三维建模技术在文物测绘的应用

文物是人类在历史发展过程中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹，历经几千年的沉淀和积累，具有了顽强的生命力及存在价值。然而，许多文物在留取下来的过程中历经沧桑，遭到了不同程度的人为及自然的损坏。

目前已岌岌可危，亟须修复和复原。

文物测绘是文物保护中的一项基础且技术性要求极高的工作。

传统的测量、绘图、摄影等手段限于自身的种种原因，只能获取三维文物的二维影像，而无法准确、详尽地呈现出文物的三维形态，不能为后续的文物数字化保存、病害检测、虚拟修复、三维展示及三维力学分析等应用需求，提供完整、详尽的资料支撑。

而三维数字建模技术的不断发展，在很大程度上提高了文物信息获取的能力。尤其是随着三维扫描仪的出现，空间三维数据的获取有了突飞猛进的发展。

一、文物三维模型的作用

三维信息留取，又称三维数字化留取，是研究快速获取物体表面空间坐标，进而得到物体三维数字化模型的方法。

随着三维建模技术的不断趋于成熟，三维信息留取成为文物数字化保护、修复及五千年中华文化弘扬和传承的有效手段之一。它不仅满足考古发掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的需求，有效地对文物遗产进行数字化保存、展示及保护，同时也为文物的数字测绘、辅助修复、考古资源管理以及虚拟现实等拓展应用提供了基础的技术支撑。

二、文物三维模型的特点

与一般的实体三维模型相比，文物三维模型数据自身特点显著。

1、数据量增大

文物是人类文明的瑰宝，蕴含着一个时代特有的精神价值、思维方式和想象力，是人类文明、文化与智慧的结晶。我国有着五千余年灿烂的历史文明，文物遗存也灿若星河。尤其是大型的石质佛像、摩崖石刻、壁画等为人们广泛熟知并认同。

2、结构更为复杂

随着三维数字化、计算机图形学等技术的不断精进，目前，已经具备了将实体精确地“复制”成计算机中存储的三维模型的能力。

这样一来，研究人员就可以先行在虚拟三维模型上完成方案的制订、调整、实施、结果评价等工作，为实际操作提供试验材料及参考依据。

然而，与常规实体不同，文物形形色色，千奇百态，具有不相似、不对称特性。况且，我国古人多喜舞文弄墨，故凡绘画、雕刻之作品大多刻画细腻，布局精巧，分层分段，并装饰华丽，看起来场面宏大，气派十足。再加上随着时间的推移，大多文物都呈现出残缺、破损、不完整情形。

因此，与常规实体相比，要将文物实体精确地“复制”成计算机中存储的三维模型，就必须要面面俱到，将各类病症清晰、准确地呈现出来，进而为后续的病害统计、虚拟修复、保护研究提供最精准的数据。

三、数据处理过程更加复杂

文物三维数据处理主要包括点云预处理、三维建模、三维彩色模型构建。一般而言，文物体积都比较大，对大范围文物进行扫描时，为了保证能对数据进行全面采集，通常需要对扫描范围进行分区、分块，并根据划分规则对其命名。

此外，对某些具有特殊构造的部分，有时候还需要进行额外的单独采集。

因此，三维激光扫描测量一般要通过多站的扫描，才能获得整个被扫描物体的完整数据。然而，在数据处理的过程中，数据的拼接、合并等程序是不可或缺的。

就一般实体模型而言，实体体积小，数据采集量也就小，因此在数据处理过程中，诸如数据拼接、分割、简化、合并之类的操作也就显得不那么必要。然而较一般实体模型，文物三维模型数据处理量大，数据处理过程也就相应地变得更为复杂。

四、精度控制更加困难

中国文物一向以器宇不凡、恢弘大气著称。因此，数据采集过程中，搭建脚手架辅以操作成了必不可少的程序，重庆大足石刻千手观音三维数据获取方案设计。而在扫描过程中，只要脚手架存在微米级的晃动，都可能会导致扫描数据的分层，同一曲面出现红、蓝两层数据。这在一定程度上，为数据获取过程中的精度控制加大了难度。

五、数据精度要求更高

文物是历史文化的沉淀，泱泱中华五千年文明，积累了无数的历史瑰宝。但随着时间的推移，在长期自然营力和人类活动的影响下，许多文物都出现了严重的局部破坏。

三维模型的一大用途就是为细微、潜在病害的识别及尺寸标注提供基础依据。

在彩色正射影像图上，可以较清晰地展现出壁画裂缝、外部墙体裂缝、外部墙体病害的位置、范围等情况，能够帮助壁画保护修复工作者详细了解病害种类、损坏程度、分布规律等信息，深入探究病害产生机理，分析病害演化原因，以进行具有针对性的实行抢救修复工作。

然而，文物三维模型数据处理是一个精细而漫长的过程。在这一处理过程中，无论是点云的数据拼接，还是点云的数据简化，又或者是点云的数据合并，对点云数据的每一步处理都伴随着一定精度的亏损。而文物三维模型是文物最精准的基础数据，是文物数字化保存、病害检测及后续虚拟修复工作的前提。

因此，较一般三维模型，文物三维模型数据获取及处理时的精度控制则更为严格，信息要求也更为精细。

文物三维模型在文物保护中的应用逐步深入，未来的发展与应用还将继续以数字化留取、病害检测、虚拟修复、三维展示及三维力学分析等应用为主。但是针对文物三维数据量大、精度控制困难等特点，提升数据采集设备精度、速度等性能，降低数据采集成本，对促进文物三维模型的广泛应用意义重大。

此外，文物三维模型所有权面临巨大挑战，如何加快信息安全技术的集成，使数据安全问题得到有效解决，也将是文物三维模型发展与应用研究的重点之一。

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