关于博物馆中文物三维数字化的技术流程与方法体系探讨

[摘 要] 随着信息技术的飞速发展，博物馆中文物的保护与展示方式正经历着深刻变革。三维数字化技术以其高精度、非接触性、可永久保存等优势，在文物保护与传播领域展现出巨大潜力。本文旨在探讨博物馆中文物三维数字化的技术流程与方法体系，聚焦于HeroScan852手持式三维扫描仪与智能贴图软件在文物数字化保护工作中的应用，以期为文物数字化保护与创新展示提供有益参考。

[关键词] 博物馆；文物数字化；手持式设备；三维扫描仪；三维建模

0 引言

博物馆是文物保护、传承与展示的重要平台，其保存的数量庞大的文物是人类文明史的精华，承载了不可估量的价值。文物的保护、传承、展示始终是博物馆的工作重点。

然而，本体保护、陈列展览等传统文物保护与展示方法在岁月侵蚀和参观需求不断增长的当下，逐渐暴露出在资金、技术、人力等方面的局限性，难以满足文物保护和展览展示的需求。在此背景下，三维数字化技术应运而生，为文物的保护与传承开辟了新路径。

三维数字化技术通过高精度扫描设备捕获文物表面几何形状及纹理信息，并利用计算机图形处理技术生成三维数字模型。数字化技术极大提高了采集文物信息的精度和效率，为实现文物的永久保存、远程共享及创新展示提供了可能。

1 文物三维数字化的技术流程

文物数字化的技术流程主要包括前期准备、数据采集、数据处理、模型优化与调整、展示应用开发等环节。

1.1 前期准备

前期准备包括文物清理、数字化方案制定、设备与软件准备等，这些步骤是文物三维数字化的基础。

文物清理旨在去除文物表面的污渍、尘埃等杂质，以确保数据采集的准确性。

制定数字化方案主要是跟据文物的特点和数字化目的，确定数据采集的方法和技术，如是否采用三维激光扫描、结构光扫描、摄影测量等方法采集数据，规划数据采集的路线、范围和精度。此外，还需制定详细的数据处理流程、质量控制标准及项目进度计划。

设备与软件准备是根据数字化方案，准备相应的数据采集设备，如准备三维激光扫描仪、高分辨率相机等硬件设备采集文物数据，确保设备性能良好、精度达标。同时，准备如点云处理软件、三维建模软件、纹理映射软件等配套的数据处理软件。

1.2 数据采集

数据采集是文物数字化工作的核心环节，主要通过三维激光扫描、近景摄影测量、高清数字摄影等技术手段采集文物表面点云和纹理等信息，以便日后处理生成文物的三维模型，并通过纹理映射，生成彩色三维模型。

数据采集时，根据文物特点，使用包括三维全景相机、手持式三维激光扫描仪、高清纹理拍摄相机对馆藏文物进行厘米级三维激光点云数据采集和纹理获取，局部需要精细展现的纹饰进行毫米级精度数据采集。HeroScan852手持式三维扫描仪具有便携性、高精度等特点，在文物保护领域展现出独特优势。该扫描仪采用激光测距、结构光等技术，通过捕捉文物表面的反射光线或纹理信息，实现三维数据的获取。在数据采集过程中，需从不同角度对文物进行全方位扫描，以捕捉其表面细节。利用高清全画幅数字相机可以获取文物表面彩色纹理信息，用以后期制作文物的彩色三维模型。

展厅建筑室内可以使用全景相机采集全景高清影像，通过图形重建室内VR实景模型，通过三维模型效果，真实还原建筑室内客观现状，之后通过空间线、面、云体等获取展馆建筑的结构、尺寸和现状。虚拟展厅信息还原实际，真实表现了展厅建筑的现状，满足了纪念馆的宣传和展示需求。

