故宮院藏文物的三維數據采集與應用

歐陽宏

（故宮博物院資料信息部，北京 100009）

為響應習近平總書記“讓收藏在禁宮里的文物、陳列在廣闊大地上的遺產、書寫在古籍里的文字都活起來”的精神，文化遺產的數字化研究成為數字博物館[1]、數字圖書館[2]研究領域的一個熱點問題，服務公眾傳播優秀民族傳統文化不再受時空和地域的限制。文化遺產的采集與加工是數字化工作的前提和基礎，這也是數據長期保存與廣泛利用的重要保證，文物、遺產與古籍在形體上不同，但數字化建設方式與原則基本相同，可以相互借鑒，相互促進。

故宮博物院文化資產數字化應用研究所（以下簡稱“數研所”）成立于2003年10月，旨在應用先進的數字化技術，保護、研究和展示故宮博物院（以下簡稱“故宮”）珍貴的人類文化遺產?？嘤跓o先例可循，加上故宮的特殊性與敏感性，近20年來，數研所一直采用探索性穩步發展的策略慢慢擴大采集數量，積蓄力量，建設和發展數字化隊伍。結合故宮不同時期對文物藏品的三維數字化工作需要，故宮資料信息部先后利用人工建模技術、三維激光掃描技術、多視角影像三維重建（又稱攝影測量）技術相互結合的方法，采集、加工、存儲大量的古建筑和藏品文物數據，致力于建立故宮古建筑和文物的三維數據庫。利用三維數字呈現技術立體再現文化遺產的原貌，能夠更好地促進對文化遺產的研究和展示，探索新的表現形式和展示方式，全方位推進數字技術在故宮博物院的綜合應用。

1 需求與策略

文物三維數字化的目的是更好地推進文物存留和利用，以更好地發揮故宮文化遺產的保護、學術研究和文化傳播教育的職能。衍生工作包括以數字化的形式輔助對文物的保護、研究和傳播展示，如存檔、研究、修復、鑒定、仿真復制、公眾教育、展示和文化產品開發等。

1.1 需求分析

面向不同應用方向的數據所需精度不同，必須調查統計對數據的需求，具體分析如下。

（1）面向存檔、研究、修復、鑒定、仿真復制等方面，必須遵循真實、客觀的原則；對于數據的準確性、真實性、完整性、精度等方面要求的等級最高。

（2）面向公眾教育、展示等方面，應用的特點是并不需要過高精度的數據，但必須為觀眾提供優良的視覺觀感和充足的文化信息含量。

（3）面向文化產品開發等方面，三維數據用作參考，從中提取設計元素，對數據要求完整全面。

1.2 制約因素

同許多博物館一樣，作為非營利性機構，故宮面臨資金、設備、信息化技術專業人才缺乏與數字化保護需求增加的矛盾。

（1）采集與加工。文物安全、采集工時效率、采集環境以及采集設備都會影響數據的質量；加工環節受到加工軟件技術、人員素質、工期成本等方面的影響。

（2）設備硬件與軟件。將數據展示給用戶需要一個可視化呈現環境，電腦配置（cPU、顯卡、內存）、顯示設備（4K或8K）、三維軟件等都會對最終展示效果產生影響。

（3）數據的管理與應用。數據的使用者不僅包括院內外的專家學者，還包括遠在千里之外的觀眾，故宮需要構建一個強大的集成索引檢索、遠程三維數據讀取、人工智能大數據分析等高新技術的院內研究工作平臺系統或遠程數字博物館系統，對此故宮正在探索。

技術的提高總是滯后于應用的發展，資源的增加永遠滿足不了需求的增長，故宮的三維數字化要結合實際情況量力而行。

1.3 構建策略

故宮擁有17萬平方米壯美恢弘的文物建筑群、25大類186萬件（套）精美絕倫的院藏品[3]。以目前的技術條件要采集完所有的文物是一項艱巨的工程，不是一代故宮人能完成的任務。當前要做的就是堅定故宮數字化理念和準則，制訂周詳的工作計劃。一是要提高工作效率。工作效率是限制數字化工作擴大的最大問題，故宮正在通過有計劃地選擇和采集文物盡量減少重復性工作，同時尋找新技術測試新方法來提高采集加工的效率。二是要制定工作的優先級。與故宮數量巨大的文物藏品相比，資金的數量是有限的，首先要滿足院研究和展示工作需求，構建產學研相結合；其次，選擇不同材質、形狀類型的文物進行探索，測試技術在故宮的適用度。三是注重數據質量，追求穩步發展。三維數據可以從高精度降低，卻不能從低精度提高，為了保證5～10年不再重復采集，要隨著技術發展不斷提高要求，最大限度發揮設備性能，最大量地采集、加工數據。四是規范數據采集和加工作業流程。建立標準化、精細化流程以及數據審查驗收標準體系，一切工作按照標準規范執行。五是按需分級處理數據。故宮要求采集加工的三維數據，要同時滿足保存、研究、展示工作的實際需求，在制約因素的限制下，采集的原始數據理應是精度最高的，在此基礎上根據不同的需求優化數據分級處理。數據存留研究、數據可視化利用和網上發布級別見表1。

