文物数字化与三维展示方案

文物数字化与三维展示方案

一、方案综述

根据数据获取方式不同，文物项目可分为古建街区、洞窟佛像、器皿、遗址

现场发掘等技术方案。

古建街区包含古街区内的建筑、牌坊、古道古街等相关，属于文物史迹，以

各种类型建筑为主，一般占地区域较大，街道较窄，房屋间距小，与周边环境联

系较为紧密。

图表 1 昆明古街区 洞窟佛像包括寺庙、石窟、石刻、大型佛像等，也属于文物史迹，一般体积

较大，不能或者不宜整体移动，通常藏于山水之间，地理环境较为复杂，尤其石窟大多数都在山腹中，实地场景光照来源杂驳，对获取高精度佛像及壁画纹理信

息影响很大。

图表 2 黄岩石窟

器皿等高精细文物包括陶器、瓷器、石器、铜器、玉石、绘画等，属于馆藏

文物和流散文物，特点是，体量小，种类多，尺寸、形状、釉色、雕花图案、历

史划痕等信息十分重要，是判断文物的产生时期、珍贵程度、收藏价值、修复方

式等方面的首要依据。

图表 3 麦积山石窟壁画

遗址发掘现场多数分布于各种地貌地形条件下，对挖掘土层深度、出土文物

确切位置等发掘现场真实现状方面资料的获取，提出了更高的要求，以便对文物

考古现场保护、文物信息的提取等提供参考依据。

图表 4 金沙遗址发掘现场

二、数据获取设备

2.1 三维数据采集

根据文物项目的不同，在数据采集方面，需要使用不同类型的扫描仪进行数

据采集，以满足项目的需求。

（1）地面固定式扫描仪

扫描仪需要架设固定站进行扫描，根据厂家品牌型号的不同，扫描距离一般

在几十米至一百米之间，在测量距离10米处，精度可以达到mm(毫米)级别。

仪器特点：扫描范围广，主动测量，不受光源因素影响，多用于古建街区、

洞窟、遗址现场发掘等大场景类型的数据采集。

图表 5 地面固定式激光扫描仪

（2）高精度扫描仪

该扫描仪采用不同的测距原理，将扫描精度提高至亚毫米级，甚至微米级别，

数据采集精度非常高，多用于佛像、瓷器、陶器、石器、绘画等对精度要求比较

高的文物。

图表 6 高精度激光扫描仪

2.2 纹理数据采集

文物纹理信息在文物复原保护、展示等方面具有重要的作用，在复杂光场环

境下采集完成完整、真实的纹理信息。

纹理数据采集的质量主要取决于两个方面：一是相机及镜头的分辨率；二是

专业的灯光设备及布光方案。

采用专业相机及镜头组合，可以获取分辨率及色彩还原度更高的影像数据。

专业的灯光设备及布光方案，则可满足在洞窟、寺庙、遗址等场景光源杂驳、

过暗、偏色问题严重的特殊环境下，模拟出稳定的太阳光照环境，有效解决采集

光源不真实问题。

图表 7 灯光设备

三、方案分类

3.1 古建街区

古街区一般占地区域比较大，房屋密集高，胡同巷道比较多，而且宽度较窄，

由于古街区在当地属于历史遗迹，来参观游玩的游客很多，街区内人员流动较为

频繁，交通情况比较拥挤。

在开始扫描作业之前，需要对街区进行现场踏勘，了解街区内各方面的情况，

例如说街区建筑分布情况、对街区作业有影响的天气情况等等。

根据对现场的踏勘和卫星影像图及规划图等资料分析，将使用地面固定式三

维扫描仪进行数据采集，对街区屋顶或者其它超出扫描距离的地物，计划采集数

据方式有两种方案，一是在街区周围高层建筑顶层进行设站扫描，二是采用升降

台、脚手架等辅助升高机械器材进行设站扫描，或者根据实际现场情况，将两种

方案结合使用。

3.1.1 数据采集

标靶布设。为了保证后期数据拼接的精度，标靶在布设位置要有方便识别、

有利观测等多个方面的考虑。

图表 8 布设标靶

在扫描的过程中，根据扫描仪对回波数据的接收角度及点云间距，以及古街

区街道的长宽等多方面的考虑因素，对街道两侧建筑进行扫描。

扫描完成以后，需要检查数据是否存在数据缺失及不合格的情况，并对以上

情况进行数据补扫，最终完成整个街区的扫描数据。

图表 9 街区扫描 纹理拍摄。对整个街区进行纹理影像拍摄，其中有一些要求需要注意，例如

拍摄时一般需要进行试曝光，根据试拍结果调整相机参数，获取的照片应当明暗

适中，不能有过亮或过暗的情况出现；拍摄时应避免阴雨天气、中午、傍晚、夜

间等光线变化较大或过亮过暗的天气；根据纹理采集精度要求，以此计算拍摄距

离、单张影像范围；拍摄时应当以获取目标整体影像作为参考，然后逐步获取细

节影像，依据像片最外侧会有畸变及分辨率下降的情况，相邻相片重合率不应低

于35%。

数据检查。在数据采集工作的后期，需要对点云与纹理数据的有效性与完整

性进行检查。点云数据的检查，对整个街区数据检查是否存在数据缺失及不合格

