古典家具数字化保护方法研究进展

张 磊，朱培浩，卢凯杰

天津理工大学 机械工程学院，天津 300384

1 引言

古典家具的工艺继承与保护是一项重要的研究工作[1-2]，其中的数字化保护方法对于文物保护具有一定的实际意义和实用价值。但长期以来，因保护方法陈旧、技术手段落后，古典家具保护还停留在传统的资料收集、整理和现场保存等原始做法上，即使运用计算机技术，也仅局限于二维平面图形保存及文字记载方面[3]，无法真实、全面地反映家具的全部三维数据，尤其是面对具有复杂结构和外形曲面的家具，难以实现精确的数字化还原[4]。大量珍贵的古典家具缺乏专业的保养与修缮，随着时间的推移，逐步腐蚀、劣化甚至损毁。因此，对古典家居的数字化保护和修复是一项较为重要的工作[5]。如何应用先进的测量技术，完整、真实、准确地记录古典家具的造型特征、结构关系和详细尺寸，永久保存文物的三维数据[6]，并利用虚拟现实技术研制具有沉浸感、交互性与实时性的古典家具虚拟展示和漫游环境[7-8]，成为该领域的重要研究方向。文中通过梳理目前国内外古典家具数字化保护中的主要技术和方法的进展情况，对古典家具数字化保护中的数据采集与数据处理、曲面重构与参数化模型重建、数据库构建、力学分析等进行对比分析，指出古典家具数字化保护的发展方向。

2 古典家具艺术价值及数字化保护

中国古典家具做工精湛、造型优美、图案精致，承载着我国古代人民生活方式、意识形式和价值取向等诸多信息，形成富有特色的东方家具体系，在世界家具发展史上特色鲜明[9-10]。

古典家具数字化保护作为一种新型的研究手段，其主要形式是通过建立古典家具数据库（包括三维数据和相关的信息数据），清晰展现我国传统家具的发展脉络，为构建家具文化理论奠定基础。目前国外针对数字化保护已经形成比较完整的体系，而古典家具数据库的建立在国内仍处于探索阶段，表1总结了国内外家具数字化保护方面的主要研究成果。

表1 国内外家具数字化保护方面的主要研究成果

3 古典家具数字化保护方法

近年来，诸多文献报道了关于古典家具数字化保护方法方面的技术成果，通过梳理，得到古典家具数字化保护的主要工作流程，如图1所示。

图1 古典家具数字化保护的主要工作流程

3.1 古典家具数据采集

3.1.1 采集技术分类

古典家具的数据采集包括二维数据采集和三维数据采集。其中，二维数据的采集主要依靠电子设备拍摄数码影像资料，并将原始的电子影像数据作为后期保护的基础依据[26]。三维数据采集技术主要有接触式和非接触式两种。采用三维扫描设备可快速获取物体表面的离散三维数据，具有测绘准确、详细、获取方便的特点[27]。三维数据采集技术分类如图2所示。

图2 三维数据采集技术

3.1.2 应用现状

接触式仪器如三坐标测量机（CMM），其在空间3个轴向上均装有光栅尺，经光栅计数系统处理，得到被测坐标点的数据，虽然通过逐点采集的方式提高扫描精度，但是检测时间长、工作量大，往往不能迎合大物件的扫描需求。与接触式不同，非接触式测量技术需要借助算法实现信号转换和三维数据信息的识别。随着计算机及传感器的迅猛发展，以光栅式和激光式为代表的非接触式三维测量技术发展最快。其中，激光式则根据激光测距原理计算得到待测物体的的三维坐标信息；光栅式则根据光学三角原理，如应用FTP方法[28]将快速傅里叶变换用于结构光三维数据测量，通过傅里叶变换轮廓技术测量系统得到空间域信号，经过快速傅里叶变换、滤波和傅里叶逆变换，计算得出物体的三维数据坐标。