表1 可移動文物數據加工等級標準與應用（2018年）

2 文物三維數據的采集、加工

數據的采集是一切數字化工作的基礎，是文物數字化工作的起點。故宮的文物信息采集包括位置信息、幾何信息、色彩信息、構造與結構和病害殘損信息等，而三維數據只需要真實完整地記錄文物的色彩紋理和幾何模型信息數據。

2.1 技術路線

十余年來，故宮使用的基礎數據獲取方法包括3種。①人工測量。組織人力現場采集測量，積累了大量的文物測繪圖紙和文檔資料。②利用數碼攝影技術記錄文物的色彩紋理信息和影像，相機的像素越大數據的精度越高。③三維掃描。對文物進行非接觸式三維掃描來獲取文物的三維點云數據[4]，記錄幾何模型信息。這3種基礎數據獲取方法衍生出3種三維建模技術和方法。

（1）依靠文物測繪圖紙和二維影像數據進行手工三維建模。該方法無法提供精確真實的幾何模型信息和色彩紋理信息，獲取的三維數據經常應用于文化傳播相關的文物展示，無法全面滿足研究學者需求。

（2）使用三維掃描儀進行三維掃描建模。該方法能夠精準地獲取文物的三維形狀，通過高清數碼相機輔助拍攝進行手動貼圖映射，可以呈現出逼真的帶有紋理信息的三維模型[5]。該方法的缺點是獲取的數據三角面片數量巨大，而且布線雜亂，后期數據處理耗時長，適合局部特殊需求使用，不建議大規模將該技術使用在文物三維建模上。

（3）利用攝影測量技術全方位采集二維影像數據，通過專業軟件計算生成三維重建數據。該方法可以清晰、準確、完整地獲取文物的幾何空間特征和色彩紋理特征，在文物色彩紋理還原上表現最好[6]。

故宮結合院藏文物的特點，通過考察評估目前主流的幾種文物三維重建方法與技術，發現攝影測量為主、三維激光掃描輔助的技術方案在解決色彩紋理和幾何模型重現的問題上具備優勢，能滿足故宮三維數字化的工作需求。三維數據采集、加工技術流程如圖1所示。

圖1 三維數據采集、加工技術流程

2.2 前期工作

保證文物安全是故宮一切工作的前提，進行數據采集時需注意以下4點：①保證文物提取運輸過程，以及作業環境的設備、用電和人員活動的安全；②原狀陳設室內采集安全；③作業人員不直接接觸文物；④嚴格按照采集和加工作業流程規范進行作業，認真填寫文物現場采集記錄表。

根據文物的器物大小、采集環境來制定三維重建目標，有針對性地選擇采集設備。如2015年故宮進行了23件青銅器的三維重建工作，采集選用的設備見表2。

表2 2015年青銅器采集工作使用設備情況

2.3 三維激光掃描

首先，獲取文物完整的1∶1空間點云數據，將空間信息成果代入攝影測量數據處理，為其提供基礎或參考數據；其次，通過三維激光掃描使得文物真實、完整、長久地保存，保存測量原始數據，便于以后的利用、分析和修復。

2.4 攝影測量數據采集

通過攝影測量技術可以清晰、準確和完整地獲取文物表面的幾何空間信息和紋理色彩信息，為文物三維數據加工提供可靠的依據。采集作業實施步驟如圖2所示。

圖2 數據采集作業流程

（1）影像數據采集。使用攝影測量技術進行文物的三維數據重建的關鍵在于影像基礎數據采集。除基礎數據是否精準和完整以外，色彩還原程度、影像數據和采集數據在紋理精度和照片色彩上的差異，也直接關系到三維重建的數據質量。

故宮通過制定精細的數據采集方案，提供光線均勻采集環境，針對文物造型差異制定專用的方法采集影像數據，確保獲取到高質量的影像數據。

（2）色彩管理。博物館影像采集工作，要求所得到的影像必須能夠真實準確地還原藏品的自身信息，在各項指標參數控制中，藏品的色彩信息還原是首要問題[7]。要在文物的采集、加工、整理、利用過程中保持其色彩信息與視覺感官上的一致性，必須在各個環節都進行色彩管理，才能準確地進行色彩還原。

