结构，这 样可以得到物体的稀疏三维点云，然后根据PMVS算法构建出稠 密的点云。由于在拍摄照片时，难免会受到物体周围的物体及光 线变化的影响，因此得到的稠密点云会存在很多杂点，我们称之为 噪点，如图1所示(线框外的即为噪点）。而这些噪点对于构建可 编辑网格来说完全是多余的，所以在此之前有必要去除这些噪点。图1噪点示意图3.2类八叉树聚类算法去噪去除稠密点云中的噪点，可以理解为将点云聚类，所有噪点 归为一类，其他的归为另一类。在三维空间中，用于游戏碰撞检 测的八叉树算法可以用于点云聚类，八叉树的主要思想是将整个 空间分为大小一样的八个子空间，如果子空间需要继续划分，则 将子空间划分为八个更小的子空间，直到达到划分边界为止。由 于八叉树是划分整个空间，其实很多地方是并不需要进行空间划 分的，这样会极大浪费时间。受八叉树算法的启发，本文提出了 类八叉树聚类算法，能够很好的去除噪点。算法的主要思想如下:1)预先定义子空间大小（定义正方体 边长‘本文取〇. 2)。2)对于点云中的每个点进行遍历，根据点P 的坐标信息将坐标点划归到一个子空间，后续的任何点在此子空 间范围内则划分到此子空间。3)遍历所有子空间，将相邻的子空 间合并。遍历完所有子空间后，也就是进一步将点进行了聚类， 此时，点数量最多的子空间就是待重建物体的稠密点云。为加快 速度，对所有点数目小于给定阙值(本文取10)的子空间不予以考 虑。对于复杂情况,例如背景复杂，采样图像不足等，得到的噪点 可能跟待重建点云连成一片。在此情况下，想自动去除这些噪 点，需要通过手动交互操作。本文提出的算法不需要直接划分子 空间，建立复杂的八叉树，只有当某一子空间存在点的时候才会 定义一个子空间。相比于八叉树算法，运算效率有很大提高。3.3 泊松曲面重建泊松曲面重建基于泊松方程。泊松方程是一个比较常见的收稿日期=2017-12-12 ★:浙江省文物保护科技项目（2017005)、衢州市科技局资助项目（2017J02)、国家自然科学基金项目(51508306,51468006 )、浙江省自然科学基金项目（LQ14E080013)作者简介:吴宁（1984-),男，副教授；陈佳舟（1984-)，男，副教授；吴凯乐（1995-)，男，

第２４卷第１期　２０１１年０２月　武汉纺织大学学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＷＵＨＡＮ　ＴＥＸＴＩＬＥ　ＵＮＩＶＥＲＳ　ＩＴＹ　Ｖ＿０１．２４　ＮＯ．１　Ｆｅｂ．２０ｌ１　

三峡文物保护的数字化研究　

李万军　

（武汉纺织大学艺术与设计学院，湖北武汉４３００７３）　

摘要：三峡库区文物资源丰富，时间跨度之长，被誉为一部“中国实物通史”。三峡工程的实施使三峡文物保　

护呈现出多样化的特点，同时数字化技术的发展给三峡文物资源的保存带来了新的发展方向。虽然三峡文物数字　

化界面的设计，在经济、技术和成果普及等方面还存在着一定的问题，但国内外成功的数字化项目案例，给三峡　

文物数字化界面设计的探索提供了很好的借鉴经验。　

关键词：三峡文物；数字化；保护现状；存在问题　中图分类号：Ｇ２６４．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—５１６０（２０１１１—００５０—０４　

以计算机为代表的数字化技术和以互联网为载体的　

“第四媒体”，已经全方位地介入当代人的生活世界之　

中，也给三峡文物的保护带来了新的思路。三峡这个文　

物的宝库，“约从数万年前开始就是人类的一个重要活动　

区，孕育出了一些对历史发展具有重要影响的、具有特　

殊创造性的族群，留下了丰富的、世人向往的历史文化　

遗产。”Ⅲ这些文物古迹跨越旧、新石器时代、夏商周、　

春秋战国、两汉和唐、宋、元、明、清朝，时间跨度之　

长，堪称一部“中国实物通史”。随着信息时代的到来，　

三峡文物保护进入了一个数字化时代，数字化的阅读方　

式成为文物阅读的主要方式。在数字化技术条件下，以　

计算机为依托，以网络为延伸，建设现代化的文物资料　

数据库，对于三峡文物资料的保护与传播有着极其重要　

的意义。　

一、从实物保护到数字化展现　

三峡库区上起重庆江津黄兼、下至湖北宜昌三斗坪，　

涉及重庆、湖北的２２个县市。作为中国规模最大的水利　

枢纽，三峡水利枢纽工程已于２００９年全部竣工，６００多　

公里长的范围被淹没，大量的文物古迹淹没到水下。据