周明全 税午阳 王学松 吴玉涵
（北京师范大学，北京，100875）
摘要：数字博物馆是信息化时代出现的一种对文化遗产进行保护、开发和利用的新途径，而文物数字化是该方法的核心。本文首先根据数字博物馆中文物的自身特点，将文物数字化分为文物本身的高精度采集、数字文物的虚拟修复和通过虚拟现实技术展现文物自身蕴涵历史价值三个部分。然后分析介绍了常用的数字化采集设备的基本原理及其使用过程中出现的问题。针对不同类型的待修复数字文物，阐述了文物虚拟修复的基本方法和原理，并给出了一整套针对破损文物数字化修复的解决方案。文章的最后对文物数字化的未来发展方向进行了展望。
关键词：文物数字化数据采集虚拟修复真实感
一、引言
我国五千年的文明史给我们留下了丰富而宝贵的文化遗产，但是随着时间的流逝和人类活动的影响，这些文化遗产不断遭到破坏。博物馆担负着保存和弘扬中华民族优秀的文化遗产的任务，然而由于展览空间和时间有限，如此众多的珍贵历史文物并不能全部展现给公众，因此如何利用信息化技术手段来保护这些珍贵的遗产，让古老的、面临各种危机的文物重新获得生命成为迫在眉睫的问题。数字博物馆是数字化技术在博物馆领域研究和应用的集中体现，它以数字形式对文物信息进行全方位和多种形式的采集、处理、管理、存储和展示，并通过互联网为用户提供数字化的展示、教育和科学研究等各种服务。
文物的数字化是数字博物馆的核心内容，本文将其分为三个层次：（1）文物模型的高精度采集，通过数码照相机、三维扫描等方式，准确完整地获取文物的三维信息和高精度纹理信息，记录出土文物的实貌。（2）数字文物的虚拟修复，通过计算机技术实现破损文物的虚拟修复，观众可以通过数字博物馆浏览各种文物的原貌，这是数字博物馆的优势和特色。（3）在上述两个阶段的基础上，通过虚拟场景、动画、语音等多种形式反映文物所在的时代特征、反映文物所蕴涵的文化价值和历史价值。
二、文物数字化的意义
在文物发掘和人工修复的过程中，由于各种各样的原因，可能会造成文物的二次破坏，这就需要通过文物数字化技术记录这些文物的信息。由于受到采集技术和设备的限制，传统的数据采集方法主要是通过文字和影像资料等手段记录文物的信息，文物自身三维形状信息并不能被记录，同时存储这些数据的介质(胶片、纸)也不易保存。文物数字化技术有效克服了上述问题，实现了文物的三维信息和纹理特征的精确采集，存储数据的永久保存和传播。该技术充分体现了文物修复保护为主的思想，是文物保护手段的新方法，也是信息化时代博物馆建设的迫切需要。
三、文物模型的数字化
文物有很多类型，按照空间维数大致可以分为二维平面文物和三维复杂曲面文物，前者包括古文献、古字画、壁画、刺绣等，通过高分辨率数码照相机或者平面扫描仪可以实现该类文物的数据采集。后者包括铜器、瓷器、陶器、木器等，通过非接触式的数据采集设备可以直接快速记录文物原始的三维信息。
1.三维激光扫描仪
三维激光扫描仪是由polhemus公司生产，该设备依靠向目标物体发射红色激光，再通过CCD镜头捕捉反射回来的光以达到测量目标物体空间位置信息的目的。该设备对于表面反射并不很强的物体扫描效果比较好，对于瓷器等具有很强的反射性的文物扫描结果不甚理想。同时由于受设备自身工作方式的限制，激光束照不到的区域或者文物表面反射回的激光束不能被CCD镜头接收的区域很难采集到数据，会形成空洞。另外，由于FastScan通过磁极定位，扫描文物的周围应该避免金属的干扰。
2.结构光三维扫描仪
InSpeck三维扫描仪是一种双视域三维扫描仪，它使用具有不同特性的两组镜头采集文物的三维信息和纹理。InSpeck三维扫描技术使用普通的卤素白光作为光源，比激光更加安全，可以被直接用来扫描真实的人体模型。
Inspeck结构光成像系统是由机械光栅、单一光谱组成的，光栅越密，精度越高，然而高密光栅会降低光强，影响投射效果。三维成像系统依靠计算投射在物体表面的明暗条纹来获得空间位置信息，而环境光会影响明暗条纹的形成，因此该成像系统对于环境要求高，需要在光线较暗的条件下采集数据。另外，为了扫描一个完整的文物模型，需要对从不同角度采集的多张图像进行配准，而配准前需要人工交互的在模型的不同侧面指定标记点，过多的人工操作会影响模型采集的质量。
3.通过CT获取三维数据
CT是利用不同物质对X射线的吸收系数的差异进行成像，其断面图像是不同组织对X射线吸收系数的分布图。用X线束对文物某部位进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后由光电转换变为电信号，再经模拟数字转换器转为数字信号，输入计算机处理。
