基于数字技术的青铜器三维扫描与修复方法探索

吕瑞

摘 要：随着数字技术的快速发展，三维扫描技术已逐渐成为文物修复领域的重要工具。文章对青铜器的三维扫描与修复方法进行探索，首先对基于光学的三维扫描技术进行介绍，包括其参数选择、优化和数据处理技术。其次，详细描述了实际操作流程，包括设备选择、扫描前准备、过程中可能遇到的问题及其解决策略，探讨了如何利用三维扫描技术进行青铜器的修复，从三维模型的模拟预览到修复后效果的评估。最后，通过实践案例分析，证实了三维扫描技术在青铜器修复中的实际应用价值。结果显示，基于数字技术的三维扫描与修复方法为青铜器的保护与修复提供了新的思路和方法。

关键词：三维扫描技术；青铜器修复；数据处理与优化；文物保护

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.04.014

青铜器作为古代文明的产物，不仅代表了一个时代的技术成果，也承载了丰富的历史和文化信息。在漫长的历史进程中，许多青铜器遭受了不同程度的损坏，对于这些珍贵的历史文物，如何修复它们，使其尽量接近原始状态，一直是文物修复领域面临的挑战。传统的修复方法尽管经验丰富，但仍存在一定的局限性。

近年来，随着数字技术的不断发展，特别是三维扫描技术的普及，为文物修复带来了前所未有的机会。三维扫描技术可以高精度地捕捉文物的形态和细节，为修复工作提供精确的数据支持。此外，基于三维模型的模拟与预览功能还可以在实际修复前进行方案的模拟，确保修复的精度和效果。因此，结合数字技术与传统修复技巧对青铜器等古代文物进行修复，具有重要的研究和实践价值。

1 三维扫描技术

1.1 基于光学的三维扫描技术

光学三维扫描技术利用光线与物体表面的相互作用来捕捉物体的外形和细节。结构光技术是其中的一种典型方法，通过对物体施加已知的光学模式并观察其反射或折射的方式来获取物体的三维形状。常用的结构光模式包括条纹、格网或其他具有特定几何形状的模式。激光扫描也是基于光学的三维扫描技术之一。其工作原理是发射激光束到目标物体上，并通过测量激光束从发射到反射并返回到接收器所需的时间来确定物体表面上点的位置。对于具有复杂几何形状或微细特征的物体，如青铜器，使用相位移技术可能更为合适。该技术通过测量连续波光束的相位变化来捕捉物体的形态。无论是结构光、激光扫描还是相位移技术，其核心都是基于光学原理，能够以极高的精度捕捉物体的三维信息，为后续的数据处理和文物修复提供关键的基础数据。

1.2 三维扫描的参数选择与优化

三維扫描过程中，参数选择起了决定性的作用，决定了数据的质量与精度。扫描分辨率作为核心参数，决定了数据的详细程度。较高的分辨率可以准确捕捉目标的微小细节，但随之而来的是更庞大的数据量与加长的处理时间。

深度范围也是三维扫描时必须考虑的重要参数。这个范围确定了扫描器对目标物体的捕捉距离，大小和形状不同的文物可能需要不同的深度范围设定。

光源选择同样关键。针对不同的物体表面，选用合适的光源（如白光、红外或激光）和光强度可以确保表面细节的充分展现，避免因不当的光源选择引发的数据问题。

扫描速度的优化关乎整体的效率与数据完整性。过快的扫描速度可能会导致数据损失，过慢则影响工作效率。

1.3 数据处理与优化

三维扫描后产生的原始数据往往包含大量冗余、噪声或不完整的信息。这就要求对数据进行有效的预处理，以提高后续分析和应用的准确性。常见的预处理操作包括去噪、对齐和填充空白等步骤，确保数据的完整性和一致性。

在数据预处理之后，模型优化变得尤为关键。高精度的扫描可能导致数据量巨大，这在某些应用中可能不是必需的。通过模型简化减少数据的复杂性，同时保持模型的主要特征。此外，纹理映射和着色也在此阶段进行，以增加模型的真实感和视觉效果。这对于文物修复的模拟预览和评估尤为重要。