的情况，如有数据漏洞出现，可以立即进行数据补测。纹理数据的检查，将获取

全部影像数据，需对照片做检查，检查纹理影像是否覆盖完整，影像质量是否合

格，对于漏拍建筑和影像质量不合格的建筑，需要补拍摄和重新拍摄。

3.1.2 扫描成果

图表 10 建筑外部

图表 11 建筑内部

图表 12建筑侧剖面

3.1.3 成果介绍

图表 13结构空间浏览与测量

图表 14 建筑线画图

图表 15 建筑模型

图表 16 360度全景点云浏览

3.2 洞窟佛像

3.2.1 布光方案

洞窟遗址等类型文物体积较大，不能或者不宜整体移动，通常位于山腹中，地理环境较为复杂，尤其是现场光照明暗不一致，甚至有些洞窟完全处在黑暗中，

很多场景光源信息极难获取，极大的阻碍了真实纹理数据的获取。对于这种情况，

需要对现场环境架设灯光系统。

在对洞窟、彩色佛像等进行光场布设时，使用普通光源因热辐射等问题会对

洞窟、佛像等纹理颜色造成损害，故需要布置冷光源以减少对文物的不良影响。

图表 17 冷光源 无影灯的使用，将洞窟佛像因视角、位置等问题产生的阴影尽量消除，能将

色彩失真降到最低程度，并且无影灯还可以长时间的持续工作，而不散发出过量

的热。

图表 18无影灯

测光表用来测量洞窟佛像现场光源的强度，确定拍摄纹理时相机所设置的曝

光时间，同时也可以控制现场照明的亮度，确保光强符合一定的要求。

图表 19测光表

3.2.2 数据采集

正式开始扫描工作之前，在窟内进行现场勘察时，认真分析洞窟地形、造像

分布特点，根据复杂结构的情况，合理设置扫描站点，对主佛、菩萨等主体造像

着重考虑，尽量的避免扫描盲区的出现，重点保证重要的扫描对象不会在盲区中

出现。

最关键的是扫描测站的布置，测站的位置关系到数据的完整性、工作量大小

及项目进度等重要的情况，其原则可以概括为：使用相对较少的站数扫描出最完

整的数据。

另一项重要工作就是标靶的布置，公共点是完成各个扫描测站拼接的关键，

标靶与场景特征点作为公共点都是可以完成拼接任务，其重要原则是任一标靶放

置一定要至少保证相邻两站都能看到，如果相邻的多站之间都能看到，这样对整

个场景的误差累计有很好的约束作用。

在布设标靶时，需要考虑到现场环境，一是保证标靶的有效性，二是不能对

洞窟、佛像等相关文物进行间接破坏。

纹理拍摄是在依据灯光系统进行的，通过各种灯光设备，在光源强度、

拍摄角度等多方面都适合的情况下，对各尊佛像、菩萨等主体造像进行多角度的纹理

采集，确保数据采集的完整性。

图表 20现场灯光

图表 21灯光系统下拍摄的纹理照片

当天的扫描工作结束，要对点云数据进行拼接操作，检查数据的有效性、完

整性，对所记录的扫描测站信息进行整理保存；对纹理拍摄信息，进行整理、检

查等工作。

3.2.3 成果介绍

图表 22 北石窟165窟顶部剖面图

图表 23 大型彩色佛像

图表 24 北石窟165窟

图表 25黄岩石窟视频及虚拟展示

3.3 器皿等高精细文物

器皿等高精细文物特点是种类多，体量小，它们的尺寸、形状、雕花图案等

细节信息十分重要，是判断文物的产生时期、珍贵程度、收藏价值、修复方式等

方面的首要依据。

图表 26小型彩色佛像

3.3.1 高反光高精度扫描

很多器皿类文物并非由单一的材料制成，金属制品往往都是合金的，成分不

纯的金属制品为数众多。而这些金属器皿具有强烈的高光和反光，在使用普通扫

描仪进行数据采集时，由于其反光特点，很多激光数据接收不到，容易产生数据

漏洞。

使用高精度彩色扫描仪，可以在短时间内能完成器皿类文物的精密测量并输

出高精度、高分辨纹理信息的三维数据，通过不同的测量原理，和一些人为辅助

手段，在高反光的情况下，采集到高精度的点云数据与纹理数据，从而解决这些

问题。

图表 27 雕像扫描

3.3.2 器皿类纹理拍摄

灯光的运用。对器皿类文物拍摄，使用的照明灯具是电子闪光灯，电子闪光

灯是冷光源，一般不会对文物产生损害。

主要辅助器材的使用。三脚架在专业拍摄中必不可少，有利于构图和调焦，

避免因手持拍摄而引起的抖动，可以确保纹理的清晰度；测光表负责调解光源强

度等。

不同质地器物的拍摄。例如青铜器、陶器、瓷器、玉器等，文物的质地不同、

形状不同，拍摄时使用的器材不同，拍摄方法也各不相同，运用的光线也不一样。

拍摄角度。文物的拍摄一般是在画面居中的位置，要注意透视问题，保证每

张纹理主要拍摄目标不变形。

图表 28 昆山陶瓷