故宮使用多種標準色卡、白平衡卡進行對比管理，準確調整光照均勻和色溫的設定，在拍攝時盡可能真實地還原攝影場景的顏色，為后期圖像處理時有標準的顏色依據提供參考。一切依據故宮制定的攝影測量數據采集標準規范進行作業。

（3）色彩紋理精度。色彩紋理圖像的分辨率和影射匹配度是故宮評判數據準確度的重要指標。表3為一份三維重建的文物數據成果評價報告，其中“空間平均分辨率（毫米）”是一種評判紋理貼圖數據大小精度的重要指標，“投影誤差”是評判影射匹配度的重要指標。從表3數據來看，提交入庫的數據在色彩紋理圖像的分辨率和影射匹配度上能達到故宮貼圖精度標準。實際應用中1毫米內的誤差都能滿足現在博物館的研究需求，該數據遠高于目前實際需求，可以滿足故宮未來5～10年的三維數字化工作要求。

表3 青銅器簋成果評價報告的攝影測量部分

（4）幾何精度控制。攝影測量生成的三維數據沒有真實的空間關系信息，采用非量測數碼相機進行大面積且高精度的多視角三維模型重建，必須要解決立體高精度量測的問題，來獲取文物的精準坐標與空間信息，在此基礎上生成1∶1的高精度文物三維模型數據，才能滿足文物三維數字化的需要。中國社會科學院考古所的劉建國[8]通過設立控制標點的方法可以將誤差控制在0.1毫米左右，很好地解決了高精度量測問題。但是該方法不適用于故宮的情況，出于文物安全考慮，作業時不允許除文物保管人員以外的人直接觸碰文物，也不允許在文物上隨意貼標點。為了解決測量問題，最初故宮嘗試在激光掃描文物數據上抽像控制標點，數據驗證后效果尚可。為提高工作效率，后來根據激光掃描標靶球相同的原理，制作二維碼方塊進行尺寸標定控制，解決了數據量測的問題。經過大量的文物數據驗證，使用該方法獲取數據都能達到0.1毫米左右的精度。

（5）三維重建處理。目前攝影測量的處理軟件較多，主流軟件包括Agisoft Photoscan和smart3D兩款，該兩款軟件在計算方法和工作流程上基本相同，包括對齊照片、建立密集點云、生成網格、生成紋理4個步驟，整體過程主要由計算機對大規模影像數據進行計算，基本不需要人工干預，自動化程度較高。為了獲取真實、可靠、準確的數據，故宮在4個主要步驟的基礎上，增加了照片色彩還原、掃描數據代入、模型UV分展、紋理映射等人工干預環節來控制數據的質量，使得采集加工完成的數據在幾何模型信息和色彩紋理信息上都能達到故宮對精度的高標準要求。

2.5 技術探索

不管是三維掃描技術還是攝影測量技術都是利用光學的原理，視覺目標觀察不到的未知區域可稱為被遮擋區域，被遮擋區域內的未知表面包括兩個部分，一是視覺目標的一部分背面；二是視覺目標上被遮擋表面[9]，被遮擋區域無法獲取到模型數據。所以，對于一些器型復雜、瓶口狹小，難以獲取到完整數據的文物，主流做法是基于三維掃描數據和照片數據等載體，通過嚴謹分析與推斷進行手工虛擬修補，該方法基本能滿足故宮三維數字化工作的要求。鄧陽全等[10]利用高精度計算機斷層掃描系統進行三維重建獲取了文物幾何模型信息，卻無法獲取色彩紋理信息。故宮也在嘗試利用微型攝像設備采集基礎數據，從測試結果來看，當文物鏤空結構狹小到1厘米左右就很難獲取到內部被遮擋區域的數據了。

3 數據的應用

文物三維數據的發展與應用以數字化留取、病害檢測、虛擬修復、變形監測、三維展示及三維力學分析等應用為主[11]。故宮文物三維數據的使用對象主要包括進行古建筑和文物藏品研究的專業人員，故宮古建筑文化及文物藏品愛好者，以及由于各種原因不能親身到故宮參觀的人員。

3.1 學術研究利用

通過建設文物數字化、可視化信息綜合管理平臺，實現精細化科學管理，文物的三維數字化為留存、研究、監測、修復等學術活動提供了更加豐富的手段，提高故宮文物保護能力。

（1）在考古遺址上的應用。故宮在隆宗門西開放區域進行消防管道更換施工，發現元明清時期建筑遺址[12]，開展了搶救性考古發掘，必須搶在遺跡進行保護性回填前進行數字化保護記錄，重建具有真實紋理的遺址三維模型。故宮運用軌道航帶拍攝與手持拍攝多視角影像的技術，由三維激光掃描輔助控制測量的技術方案，成功獲取了分辨率高、色彩還原度好、可量測的高精度三維模型數據，真實、完整地對考古遺址進行了數字化保護記錄，通過生成正射影像圖與量算尺寸，大幅提高了考古基礎性工作的效率。