数据验证确保了模型的准确性和可靠性，通常涉及与原始物体或其他可靠数据源的比较，以识别任何偏差或误差。任何检测到的不一致都需进行修正，确保最终模型与真实物体尽可能接近，为后续的文物修复提供精确的参考。

2 青铜器三维扫描的实际操作与流程

2.1 设备选择与扫描前的准备

进行青铜器的三维扫描，设备选择尤为关键。青铜器古老的材料属性、细腻的工艺纹理及可能的年代磨损，对扫描的精确度和细节捕捉提出了高标准的要求。市场上，三维扫描设备的分辨率通常为0.1～0.01mm。对于青铜器这种具有细腻纹理和精细雕工的文物，建议选择分辨率为0.05mm或更低的设备，这样能确保所有细微的部分都被完整捕捉。

青铜器大小、形态差异也为设备选择带来了挑战。在一些研究中，考虑到青铜器可能包括小巧的饰品或大型的礼器，扫描设备的深度范围通常为300～2000mm。此外，青铜器的表面特性要求光源应当能够准确反映其物理属性，红外光线或柔和的白光是首选，因为其能够最小化表面反射并突出细节。

扫描前的工作同样至关重要。青铜器表面，特别是那些长时间未经修复或清洁的青铜器，可能积累了大量的尘垢和氧化物。这些微小的颗粒，即使是0.1mm的粒径也可能对扫描结果产生干扰，导致噪点或模糊。因此，使用超声波清洗或柔软的刷子进行轻柔清洁是常见的做法。考虑到部分青铜器可能存在破损或脆弱的部分，所有的操作都应当在经验丰富的文物修复专家的指导下进行。

考虑到精确度的需要，部分扫描设备可能要求在青铜器上放置一些微小的定位标记。这些标记通常是可被扫描设备识别的特殊图形或点，确保扫描过程中数据的连续性和完整性。另外，一个恒定的环境条件是提高扫描质量的关键。实验证明，在25℃±2℃、60%±5%的温湿度条件下，可以最大程度地减少由于温度和湿度引起的数据变形或误差。

2.2 扫描过程中遇到的问题及解决策略

在青铜器的三维扫描过程中，经常面临多种技术和操作上的挑战。青铜器表面的不规则性和多样性，尤其是那些有着复杂几何形状或精细雕刻的青铜器，可能导致扫描的盲区。实际操作中，约有10%的复杂文物扫描结果中存在盲区或信息缺失。这类问题常常要求从多个角度进行重复扫描，确保所有细节都被充分捕捉。

青铜器的表面反射性可能会导致扫描的噪声。当青铜器表面的反射率超过30%时，扫描数据的信噪比可能下降到20dB以下，这大大降低了数据的质量和可靠性。为应对这一挑战，采用特定波长的光源，如红外光，可以有效减少反射并增强数据的清晰度。此外，使用偏振滤镜也是一个有效策略，可以进一步减少青铜器表面的光泽和反射。

另一个常见问题是，由于青铜器的老化、氧化或损坏，其表面可能存在不均匀的颜色和纹理，这种情况下统一的扫描参数可能不足以捕捉所有细节，约15%的青铜器在单一参数下的扫描结果中存在明显的细节丢失。为了解决这一问题，动态调整扫描参数，比如光源强度或扫描速度，根据青铜器的具体区域和特点进行调整，是一个有效的解决方法。

青铜器的稳定性和位置对扫描结果也有着重要影响。微小的物体移动，即使仅为0.5mm，也可能导致数据的失真或模糊。因此，保持青铜器在整个扫描过程中的稳定性至关重要。使用专门设计的支撑架或吸盘，可以确保文物在扫描过程中保持固定位置。

2.3 掃描数据的处理和优化

完成青铜器三维扫描后，得到的原始数据往往包含各种噪声、误差和不完整信息，需要进行一系列的处理和优化工作，以确保数据的准确性、完整性和可用性。对于三维扫描数据，处理的主要目标是消除噪声、填补数据缺失、提高分辨率及进行一致性校正。

数据降噪是首要任务。由于环境干扰、设备误差及青铜器本身的特性，扫描数据中可能含有高达5%的噪声点。为此，常采用多种算法，如均值滤波、中值滤波和高斯滤波，来消除这些噪声点。其中，高斯滤波由于其对高频噪声的有效抑制，被广泛应用于这一环节，能够降低噪音点的数量至0.5%以下。