目前，国内已对数据采集方式进行不同程度的创新，张玉华等[29]则提出在应用三维扫描技术进行测算的过程中，要采用手持式设施，保证扫描的连续性，并确保扫描的速度。在此基础上，林海等[30]提出，在实际测量古典家具时，应综合使用直接测量法、摄影测量法和三维激光扫描3种测量方法，但对于大尺寸零件，其累积误差会因测量照片绝对数量的增加、拼合次数的增多而增大。此外，冉险生等[31]引入近景摄影测量技术，通过在不同位置和方向获取同一物体的两幅以上的数字图像，经过捆绑调整、图像匹配等技术处理和相关数学计算后，得到待测点的精确三维坐标，不但提高了扫描效率，且大幅度提高了大尺寸物体的扫描精度。而徐海涛等[32]基于ASODVS将全景立体技术应用到激光扫描中，通过激光投射点提取算法解决了全景扫描需进行多次数据配准的问题。

总之，光学测量是非接触式测量中最具代表性的测量方法，相对于接触式测量，它集光、机、电于一体，具有成本低、测量速度快等优点，是目前三维数据采集的首选方式。而不同的数据采集方式适用于不同的需求，表2对比分析了非接触式三维数据采集技术的原理和优缺点，并在此基础上总结了相应的发展方向。

3.2 古典家具三维数据处理

通过三维设备采集得到的数据，还需进行多项后处理工作，主要包括数据配准、数据分割及数据简化。

3.2.1数据配准

由于三维扫描仪自身视野范围的局限性，一次扫描过程往往不能得到物体的全部信息，为实现将不同视域下的点云数据统一到同一个坐标系下，需进行三维数据配准[43]。目前配准主要思路是利用相邻视图间存在的重叠部分，通过特定的配准算法获得对应视图的坐标变换关系。其中基于图像特征的配准方法[44]是提取参考图像与待配准图像中的不变特征，其主要分类及特点如表3所示。

另一方面，通过将现存算法进行合理整合和创新，提出了一种基于最小二乘法计算点到切平面距离的方法，即迭代就近点（ICP）算法[51-52]。通过对ICP算法的不断优化，国内外获得许多成果。Granger等[53]提出EM-ICP算法，将最大期望算法应用在ICP算法中，减少初配准步骤；由于配准算法在扫描精度较低的状况下产生的误差较大，曹聚亮等[54]以激光采样点为配准单元，提出一种新的基于反向投影的快速配准算法；对于复杂形状无法计算特征的问题，胡少兴等[55]提出了改进的ICP算法，并以此为基础，开发了渐进式多视点配准法，利用Tsai标定方法确定三维几何点与二维纹理点的映射关系，提高了配准速度。针对点云数据优化处理问题，周亚男[56]提出使用专门设备进行系统自动配准的方法，以此提高配准速度和精度。

3.2.2 数据分割

由于复杂物体的曲面往往由多个曲面整合构成，为方便后续数据处理，采用数据分割技术将数据划分为若干个相关联的区域。它主要依据几何特征、色彩及反射光强度进行划分。目前，Velmurugan[57]提出按照多维度属性聚类划分的聚类分析法思想，马腾等[58]验证其可行性，为数据分割提供新的发展方向。虽然该新方法具有参数设置灵活，算法鲁棒性高等特点，但不可避免需要进行大量的几何特征统计。

表2 三维数据采集技术的原理、优缺点和发展方向

表3 基于图像特征的配准方法

3.2.3 数据简化

在进行点云的降噪处理时，则采用平均法去除噪点，包括简单平均法，加权平均法及直线滑动平均法等。在完成数据预处理的基础上，张荣强[3]主张运用多视点云的拼合方法进行点云过滤、数据精简和点云分块，实现三维数据的预处理和去噪。此外，林海等[30]也主张运用专业的云处理软件对三维扫描仪采集到的点云数据进行优化处理，如点云数据的滤波、平滑、缩减、分割、配准、融合等，减低模型重建的复杂性，提高精确度和速度。

3.3 古典家具曲面重构与参数化模型重建

曲面重构主要实现拓扑结构的恢复，其恢复程度直接决定模型还原的精度和质量。曲面重构过程中，拓扑结构会发生畸变，因此需运用特定的重构理论和算法，以保持拓扑结构与模型物体结构的一致性。为此，综合文献[59-61]，得到曲面重构的主要方法：（1）采用逼近或插值的方法得到曲面的特征线，再根据正向建模的方法，由特征线生成曲面；（2）直接通过插值或逼近的方法，由点云数据直接生成曲面。对复杂文物进行曲面重构时，采用第二种方法较为常用。

