器物类文物超高清三维数字化流程的规范化研究

黄墨樵 刘欢 侯琛琛

摘 要：随着我国文物数字化保护利用需求的不断提高，对文物三维数字化的要求逐步迈向超高清阶段，即获取兼具高精度几何信息和高还原度颜色信息的文物超高清三维模型数据，以满足迅速更新迭代的应用终端和各类符合高质量发展要求的应用场景。目前成果一致性好、可工程化实施的文物三维数字化流程还没有得到规模化应用。本文通过对比已有标准化文件，梳理完善数字化流程，探讨优化数据加工、质量控制和成果量化评价流程的方法，以期提高文物三维数字化效率、提升文物三维数字化成果质量，为文物保护单位采用三维数字化技术方法采集获取文物超高清三维数据提供参考性依据和可操作性方案。

关键词：器物类文物，超高清，文物三维数字化，流程设置，标准化

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.22.005

0 引 言

文物三维数字化包括文物三维数字化采集和加工流程，是将文物实体以数字技术等技术方法转化生成具有三维空间特征的数字虚拟可视化数据形态。随着数字技术的持续发展，目前文物三维数字化在文物保护、研究、展示等方面发挥越来越重要的作用，为文物数据多层次多维度应用提供坚实的三维数据基础。

从国内文博行业实践来看，文物三维数字化有以下三方面的发展趋势。一是有更高精度和更高分辨率的要求。在《“十四五”文物保护和科技创新规划》中明确提出：加强文物数字化保护，以世界文化遗产、全国重点文物保护单位、馆藏一级文物等为重点，推进相关文物信息高清数据采集和展示利用。二是有建立标准化作业的要求。《“十四五”文物保护和科技创新规划》同样明确提出建立文物数字化标准规范体系的要求，旨在提升文物三维数字化的效率和質量的同时，形成规模化效应，加强数字文物对实体文物保护利用的助力赋能。三是随着技术的持续发展，应用终端的不断迭代更新，新的应用场景不断涌现，这对文物三维数字化工作提出了更高的要求。不仅需要获取文物精确的几何数据，同时也需要获取具备高拟真度的文物高分辨率颜色信息，以及准确的颜色分布和变化表现，生成兼具高精度几何信息和高还原度颜色信息的文物超高清三维模型数据。无论是基于国家文物保护大政方针方面的考量，还是基于不断发展的现实需要，文物超高清三维数字化流程的规范化为文物数字化保护利用的高质量发展提供了具体的实践方案。

1 技术方法选择与适用

根据文物采集对象的差异，以及采集目的的不同，从目前文物三维数字化实践来看，共有三种文物三维数字化技术方法。第一种为三维扫描技术。第二种为摄影测量技术。第三种为三维扫描技术与摄影测量技术的结合使用。

三维扫描技术大约在20世纪90年代中后期就已经开始在国内文博行业逐渐应用，目前已广泛应用于测绘、病害分析、修复、传播展示等文物保护利用领域[1]。三维扫描技术在文博行业主要运用的技术有激光三维扫描和结构光三维扫描两种。虽然三维扫描技术在获取文物高精度几何数据方面具有优势，但单纯的三维扫描技术目前尚未能捕捉获取高分辨率的纹理和准确的着色信息。

近年来，随着摄影测量技术的持续进步，基于数码照片的轻量化、快速化三维重建技术在我国文博行业也逐步大量应用，在大空间测绘和文物传播展示领域应用较多。由于摄影测量技术的数据采集来源是数码照片，根本上解决了无法获取高分辨率纹理和准确的着色信息的问题，因此采用摄影测量技术获取的文物三维模型数据都可以获得良好的着色信息。但也正是由于直接基于文物二维影像获取文物三维点云，使点云数据存在较大误差，特别是面对造型复杂，不规则的文物对象时，这种误差会随之放大。与激光和结构光三维扫描相比，生产的模型精度较低。

文物数据的长期保存、文物的科学精细化保护、文物价值的进一步挖掘和阐释、面向新一代显示终端的超高清展示传播，这些代表文物保护利用高质量发展方向的应用领域都需要兼具高精度几何信息和高还原度颜色信息的文物超高清三维模型数据将三维扫描技术与摄影测量技术进行结合使用，既能发挥两种技术方法的优点，又能弥补两种技术方法的不足，保证最终生成的数字化成果既拥有较高的几何精度，同时也保有超高分辨率的贴图数据，拥有与实物比拟的高保真度，能够较好满足上述一系列面向更高终端应用的需求。