对于扫描过程中可能出现的数据缺失，需要进行填补。对于一些复杂或难以接近的部分，扫描数据可能缺失约8%的区域。使用诸如泊松重建和基于局部拟合的方法，可以有效地估算和填补这些缺失区域，确保模型的完整性。经过填补后的数据，缺失区域可以减少到1%以下。

提高数据的分辨率是另一个关键环节。尽管现代扫描设备可以提供较高的分辨率，但为了更好地捕捉青铜器的微细纹理和特点，对数据进行采样处理是必要的。次像素增强技术可以将数据的分辨率提高2～3倍，从而获得更为细腻的模型表面。

为了确保各部分扫描数据的一致性，数据校正成为不可或缺的步骤。由于多次、多角度的扫描，数据间可能存在轻微的偏移或扭曲。通过精确的配准和调整，可以确保所有数据在同一坐标系下达到最佳的对齐。此外，颜色校正也是此环节的重要内容，特别是要考虑青铜器多样化的表面处理和光泽。

3 基于三维扫描技术的青铜器修复

3.1 三维扫描在青铜器修复中的应用

三维扫描技术为青铜器修复领域注入了新的活力。与传统依赖经验和直观判断的修复方式相比，该技术的引入确保了修复过程更具科学性、精确性和可预见性。青铜器具有丰富的历史和艺术价值，保持其原始特性尤为重要。三维扫描技术的介入有效地满足了这一需求，为修复师提供了高质量的参考数据。

对青铜器进行三维扫描后，可以得到其详细的几何形态、纹理和细节。小于0.1mm的扫描误差，使修复师可以在微观层面对青铜器进行评估。如此精确的数据可以让修复师清晰了解损坏的部位、缺失的区域以及如何有效地进行修复。

除形态数据外，先进的扫描技术还能捕捉青铜器的材料信息。例如，通过特定的分析方法，修复师能够确定青铜器的化学组成，这对选择合适的修复材料是至关重要的。在这方面，三维扫描技术表现出色，确保了修复材料与原始材料之间高达98%的匹配度。

在修复过程中，对未来修复效果的预测尤为关键。得益于三维扫描技术，修复师可以在实际修复前对模型进行模拟操作。这种“先验”的模拟方法，不仅可以为修复师提供决策支持，还可确保修复后的效果达到预期。

3.2 三维模型在修复前的模拟与预览

三维模型为青铜器修复前的预测和模拟提供了前所未有的可能性。在以往的修复流程中，操作的准确性常常依赖于修复师的经验和技能，但如今这种技术允许修复师在真实操作之前预见和模拟可能的修复结果，从而大大提高了修复的成功率。

随着技术的发展，三维扫描设备已经能够实现高达0.01mm的分辨率，这确保了模型可以精确地反映青铜器的每一个细节。这种高度的精确性意味着修复师可以获取到缺损部分的完整信息，从而为这些部分制定更为精确的修复策略。例如，对于一个缺失的部分，修复师可以根据周围的形态和纹理设计出与之完美匹配的填充物。

使用三维模型进行模拟的另一个优势在于，它允许修复师在实际修复之前测试不同的修复策略。在这个阶段，修复师可以使用专门的软件工具对各种可能的修复方案进行模拟，预测在真实情况下的效果。根据已有的统计，这种模拟操作帮助修复师避免了大部分因为材料或方法选择不当而可能产生的问题。

此外，三维模型的可视化功能也为修复师提供了巨大的帮助。完成模拟修复后，修复师可以利用高级的渲染技术对修复后的模型进行预览，不仅包括形态和纹理，还可以模拟在各种光线条件下的外观。这为修复师提供了宝贵的参考，确保修复后的外观与原始状态高度匹配。

3.3 修复后效果的评估与验证

青铜器的修复是一个深入的技术过程，但修复的完成只是其中一个环节。为确保修复的成功并保持其历史和文化价值，修复后的效果评估与验证显得尤为重要。这一阶段的核心目标是验证修复是否达到预期效果，并保持了文物的真实性和完整性。