1.3 数据处理

数据处理是将采集到的三维数据转化为可用于展示和分析的数字模型，包括点云数据处理、三角网格模型生成、纹理映射等步骤。首先，需对采集到的点云数据进行去噪、滤波等预处理，以提高数据的精度和可用性。其次，利用计算机图形处理技术生成三角网格模型，以呈现文物的三维形态。最后，通过纹理映射技术将采集到的纹理信息映射到三角网格模型上，形成具有真实感的文物三维模型。

1.4 模型优化与调整

模型优化与调整是确保文物三维模型质量的重要环节。在文物三维模型生成后，需对文物模型进行细节优化、尺寸校验等处理，以确保模型的精确性和美观性。同时，还需根据实际需求对模型进行裁剪、分割等操作，以满足不同的展示和研究需求。文物模型优化的方式主要有几何精度优化、外观效果优化两种。

几何精度优化是对点云数据、测量数据等原始采集数据进行比对分析，检查生成的文物三维模型在几何形状、尺寸等方面是否存在偏差。对于存在的偏差，采用适当的方法进行调整和修正，如对模型的控制点进行微调，对局部网格进行变形处理等，以提高模型的几何精度，使其更准确反映文物的真实形态。

外观效果优化是对纹理映射后生成的文物彩色模型外观进行细致检查，针对出现的纹理模糊、噪点、色彩偏差等纹理瑕疵问题，可运用图像编辑软件进行修复和增强处理，如调整纹理图像的亮度、对比度、色彩饱和度等参数，去除图像中的噪点和瑕疵，对文物表面色彩纹理模糊的部位进行锐化处理等。如果是在光照条件较差的环境下采集的纹理照片，需在三维建模软件中调整光照参数，如光源类型、强度、颜色、方向等，添加合适的光影效果，模拟不同环境下的光照条件，以增强模型的立体感和真实感。

1.5 展示应用开发

展示应用开发是将处理生成的文物三维模型应用于移动互联网虚拟展示或展览数字交互展示环节，具体步骤是将文物三维数字模型集成到数字博物馆管理展示平台中，与虚拟现实技术和增强现实技术结合，从而实现多样化的展示和交互功能。观众可以通过虚拟现实技术、增强现实技术在虚拟环境中近距离观赏文物，感受其独特的艺术魅力。

2 HeroScan852手持式三维扫描仪在文物三维数字化中的应用

HeroScan手持式三维扫描仪以其便携性、高精度的特点，在文物三维数字化领域展现出了独特优势。以下将详细探讨其在文物保护、修复、研究及展示等方面的应用。

2.1 文物保护

文物数字化可以减少实体文物因频繁展览、触摸造成的物理损耗，是文物保护的有效手段。HeroScan852手持式三维扫描仪能够在短时间内快速获取文物表面的三维点云数据，为文物保护提供了详实的数据支持。通过文物的数字化模型，可以对文物进行虚拟修复、虚拟展示，有效避免对实体文物造成损害。

2.2 文物修复

文物修复是文物保护领域的重要工作。传统的文物修复手段往往受到技术、资金、人力等因素的限制，难以满足日益增长的文物修复需求。而HeroScan852手持式三维扫描仪则可以为文物修复提供新的解决方案。通过扫描文物获取其三维数据，可以在虚拟环境中进行修复模拟和方案设计。修复人员可以在不直接接触文物的情况下进行预先的修复方案设计和效果预览，从而提高修复工作的精度和效率。同时，数字化手段还可以实现文物修复过程的记录和分享，为后续的修复工作提供参考和借鉴。

2.3文物研究

文物研究是了解历史文化、艺术价值的重要途径。传统的文物研究方法往往受到文物保存状况、研究手段等因素的限制。而HeroScan852手持式三维扫描仪则可以为文物研究提供新的视角和方法。通过扫描文物获取其三维数据，可以进行文物形态、结构、材质等方面的分析和研究。同时，还可以结合其他技术手段如虚拟现实技术、增强现实技术等，为观众提供沉浸式、互动式的观赏体验和学习环境。这不仅可以增强学习的趣味性和参与度，还可以促进文化的交流与传播。