随着显示终端分辨率已从2K逐渐过渡到4K（3840*2160 pixels）和8K（7680*4320 pixels）阶段，一方面这为文物三维模型数据承载和显示更多文物表面信息提供了技术呈现基础和手段，使得高质量文物三维模型数据的价值得到进一步发挥；另一方面这也对文物三维模型数据质量，特别是对于模型数据的纹理贴图分辨率（texture resolution），以及纹理贴图（texture map）与网格模型（meshmodel）之间的准确映射有了更高的参数要求。为此面向4K以上新显示终端条件下的文物超高清三维数字化（Ultra-high Definition 3D Digitalization of Cultural Relics）概念初步成形。

文物超高清三维数字化是指三维数字化的成果纹理模型（texture model），不仅拥有不大于0.2 mm的模型精度，同时兼具匹配4K以上显示终端的超高清分辨率和清晰效果。纹理模型（texturem o d e l）由网格模型（me s h m o d e l）和纹理贴图（texture map）构成，纹理模型最终的视觉效果，取决于网格模型的网格精度、密度，以及纹理贴图的分辨率。其中纹理贴图参数质量影响最大。参照国际电信联盟ITU制定的《超高清电视系统节目制作和国际交换参数数值》建议书（ITU-R BT.2020-2）中的技术规定，以对角线长1.5 m屏幕（尺寸1.31m×0.74 m）1：1的图像显示为基本输出规格，确定文物超高清三维数字化的技术指标[2]。由于文物三维模型数据使用较多的应用场景都会涉及到对模型数据的放大观看，模型数据的局部细节需要充满屏幕显示。为此需要以满足数据局部细节观看要求来作为底限指标，即要求按1：1对应文物对象1平方分米的面积范围内不小于4K（3840*2160 pixels）的纹理贴图分辨率，按dpi换算则是要求纹理贴图满足不小于800 dpi的分辨率指标要求。

2 器物类文物超高清三维数字化规范化流程

2.1 已有流程比较与分析

随着文物三维数字化工作实践的不断开展，目前国内已有部分省市开始针对馆藏文物（可移动文物）进行三维数字化的流程标准化工作。例如河北省于2020年实施的地方标准DB13/T 5260-2020《金属类可移动文物三维数据采集规范》、北京市于2021年实施的地方标准DB11/T 1922-2021《文物三维数字化技术规范 器物》、山西省于2023年实施的DB14/T 2720-2023《可移动文物三维激光扫描数字化采集规程》，以及甘肃省于2023年实施的地方标准DB62/T 4726-2023《馆藏器物类文物三维数据采集技术规范》均有涉及器物类文物三维数字化流程。其中DB11/T 1922-2021涵盖了文物三维数据采集和加工的全流程，较为详细地规定了三维扫描技术和摄影测量技术进行文物三维数据获取的规范化流程，同时也规定了基于长期数据存储目的的存档级文物三维模型数据的采集和加工流程、参数项和指标值[3]。在其他标准化文件中，如DB62/T4726-2023中并没有将三维扫描技术与摄影测量技术结合的技术方法规范化，只就点云数据加工处理进行了一般性规定[4]。在DB14/T 2720-2023中将对纹理贴图的数据处理分成了手工和自动两种，但并未进一步说明如何自动映射，只是简要说明某些扫描仪具备自动获取纹理贴图，并自动将纹理贴图映射到网格模型上的功能[5]。

此外刁常宇在其著作中对文物三维数字化流程，特别是高保真文物三维数字化进行了简要流程描述[6]。在域外，2018年Dostal 等人也就高质量文物三维数据的生成流程进行了研究，提出结合了三维扫描仪和计算机视觉摄影测量技术优势的数据加工方法，称为摄影测量纹理映射（photogrammetrictexture mapping，以下简称PTM）[7]。与Dostal 等人研发出PTM方法的同期，故宫博物院也采用了类似PTM的技术流程，将摄影测量获得的网格模型替换成三维扫描获取的更为精准的网格模型，将摄影测量获取的文物纹理及着色信息映射到三维扫描获取的网格模型上，以此得到兼具准确几何信息和颜色信息的高品质文物超高清三维模型数据[8]。