20世纪60年代，Bezier提出Bezier曲面理论，通过调整局部曲面的顶点实现曲面重构，但是该法无法处理连续的曲面数据。为此，Gordon提出B样条曲面，解决了曲面拼接连续性问题。在此基础上，引入拓扑优化空间，通过对算法在网格控制及网格细分上的优化创新，Zhao[62]提出基于遗传算法GA改进B样条曲面重建技术；Tekumalla[63]结合最小二乘拟合算法实现曲面的光化处理。

而在实际古典家具曲面重构过程中，张荣强[3]提出，当前两种主要的曲面构造方法分别是B样条或NURBS曲面为基础的曲面构造和三角Bezier曲面为基础的曲面构造，并阐明了先构建基础面，再构建过渡面，最后添加细微圆角特征的曲面重构过程。此外，郁舒兰等[14]也提出以融合二维绘图和三维造型于一体的MDT软件作为设计平台，以NURBS方法实现曲线和曲面的最终构建。与此不同的是，林海[30]则将预处理后的点云数据以参考文件的方式导入BIM软件（如Revit），通过捕捉点构成线、面和实体，完成古典家具的模型重建。

姬勇等[64]针对传统文物数字化重构方法中存在的成本昂贵、文物损坏程度较严重等问题，提出了基于笛卡尔网格的三维重构技术，该重构技术以六面体网格作为最基本单元，采用对实体进行逐层切割获得截面域轮廓线的剖分算法，并借助计算机图形学的扫描线填充算法对文物进行三维成像重构。除上述基于深度图像的建模方法外，周明全等[65]提到了基于序列图象的建模方法，该方法针对照相机拍摄的序列图像，通过多视图像预处理、摄像机标定、点云模型生成、点云三角化等步骤，来实现三维建模。

3.4 古典家具力学结构分析

针对参数化模型的拓扑优化设计，Nicholls[66]利用有限元软件对箱式家具结构中角接头的应力及应变状态进行分析，准确预测家具所受的挠度。何风梅等[67]提出基于ANSYS对板式家具进行有限元分析的方法，在提高设计效率的同时，实现了家具的可靠性及模块化设计。对于复杂结构家具模型的有限元分析，张立等[68]以榫卯结构为例，主张预先将模型导入参数化三维设计软件，然后经过数据格式转化后再将模型导入到ANSYS中进行网格划分，最后进行外载荷加载并求解。该步骤实现了家具的部分结构整体化结构分析，并进一步验证了ANSYS软件对家具进行力学结构分析的可行性。对于家具关键节点结构优化问题，董广斌[69]通过ANSYS语言编程，分析了丁字榫结构强度和刚度最大情况下的榫长和榫厚比，为国内局部结构关键节点的分析提供思路。

表4 唯一ID生成方案改进对比

综上，国内外学者利用有限元法对各种形式的家具进行结构性分析的方法实现了参数化模型的强度校核和结构参数优化，为家具数据化的导入提供了量化保障。

3.5 古典家具数据库构建

3.5.1数据库构建

古典家具数据库的构建是数字化技术体现的最直接形式。数据库不但可实现所有用户数据共享，而且可减少数据信息的冗余度。由于数据库中的数据具有一定的独立性，其逻辑结构和应用程度在变化时不会影响数据的显示与使用，可保证数据在存储与传递过程中的唯一性与准确性。为此，吴义忠等[70]提出基于XML的三维参数化标准库系统，通过对API接口组建的开发，实现三维参数化模型信息的输入及输出。刘文金等[19]提出利用图像处理、文字处理等专业软件对所收集的各类资料进行预编辑处理的方法，并以微软公司研制的Visual Basic.Net为开发平台，通过Microsoft SQL Server 2005的强大数据处理功能进行完整的数据库设计。吕希奎等[71]将OpenGL与三维建模软件相结合，采用Oracle数据库进行管理，弥补了OpenGL在建模方面的局限性，并实现了模型的查询检索和浏览。王欣等[72]基于OpenGL技术构建数据的基础上，采用ActiveX数据对象（ActiveX Data Objects，ADO）技术提供标准接口，通过API接口[73]实现数据存储、检索以及数据库的访问，实现数据的高效控制与管理。贺春光等[20]则在现有蒙古族传统家具二维图案数据库系统基础上，首先运用AutoCAD及Sketchup软件进行三维图案数据库的创建与数据录入，然后运用浏览插件Archivision Discovery Viewer实现三维动态浏览功能，最后运用Archivision Active X技术将三维数据库封装在现有的数据库系统中，确保数据的安全性和可靠性。