2.4文物展示

文物展示是博物馆的重要功能之一。传统的文物展示方式往往受到空间、时间等因素的限制，难以满足观众的多样化需求。而HeroScan852手持式三维扫描仪则可以为文物展示提供新的解决方案。通过扫描文物获取其三维数据，可以将其集成到数字博物馆平台，结合虚拟现实与增强现实技术，实现多样化展示和展厅设备交互体验等功能。观众可以通过虚拟现实技术、增强现实技术等手段在虚拟环境中近距离观赏文物，感受其独特的艺术魅力。同时，还可以通过互动功能增强观展学习的趣味性和参与度。

3 智能贴图软件在文物三维数字化中的应用

智能贴图软件是专门为三维扫描仪开发的一款独立的三维智能贴图软件。该软件结合了摄影测量、人工智能图像识别算法、纹理融合等技术，实现了更精准、更快速的贴图映射。以下将详细探讨其在文物三维数字化中的应用。

3.1 高精度贴图映射

智能贴图软件通过智能化、半自动化的流程，将手机或单反相机拍摄的多角度照片映射到文物三维网格模型上，得到高精度、高清晰度、真彩色的文物彩色三维模型。该软件结合了摄影测量和人工智能图像识别算法科技，能够自动识别照片中的主体区域和纹理特征，并将其映射到文物三维模型上。同时，该软件还支持多种贴图模式如映射编辑、像素融合、手动贴图等，以满足不同场景下的贴图需求。智能贴图软件使文物三维模型在展示时具有更高的真实感和逼真度。

3.2 高效数据处理流程

智能贴图软件具有高效的数据处理流程，能够大大提高文物三维数字化的效率。拥有极为友好的用户界面，即使是初次接触的用户也能迅速上手。软件有全套流程进行引导，在导入三维扫描数据后，按照软件的流程进行映射、渲染等操作即可得到精细贴图结果。此外，该软件支持自动保存功能，能够实时保存处理过程中的中间文件和结果文件，避免数据丢失。这使得文物三维数字化工作更加高效和便捷。

3.3多场景应用

智能贴图软件具有广泛的应用场景，软件在与三维扫描仪协同工作的模式下，一旦扫描完成，即可迅速开展贴图工作。不仅适用于文物数字化领域，还适用于各类商品的三维展示、虚拟电商、游戏数字资产制作等领域。在文物数字化领域，该软件可以为博物馆提供文物三维模型的贴图映射服务，实现文物的数字化展示和交互功能。同时，该软件还可以与三维打印、虚拟显示等技术相结合，为文物保护、修复和展示提供更多可能性。

4 案例分析：中国工农红军西路军纪念馆文物数字化

位于中国青海省西宁市南川东路烈士陵园内的中国工农红军西路军纪念馆是国家一级博物馆 ，占地面积133亩，始建于1957年。纪念馆前身为高台烈士陵园，园内共安葬1776位烈士的遗骨，其中包括西路军第九军军长孙玉清在内的840位红军烈士，是全国唯一的红西路军国家级烈士陵园，记载了红西路军艰苦卓绝的战斗历史，是其英勇战斗的缩影。

以下将以中国工农红军西路军纪念馆的文物三维数字化项目为例，详细阐述HeroScan852手持式三维扫描仪与智能贴图软件的应用实践。

4.1 项目背景

中国工农红军西路军纪念馆拥有丰富的文物藏品，包括革命文物、书画等多种类型。然而，由于传统保护手段的限制，这些文物在保存、展示和研究方面面临着诸多挑战。为了实现对文物的有效保护和传承，该博物馆决定采用三维数字化技术进行文物的数字化展示和交互功能开发。对展厅展览实物及其中展览的珍贵馆藏文物进行线上数字展览，需获取参与展览的文物和展厅空间的数字资源数据作为线上展览的基础，来构建中国工农红军西路军纪念馆展厅的整体导览系统。项目由文物数字化、展厅数字化、场馆数字化、数据展示系统组成。