2.2 规范化流程设置与考量

文物超高清三维数字化全流程主要包括4个作业环节：（1）前期准备，包括方案设计、条件准备；（2）数据采集，包括控制测量、三维扫描、摄影测量；（3）数据加工，包括三维数据加工、摄影测量加工、三维扫描与摄影测量三维重建结合的数据加工；（4）成果存储，包括成果整理、成果存储。从整体流程来看，前期准备和数据采集两个环节在目前相关标准化文件中流程化设置比较清晰明确，与文物超高清三维数字化流程的区别主要集中在数据加工、全流程质量控制及成果纹理模型量化评价环节。因此本章以下小节将着重就文物超高清三维数字化在数据加工、贯穿全流程的质量控制环节及成果纹理模型量化评价的流程设置进行探讨。

2.3 相关流程设置的探讨

2.3.1 三维数据加工

三维扫描数据加工应按下列要求进行：（1）除去与可移动文物无关的多余部分；（2）消除变形、叠面、交叉面等现象；（3）在符合最大点间距不大于0.5 mm，平均点间距不大于0.2 mm的条件下，进行三角网减量；（4）保证模型精度不大于0.2 mm要求下，进行局部或整体平滑处理；在最大点间距、平均点间距和模型精度符合前述参数值情况下，宜重复上述步骤使网格模型数据量最小。

2.3.2 摄影测量数据加工

摄影测量数据加工应按下列要求进行：（1）消除网格模型中的变形、叠面、交叉面、缝隙等现象；（2）消除纹理贴图中的模糊、拉伸、接缝、高光等问题；（3）进行纹理貼图匀色，使纹理颜色均匀统一；（4）在最大点间距、平均点间距和模型精度符合前述参数值情况下，宜优化网格模型和优化贴图使数据量最小化；（5）重新分布模型UV，消除碎片化UV。

2.3.3 三维扫描与摄影测量三维重建结合的数据加工

在完成三维数据加工和摄影测量数据加工后，其后的工序就应该是将这两个数据进行拟合映射，将摄影测量获得纹理贴图经过烘焙（bake）准确映射到三维扫描获取的网格模型上，生成最终的成果纹理模型数据。该环节主要由两个作业流程组成。

一是对三维扫描的网格模型进行UV分块和展开：（1）UV分块的边界应在文物模型的隐蔽、平滑处，且不破坏文物主体纹饰；（2）对UV展开的结果采用棋盘格法进行形变校验，UV分块应分布均匀、充满画幅、无拉伸。出现形变区域较大或局部变形较明显时，应对UV分块调整后，再进行UV展开。

二是在完成UV分块和展开后，进行纹理贴图映射烘焙：（1）摄影测量网格模型与三维扫描网格模型之间的误差与摄影测量生成纹理贴图的误差之和，应不大于0.2 mm的纹理贴图映射位置误差；（2）使用的烘焙软件应能将摄影测量三维重建纹理模型的纹理贴图完整、准确烘焙至三维扫描网格模型上，且输出烘焙结果评价信息；（3）纹理贴图烘焙完成后应进行纹理贴图检查，重点检查网格模型曲率大的部位，如出现问题，及时查找原因并解决。

2.3.4 全流程质量控制

要获得高质量的文物三维模型数据，就需要对数字化全过程进行质量控制。在前期准备环节，在方案设计中需要进行质量控制策划和设计，并规范采集场地、人员和设备的要求；在数据采集环节，规范控制点的布设和测量，以及具体采集技术方法和实施过程，并在采集完毕后对采集数据进行质量检查，不将本环节的数据质量问题带到下一个流程中；在数据加工环节，规范具体加工技术方法和实施过程，在加工完毕对成果纹理模型数据进行检查。在数据采集和加工环节的质量检查需要从模型精度、最大点间距、平均点间距、模型完整度、纹理贴图分辨率、色差平均值及映射位置误差7个方面进行检查。覆盖全过程的质量控制才能最终保证文物三维模型数据的完整性、准确性和可用性。

2.3.5 成果纹理模型数据量化评价

成果纹理模型数据量化评价是文物超高清三维数字化流程中衡量成果纹理模型数据质量的关键环节。应从以下两个方面共7项量化参数项进行评价：一方面针对成果纹理模型数据的网格模型，模型精度不大于0.2 mm，采用标准器比对法或重复测量比对法检查；最大点间距不大于0.5 mm，采用软件分析法检查；平均点间距不大于0.2 mm，采用软件统计法检查；模型完整度不小于95%，采用软件统计对比法检查。另一方面针对成果纹理模型数据的纹理贴图，纹理贴图分辨率按1：1对应文物对象需满足每平方分米不小于3840*2160 pixels，采用软件报告法或推断法检查；色差平均值不大于3.5，采用规范计算法或工具软件法检查；映射位置误差不大于0.2 mm，采用报告值求和法检查。