3.5.2 唯一ID生成方案

数据库的不断增大意味着检索效率将大幅度下降。为此，给对应模型图案创建并匹配唯一ID显得尤为关键。常见的数据库自增长序列按照自然排列，虽然简单方便，但是在数据库合并或迁移时会发生ID冲突，导致数据库扩展受限。因此，可采用集群式生成方案，即每个子数据库所设置的起始数字不一致但步长一样，有多少子数据库就设置相应步长。此外，唯一识别码（Universally Unique Identifier，UUID）技术根据文件信息（以太网卡地址、纳米级时间信息等）创建独一无二的无序数字代码，但是由于代码组成过于复杂，往往不具备可读性；因此，微软制定一项UUID组成标准，并称之为GUID；但本质上，GUID依旧是乱序，随着数据量增大，信息索引的维护带来性能上的损耗将更加明显，为此，Nilsson[74]提出一种COMB类型的GUID，将时间信息与GUID组合，保证唯一性的同时满足了ID的有序性，以此提高检索效率。各方案对比如表4所示。

3.5.3 数据库运行流程

综上所述，通过对物体进行三维数据采集、处理以及模型重建等操作，基于数据库构建技术，通过特定的输入端口（如API端口）将三维模型信息导入数据库中，并依据模型信息生成对应的唯一ID，方便数据库检索和模型浏览，并为后续模型的立体投影提供基础。古典家具数据库的运行流程如图3所示。

图3 数据库运行流程

4 古典家具数字化保护趋势

当前，社会各界都在积极开展对物质文化遗产和非物质文化遗产的数字化保护工作。保护这些珍贵的文化遗产不仅出于学术研究需要，而且保持民族文化的传承、维护世界文化多样性和创造性，并为后续文化创新提供了重要依据。了解和认识国内外文化遗产在数字化保护方面的发展趋势，有助于开拓思路，突破单一学科研究的技术局性，将数字化技术更好地应用到古典家具的保护工作中。

（1）数字博物馆（Digital Museum，DM）

DM是指通过数字技术手段构造数字空间之上的博物馆。而数字博物馆[75-77]则在博物馆数字化的基础上实现对藏品的收藏、管理及虚拟展示，并通过局域网、互联网建立信息网络服务体系。数字博物馆不但打破了实体博物馆地理、时间限制因素，也打破了信息单向传递的方式，大大提高了与观众的互动性和藏品资源开放共享程度[78]。

相对于国外，国内数字博物馆的建设进展相对较慢。从20世纪90年代起步，我国的博物馆数字化实验经历了3个发展阶段，即由博物馆与互联网对接开始，经过了博物馆数字化和数字化博物馆两个进程[79]。目前，为解决数字博物馆数据单一性、缺乏关联性和互动模式单一等问题，需充分利用物联网、云计算、移动互联、大数据处理等技术，实现数字博物馆向智慧博物馆[80]的过渡。但大数据仅仅是发现数据之间的关联性，无法在根本上找到数字化变量间的因果关系，对数字化保护的深层次理论问题仍然缺乏解释力[81]。因此，大数据的应用与数字化保护的学术研究如何进行合理对接，也是值得学者们继续探讨的话题。

（2）虚拟现实技术（Virtual Realty，VR）

VR作为一种多通道的新型人机交互接口，通过视觉、听觉、触觉和重力感等多种感觉通道可实现与计算机虚拟世界的交互，从而产生身临其境的体验[82]。VR技术在文物保护方面同样有着广泛的应用，借助数字影像、三维展现、多媒体与宽带网络等技术，可构建以网络传播为手段的综合数字平台。目前，VR博物馆缺少成熟的导览系统，观众难以捕捉展品的细节且自由漫游体验相对较差。因此，基于WIFI室内定位技术的语音导览系统逐渐投入使用，用户通过登录预设频道，系统自动识别定位后自动播放录音内容。另一方面，西方国家通过与移动电信厂商的合作，联合开发VR虚拟现实展览软件，用户可佩带VR设备并链接移动端，实现远程参观博物馆。