发掘出土的化石标本，由于其珍贵性并不允许被解剖，因此不能利用结构光和激光扫描设备获取其内部结构的三维信息，利用CT设备可以获取文物内部结构的图像序列，然后通过图像分割、三维重构、面绘制或者体绘制技术展示化石的内部结构。
四、数字文物的虚拟修复
出土的古代文物在经受了若干年的自然风化、侵蚀和人为破坏之后，多数已经变得残缺不全。考古工作者在发掘到这些破碎文物后，对其分类、清洗、拼接、粘结、手工修复等工序恢复文物原貌，这个过程十分耗费时间，且修复过程本身也可能对文物造成破坏。因此借助计算机和虚拟现实技术，实现破碎文物的虚拟修复，同时公众通过访问数字博物馆，可以对各个复原的展品进行不同角度和细节的浏览。
1.二维平面文物的修复
随着时间的流逝和环境的侵蚀，古旧字画会出现自然老化、破损、掉色、污渍、发霉等现象，需要重新恢复作品的原貌，传统的手工修复方法需要通过清洗画芯、修补用绢与托纸、补洞、全补颜色等步骤实现修复，其修复工序复杂难度大，一旦修复不当就可能出现破坏，甚至造成不可挽回的损失。通过图像处理技术可以实现书画的虚拟修复，即使修复失败，还可以重新修复直到满意为止，该技术对于书画本身并没有造成损害，同时也降低了文物专家的工作强度。
2.基于轮廓特征匹配的破碎文物虚拟修复
大量的出土文物已经破碎成很多片，可以通过手工拼接将其复原，但其工作量巨大。计算机辅助虚拟修复是利用相关考古资料，根据碎片的质地、颜色、形状特征确定碎片之间的邻接关系，把邻接的碎片拼接到一起，再现文物破碎前的原貌，该复原过程被抽象为曲面之间的匹配和拼接问题，首先采集文物碎片的数字信息，得到待复原文物碎片的三维点云数据以及拓扑信息，计算待复原碎片边缘的特征信息，然后利用这些特征信息并结合考古资料确定碎片之间的邻接关系，对拼配的碎片进行拼接，合并成较完整的碎片，最后绘制修复的文物模型，破碎青铜器的修复过程
3.基于形状轴对称的破损文物复原
发掘出土的破损文物中相当一部分已经破损不全，因此不能通过拼接的方法将其复原，但这类文物是古人在陶车上制造出来的，其形状近似对称，文物的表面近似为旋转面，可以通过对文物形状的分析实现修复。这类转轴工艺制成的轴对称文物复原问题实际可看做是重建旋转面的问题，重建时需要计算旋转面的对称轴和母线信息。首先将文物碎片数字化，计算对称轴及母线信息，然后根据该信息将母线绕对称轴旋转一周，即可重建文物的三维模型，最后将由数码相机采集的文物表面纹理映射到复原模型的内外表面，实现文物真实面貌的恢复。
4.数字文物表面的破洞修补
在进行破碎文物数字化修复的过程中，一方面由于三维激光扫描仪对文物进行数据采集时会出现局部网格信息丢失(即破洞)的情况，另一方面由于环境或人为破坏，文物自身也存在破洞，这些破洞会极大地影响文物的展示。首先将文物数字化，计算带修补区域的边界轮廓线，然后根据破洞周围区域曲面信息插入离散点，再对插入的散乱点集进行三角剖分和优化，最后可以通过数字博物馆浏览真实感绘制出文物模型。
5.文物数字化解决方案
本文针对已经破碎为多个碎片且形状轴对称的瓷器文物的虚拟修复问题，提出了一整套实现文物数字化、虚拟复原及展示的解决方案。首先使用Fast Scan手持式三维扫描仪采集文物的三维网格信息，由于激光对瓷器表面的高光十分敏感，因此需要给瓷器表面涂抹非反光物质后再采集瓷器的三维数据。
轴对称文物的虚拟复原需要计算文物自身的对称轴和完整母线信息。位于同一圆周上的顶点的法线与旋转轴相交，因此可以估计出瓷器文物的对称轴。将通过对称轴的平面与文物碎片求交，交线即为候选母线，为了复原完整的瓷器文物，需要计算文物完整的母线。然而由于瓷器已经破碎成多个碎片，通常仅仅由单一碎片很难计算完整的母线，需要先通过碎片之间的匹配拼接形成较完整碎片，再将拼接后的碎片与过对称轴的平面簇求交的方法，计算完整母线。
通过将完整母线绕对称轴旋转一周，即可生成新的三维点云数据集，对这些新生成的点云进行三角剖分和优化，即可实现破碎瓷器的虚拟复原。为了增强文物的真实感，可以通过纹理映射技术，将数码相机采集获得的瓷器纹理信息添加到文物表面。如果瓷器表面的纹理缺失或者不完整，则可以通过数字图像处理的方法修复纹理信息，考虑到公众通过互联网访问数字博物馆时会受到带宽的限制，因此还需要对最终修复的文物模型进行简化，减少网络中数据的传输量。
五、展望
文物模型的高精度数字化采集和获取已经不是太大的问题，然而对于数据采集后的计算机虚拟修复还有许多亟待解决的问题，需要拓展修复算法的理论水平，提高复原结果的准确性；另外如何将文物或者考古学家的专家知识转化为可编程可实现的计算机知识；如何通过虚拟场景、动画、语音等多种形式反映每类文物的发展和演变过程，从而揭示文物所处的时代特征、文物所蕴涵的文化价值和历史价值，都是未来急需解决的问题。