3 实践分析与验证

3.1 采集与加工样本情况简介

故宫博物院从2018年开始每年定量采集院藏文物三维数据，从2021年到2022年间按照规范化流程生成了180件文物三维模型数据。这里从其中抽选了12件院藏文物超高清三维模型数据进行规范化流程实施与验证工作。如表1所示，12件器物类文物的材质和形态各异，大小不一，部分文物表面有较明显且繁复的纹饰或浅浮雕，有些文物也有较明显的镂空和形体遮挡情况。这些情况都为验证规范化流程提供了较好的样本类型覆盖基础。

3.2 实施效果分析与评价

经过超高清三维数字化流程实施，生成了12件文物三维模型数据成果。直观上看，12件文物三维模型数据能够准确还原文物几何形体信息和颜色信息造型准确，纹理逼真，如表1所示。除直观检视外，为了保证文物三维模型数据的可靠性，需要对模型数据成果进行量化评价，从几何精度、纹理贴图单位面积分辨率及色差控制三个方面进行量化评价。

在几何精度方面，将12件文物三维模型数据成果的平均点间距作为量化评估参数项。从表1可以看出，12件文物三维模型数据成果的平均点间距数值趋于一致，能够说明该文物超高清三维数字化流程的规范性，所生成的数据几何精度处于同一水平，均不大于0.2 mm。12件文物三维模型数据的单位面积纹理贴图分辨率均大于4K（3840*2160pixels）的要求，全部符合1平方分米面积内不小于4K标准显示标准的总像素要求。色差平均值利用软件工具按CIEDE 2000公式计算，均不大于3.5，将文物三维模型数据的色差控制在较为理想的范围内[9]。总体上看，经过文物超高清数字化流程生成的12件数据成果总体上符合超高清三维数字化的技术要求。

4 结 语

超高清三维数字化技术能够提供更真实、精准的器物类文物数字模型，记录尽可能多的文物表面细节和特征，进一步满足文物保护、研究和展示的高质量需求。规范化的流程设置可以提高数字化过程的效率与质量，减少不必要人为干预带来的数据误差风险。通过适当的技术实现手段及数据处理方法，超高清三维数字化的数据成果可以满足文物三维数据长期保存的需求，避免因技术快速迭代和终端需求频繁更新，在较短时间内反复提取文物进行数据采集。标准化的文物超高清三维数字化一方面减少了文物数据采集的综合成本，另一方面也无疑减少了文物因反复提取而造成损坏的潜在风险几率。

参考文献

[1]魏薇，潜伟.三维激光扫描在文物考古中应用述评[J].文物保护与考古科学，2013，25（1）：97-104.

[2]ITU-R BT.Parameter values for ultra-high definition television systems for production and inter national programme exchange[J ]. Switzerland： International Telecommunication Unit，2020（2014）：1-8.

[3]文物三維数字化技术规范 器物：DB11/T 1922-2021[S].北京：北京市市场监督管理局，2021：4-7.

[4]馆藏器物类文物三维数据采集技术规范：DB62/T 4726-2023[S].兰州：甘肃市场监督管理局，2023：5.

[5]可移动文物三维激光扫描数字化采集规程：DB14 / T2720-2023[S].太原：山西市场监督管理局，2023：7-8.

[6]刁常宇.有器之用——馆藏文物数字化采集与质量评价[M].杭州：浙江大学出版社，2021：164-168.

[7]DOSTAL C， YAMAFUNE K. Photogrammetric texture mapping： A method for increasing the Fidelity of 3D models of cultural heritage materials[J]. Journal of Archaeological Science： Reports， 2018， 18： 431.

[8]欧阳宏.故宫院藏文物的三维数据采集与应用[J].数字图书馆论坛，2019，182（7）：50.

[9]郑元林，刘士伟.最新色差公式：CIEDE2000[J].印刷质量与标准化，2004（7）：35-36.

作者简介

黄墨樵，博士，副研究馆员，主要研究方向为文物数字化保护利用标准化。

刘欢，本科，高级工程师，主要研究方向为文物数字化保护利用标准化。

侯琛琛，硕士，高级工程师，主要研究方向为文物数字化保护利用标准化。

（责任编辑：张瑞洋）