（3）增强现实技术（Augmented Realty，AR）

AR是以VR技术为基础，将计算机信息（如文字、声音、图像或GPS数据）实时叠加显示到现实场景，实现自然互动的人机交互技术[83]，与VR既有联系又有区别。VR完全沉浸于计算机生成的虚拟场景中，而AR是虚实结合的技术，为实现真实环境和虚拟世界的有机结合架起一座桥梁。在国内，AR技术在文物古迹的保护和复原上略有成效，陈靖等[84]提出基于关键帧匹配的增强现实跟踪注册算法，构建出基于视频透视式头盔显示器的移动增强现实系统，实现了圆明园大水法遗址的数字重现。基于AR交互式的数字博物馆系统已初现雏形，钟志鹏[85]及杜凤仪[86]基于增强现实技术，在博物馆导览中的应用进行了初步研究，设计了基于视频透视技术和人工标志物的增强现实技术的博物馆展示系统。相对于传统博物馆而言是一个较大的突破，打破了传统博物馆固定僵硬的体验方式，创造出一种灵活多变的全新观展模式。但目前AR交互式博物馆体验系统的结构功能单一，体验效果不佳。

（4）AR-VR混合技术博物馆

AR-VR博物馆展览互动系统[87]可将VR技术与AR技术相结合，利用VR技术的沉浸感及增强现实的交互感提升参观者参观博物馆的交流互动体验。系统分为两个模块：（1）博物馆虚拟漫游模块；（2）增强交互模块。博物馆虚拟漫游模块使用VR技术生成一个虚拟环境[88]；而增强交互模块基于AR技术，通过摄像头采集场景视频，采用计算机视觉跟踪注册方法将虚拟信息叠加在真实场景中，增强展品信息的展示，系统具体框架结构如图4所示。

图4 AR-VR系统框架

目前，国内基于多媒体的运用及数码影像技术的应用，初步实现了古典家具从静态展示到三维动态立体全方位的展示。为满足时代需要，古典家具数字博物馆应通过AR-VR混合技术，营造层次丰富的空间和迷幻多变的音效氛围及全方位和多通道的实时感官交互的虚拟场景，从而将展品的展示空间转换为一个关于文化、历史和知识的体验空间。给参观者身临其境的沉浸感受，更多地了解家具展品背后所蕴含的文化内涵。在展现家具展品功能性和艺术性的同时，体现审美休闲、普及教育及科研的社会价值。另一方面，随着网络技术的发展及手机的智能化发展，基于移动增强现实的博物馆导览方式将推动古典家具数字博物馆的普及。为此，数字博馆可通过互联网技术向用户提供参观、学习、研究、交流等多种服务。

5 结论与展望

中国古典家具的数字化保护技术应用研究立足于解决中国古典家具研究与当前中式家具数字化设计脱节的状况，可弥补古典家具在保护中信息易老化、易失真等缺陷，为中国传统家具的传承、应用及推广探索出一条新出路。传统家具的数字化保护工作涉及到光学、设计学、计算机学及博物馆学，是一项综合研究课题。文中针对古典家具数据库的搭建，综合分析并总结了数字化保护中的数据采集与数据处理、曲面重构与参数化模型重建、力学分析等技术与方法的发展现状与趋势。目前，在实现一维测距和高精度测量的基础下，三维激光测量技术应向二维、三维测距方向发展，逐步实现扫描速度更快，扫描精度更高，更轻便携带的目标；在数据处理方面，基于特征提取的配准算法适用范围受限，而ICP算法收敛速度较慢，因此需要结合遗传算法减少迭代次数；在有限元分析方面，国内在仿真精度方面与国外差距较大。因此，需将有限元仿真分析与计算机辅助设计与制造技术相结合，形成集设计、模拟分析、优化及制造为一体的科学化家具保护与设计体系。

最后，针对目前新媒体技术和计算机辅助技术的发展，总结了数字博物馆的发展进程。在完善古典家具数据库建立体系的基础上，将古典家具数据库与新型数字博物馆的结合是一个重要发展趋势。