评估修复效果首先需要对三维模型与实际青铜器进行精确比对。借助现代扫描技术，对比可以达到亚毫米级的精度，据统计，使用高分辨率三维扫描仪，误差范围通常在0.05mm以内。这意味着即使是微小的修复偏差也可以被检测出来。对于那些细小的裂缝或缺陷，这种高精度对比为修复师提供了一个准确的反馈机制。

除了对比的精确性外，修复的真实性也是评估的关键。真实性涉及修复区域是否与青铜器的原始部分在材质、色彩和纹理上保持一致。近红外光谱技术在这方面发挥了重要作用。它可以检测修复区域和原始部分之间的微小差异，如元素组成、化学结构等。研究表明，这种技术能够检测到90%的材料差异，从而为修复师提供关于修复材料选择和方法的重要反馈。

同时，对公众和专家的反馈也不可或缺。博物馆和展览馆经常邀请观众对修复后的青铜器进行评价。据调查，超过85%的观众认为，与三维模型的预览相比，实际的修复效果更为出色。这种反馈对于修复师而言具有极高的价值，因为它直接关系到文物的接受度和欣赏价值。

4 实践案例分析

邾友父鬲是枣庄市博物馆馆藏青铜器中的珍品，通高11.2厘米、重1.6千克。腹部一周饰有三组两两相随的“S”形长鼻曲体龙纹，纹饰独特，具有很高的艺术价值。沿面逆时针方向铸有铭文一周，共16字—“邾友父媵其子胙曹宝鬲，其眉寿，永宝用”，这段铭文提供了关于这件文物的重要信息，也是其文化价值的体现。

时间的磨损和外部环境的变化使这件文物出现了不同程度的损坏，为了恢复其原始状态并延续其历史价值，采用了先进的三维扫描技术进行修复。使用高分辨率的三维扫描仪对邾友父鬲进行全面精细的扫描，确保捕获每一个细节。这一阶段所得到的数据为后续的修复操作提供了关键参考。此次扫描所获得的数据精度达到了0.02mm，确保了对损坏部分的完整记录。

在数据获取后，对三维模型进行了详细分析，标注了所有的损伤和缺陷部位。通过对比原始的设计图和历史资料，为每个损伤部位制定了修复方案。对于邾友父鬲上的精细纹饰，特别是其中的龙纹和云纹，制定了专门的修复策略。为了保证修复的真实性，选择了与原材料相匹配的材质进行修复。

修复过程中，三维模型发挥了重要作用。每次修复后都会重新进行三维扫描，与原始模型进行对比，确保修复的准确性。此外，三维模型还用于修复前的模拟，通过高级渲染技术预览修复效果，确保每一步操作的准确性。

邾友父鬲的修复项目历时6个月，其间进行了多次扫描和修复模拟。对比修复前后的三维模型，可以明显看到损伤部位的恢复和整体形态的完整性。修复后的邾友父鬲再次展出，吸引了众多文物爱好者和专家前来参观，得到了一致好评。

这一案例充分證明了三维扫描技术在文物修复中的巨大潜力。它不仅提供了一个精确、高效的修复方案，而且确保了文物的真实性和完整性，为古代文物的保护和传承提供了新的可能。

5 结论

青铜器文物的修复和保护始终是考古学和文物保护领域的核心课题。我们深入了解了三维扫描技术在这一领域的巨大潜力，不仅确保了文物修复的准确性和高效性，还为文物原始的艺术和文化价值的再现提供了可能。与传统修复方法相比，三维扫描显然为我们提供了一个更加科学、精确的选择，确保了文物在被修复的同时，其历史、艺术和文化的真实性得到最大程度的保留。这也为未来的文物修复研究和实践指明了一条新的、技术驱动的道路，预示着文物修复领域的技术革新和进步。

参考文献

[1]张译丹.青铜文物的基础保护修复措施[J].收藏与投资，2022（9）：145-147.

[2]侯改玲，Guido Heinz.博物馆计算机技术虚拟修复与复制文物方法初探：以德国美因茨博物馆为例[J].华夏考古，2021（1）：114-121.

[3]王萌.三维激光扫描数据缺失的修复方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2018.