（2）古建筑數字監測記錄。故宮古建部和資料信息部多次利用三維數字技術對故宮午門、養心殿、寧壽宮花園（乾隆花園）等古建筑院落進行大規模研究保護性數字記錄，為故宮古建筑的監測、維修等研究提供定性與定量分析的數據支持。

在故宮養心殿古建保護和修復研究工程中，通過多視角影像數據采集和處理，對養心殿西暖閣、東暖閣、正殿、后殿、體順堂、燕喜堂和東圍房等區域的45間房屋進行了三維重建工作，獲取了較為完整的高精細度原狀實景三維模型，用以保留文物的歷史形態及其布局，并利用三維模型進行量測應用研發，探索了一種針對古建筑保護、修復的三維數據應用的方法。另外，當前從三維拍攝到其信息留存，再到數字三維保護應用，探索一套切實可行的研究方法和標準對故宮古建數字化記錄、研究意義重大。

（3）藏品文物數字記錄。在充分考慮故宮藏品文物種類多、造型奇巧、材質亮麗、紋飾華美等特點，在對文物高反光材質、復雜形狀、精美紋飾等數字化工作重點進行總體分析的基礎上，采用高保真無損數字化技術，對院藏文物進行三維數字化采集加工工作，獲得藏品文物的多維度數字化信息。文物三維數據作為數字故宮的一個要素，以后將會整合入數字故宮的大數據庫，用于建設數字化信息綜合管理平臺（見圖3），實現文物數字化資源、文物藏品信息的可視化管理，為文物的數字化保護、數字化傳播、數字化教育、數字化服務提供基礎數據和信息資源。

圖3 文物可視化管理平臺建設規劃

截至2019年7月，故宮完成包括青銅器、陶瓷、琺瑯、漆器、雕塑、金銀器、玉石器、璽印、玻璃器、家具、文房用品、宗教器物12種類型200余件器物的高精數據，獲得了大量的點云數據、數字影像、三維模型、三維紋理模型、正射影像、矢量線畫圖，大大豐富了可移動文物三維數據庫，為故宮宮廷生活、宗教文化、傳統手工工藝的研究工作提供了精準的數據支持。

3.2 文化傳播利用

打造數字故宮，需要在三維數據的基礎上構建更多面向社會的信息化應用體系，做到PC端和移動端全覆蓋，實現數字展示網絡化與網絡展示移動化的有機結合，包括虛擬博物館、掌上博物館等。如數字養心殿、數字倦勤齋、數字御花園、數字角樓以及數字多寶閣等數字產品的推出，通過線上、線下的方式將故宮之美傳播到世界各地，打破地域和時空的限制。故宮致力于展示傳播中華優秀傳統文化，為更多觀眾提供傳統文化視聽新體驗，實現足不出戶就能領略傳統文化之美。最大限度地擴展故宮博物院的服務功能，滿足社會大眾對于文化多層次、多方位的需求，為社會主義文化事業大發展大繁榮作出貢獻。

4 結語

面對故宮17萬平方米壯美恢宏的文物建筑群、186萬件（套）精美絕倫的院藏品，故宮網站2019年公布了數字文物庫52 558件（套）文物影像數據和數字多寶格180余件器物的三維數據。數字故宮剛起步，擴大文物數字化工作迫在眉睫，工作效率是限制數字化工作擴大的最大絆腳石，加大數字化人才隊伍建設，兼容高精度、快速度及性價比高的數據采集設備研制，對促進文物三維數據的廣泛應用意義重大。

故宮在新技術與新方法探索的道路上，每一次都在數據精準度與色彩還原度上取得了突破性的成果，都需要大量的后續工作來驗證，驗證該技術方法在故宮院藏文物三維數字化工作中應用的可行性。再利用成熟的技術對故宮古建筑、遺址與器物等物質文化遺產進行較大規?；A性數據采集，獲取高精度三維模型數據，在此基礎上進行再開發應用，以獲取豐碩的數字化成果，滿足故宮各個時期在文物保護、研究以及文化傳播展示的工作需求，摸索出故宮文物的三維數據采集、加工與應用的模式。數字故宮建設與實踐可以為圖書館古籍的整合與服務提供借鑒與參考。