4.2 技术选型

对项目中所要采集文物的尺寸范围、表层材质的反光情况、结构复杂程度进行综合考量后，选择了HeroScan852手持式三维扫描仪和智能贴图软件作为核心设备和技术手段。HeroScan852手持式扫描仪具有蓝色激光交叉高速扫描，蓝色激光平行精细扫描，单束蓝色激光深孔扫描，内置全局摄影测量系统，极大优化了三维测量工作流程。智能贴图软件则以其高效的数据处理流程和精准的贴图映射能力，能够为文物三维模型提供高质量的贴图服务。

4.3实施过程

首先是数据采集。使用HeroScan852手持式三维扫描仪对馆藏文物进行全方位扫描，该设备扫描精度为0.020mm，可以通过在工作台布设标记点方式，在与文物无接触的情况下完成数据获取，不会对文物本体造成任何破坏，快速高效捕捉其表面微小细节。之后，使用高清单反相机获取高精度影像，采集文物表面纹理信息，拍摄多角度高清照片，以备后续的贴图映射使用。

其次是数据处理。将采集到的三维数据和照片导入智能贴图软件中进行处理。第一步是进行点云数据的去噪、滤波等预处理操作，以提高数据的精度和可用性。第二步是利用软件中的三角网格模型生成功能生成文物的三维形态。最后一步是通过纹理映射功能将照片中的纹理信息映射到三维模型上，形成具有真实感的文物三维模型。

再次是模型优化与调整。具体步骤为：第一，对生成的文物三维模型进行细节优化、尺寸校验等处理，以确保模型的精确性和美观性。第二，根据实际需求对模型进行裁剪、分割等操作以满足不同的展示和分析需求。

最后是展示应用开发。具体方法是将优化后的文物三维模型集成到数字博物馆平台中，实现多样化的展示和交互功能。观众可以通过虚拟现实技术、增强现实技术等手段在虚拟环境中近距离观赏文物并了解其历史背景和文化内涵等信息。

4.4项目成果

经过上述实施过程，在博物馆成功完成了文物三维数字化项目的开发和部署。项目成果包括多个高精度、高清晰度、真彩色的文物三维模型，以及一个功能完善的应用展示平台。此外还建立了纪念馆线上导览系统。该系统主要体现将已经数字化记录完毕的展厅及陈列文物如实地展示。为纪念馆展览提供图像清晰、照明充足的鉴赏环境，为参观者在展厅实地、网页、手机应用程序上提供交互式且富有沉浸感的服务。

5 结语

通过文物数字化技术，使用HeroScan852手持式三维扫描仪与智能贴图软件等数据采集与处理设备，将博物馆中的文物以数字化的形式呈现出来，并结合互联网、多媒体、虚拟现实、增强现实等技术手段，开发出一系列形式多样、内容丰富、生动有趣的数字化教育资源和应用产品，如虚拟博物馆、网上展厅、数字化导览、互动游戏、多媒体课件、微视频等。这些数字化教育资源和应用产品，打破了传统教育方式在时间和空间上的限制，使广大观众尤其是青少年学生能够更加便捷、高效地获取相关的历史知识和文化信息。通过虚拟现实、增强现实等技术手段，为观众创造一个沉浸式的历史体验环境，相信在未来，随着技术的不断革新与各方的携手努力，博物馆文物三维数字化必将迈向更高的台阶，让文物在数字世界中焕发出更加耀眼的光芒。

参考文献

[1]詹琳;黄佳;王春;刘沛林 基于景观基因理论的红色旅游资源三维数字化呈现——以清水塘毛泽东杨开慧故居为例[J]. 旅游学刊，2022 ，37 （07）

[2]杨拓 新技术视角下博物馆发展实践与趋势[J]. 中国国家博物馆馆刊，.2019 （11）

[3]元宇宙下的智慧博物馆研究进展[J]. 中国图象图形学报，2023 ，28 （06）

作者简介：张璠（198902-），女，汉族，山西省晋中市，硕士研究生，高级工程师，研究三维数字化技术研发及应用