三維掃描技術在牙骨角器藏品數(shù)字化中的應用

張楠　靳旭　宋苑

摘要：三維掃描技術是一門新興的立體測量技術。麋鹿苑運用三維掃描技術初步完成了對館藏鹿角藏品的數(shù)據(jù)采集、加工工作。三維掃描技術與鹿角藏品的結合對糜鹿苑的科研、科普、旅游產(chǎn)品開發(fā)，以及未來鹿角比對系統(tǒng)的研發(fā)工作產(chǎn)生了積極的影響。

關鍵詞：博物館 三維掃描 鹿角 藏品 三維模型

中圖分類號：J05 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（a）-0016-02

三維掃描技術是一門新興的立體測量技術。該技術以激光或結構光為測量媒介，能夠快速采集物體表面的三維坐標信息，獲得完整的原始測繪數(shù)據(jù)，并高精度地重建掃描實物。目前，三維掃描技術已在虛擬現(xiàn)實、建筑設計、能源化工、考古發(fā)掘等諸多領域得到應用。這一技術具有精度高、速度快、數(shù)據(jù)通用性強、節(jié)約時間和成本等特點，且不會造成測量物表面的變形和損傷。因此，近年來，我國已有部分博物館采用三維掃描技術對易受損壞的藏品進行數(shù)字化處理。

在博物館中，牙骨角器是一類較為常見且易受損壞的藏品。以鹿角藏品為例：鹿角的主要成分是碳酸鈣，表面極易受到酸的侵蝕。在鹿角藏品的鑒別、研究、布展等過程中，往往需要對其進行測量、拿取和搬運。鹿角長期暴露于空氣中，或觸碰到手部油脂，會增加其遭到污染、酸化的風險，容易造成珍貴標本、文物的損耗和損壞。與此同時，部分鹿角枝權繁多，三維形態(tài)復雜，傳統(tǒng)的陳列方式很難充分傳達藏品蘊含的全部信息。因而，如何將新技術與博物館展示方式緊密結合，提高藏品的數(shù)字化程度，增加其知識含量與互動性，已成為博物館發(fā)展中需要探索和思考的問題。該文僅以北京南海子麋鹿苑博物館為例，探究三維掃描技術在鹿角藏品數(shù)字化工作中的應用及成效。

1.麋鹿苑博物館的概況

北京南海子麋鹿苑博物館，又名北京麇鹿生態(tài)實驗中心，是一所以麋鹿研究、生物多樣性保護為主旨的科研、科普性事業(yè)單位。它坐落于北京城區(qū)東南方約10km處，占地面積約55 hm²。作為北京第一批免費向市民開放的戶外生態(tài)博物館，北京南海子麋鹿苑博物館（簡稱麋鹿苑）在傳播科學知識，引導青少年認識自然、探索自然等方面發(fā)揮著重要的作用。

自1985年成立以來，麋鹿苑常年致力于麋鹿及鹿角相關課題的研究。目前，館內(nèi)收藏有各類鹿角標本、亞化石、古代文物近萬件，涉獵鹿類包括麋鹿、馬鹿、水鹿、梅花鹿、西伯利亞狍等多個物種。龐大的鹿角藏品數(shù)量一方面為物種甄別、形態(tài)研究等科研工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)，另一方面，對藏品展示、數(shù)據(jù)管理、藏品歸類、博物館數(shù)字化、藏品保存等工作提出了更高的要求。

2015年，麋鹿苑運用三維掃描技術對館藏的約50件鹿角藏品進行了數(shù)據(jù)采集和加工工作。三維掃描技術的應用對麋鹿苑的科研、科普等工作產(chǎn)生了積極的影響。

2.鹿角藏品的數(shù)據(jù)采集步驟

藏品選取階段，從麋鹿苑館藏的鹿角藏品中篩選出不同年齡段、不同鹿種，具有代表性和特殊性的鹿角，并對藏品進行物種鑒別，清潔、人工測量和備案登記。選取的鹿角物種具有多樣性，包括麋鹿、馬鹿、梅花鹿、狍子、白唇鹿等。

二維數(shù)據(jù)采集階段，考慮到鹿角的形態(tài)復雜，在安全性方面具有特殊要求，藏品由專業(yè)人員負責搬運，并根據(jù)不同藏品的外觀形狀、保存狀況、應用要求等因素配置燈光，調(diào)整拍攝方案，從多個角度進行攝影。攝影后，針對未來不同應用方式的圖片進行不同的圖像處理、格式轉換和保存管理。后期處理以圖片需要為依據(jù)，進行包括糾偏、去噪、調(diào)整量度、對比度、裁剪、合成等方面的調(diào)整和輸出。二維原始數(shù)據(jù)按照RAW格式保存，分辨率300 dpi以上（見圖1）。

三維數(shù)據(jù)采集階段，通過三維白光掃描儀，以結構光源投影到藏品表面，將物體的表面形狀轉換成幾何點坐標數(shù)據(jù)。點坐標數(shù)據(jù)經(jīng)過除噪聲點，數(shù)據(jù)插補，數(shù)據(jù)光順，點云拼接等后期處理，投入數(shù)據(jù)的深度處理及建模。即在點云數(shù)據(jù)預處理的基礎上，對于海量的復雜點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)分割、提取特征值，并根據(jù)數(shù)據(jù)各面片的特征分別進行曲面擬合。通過在面片間求交、拼接和匹配，使之成為連續(xù)光順的曲面，獲得藏品的三維模型。此后，經(jīng)過結合此前采集的藏品二維數(shù)據(jù)，對三維模型進行紋理映射、紋理合成、表面著色等方法，給模型表面賦予顏色、光澤度和透明度等屬性值，生成具有真實感的三維物體。根據(jù)后續(xù)開發(fā)和應用的要求，三維數(shù)據(jù)保存為STL、OBJ和DXF等格式，可以進行翻轉縮放預覽（見圖2～圖6）。

3.三維掃描技術的應用意義

麋鹿苑鹿角藏品的三維數(shù)據(jù)采集對藏品的研究、保護、展覽、宣傳及博物館功能的建設具有一定的積極作用。

從科研層面看，藏品的三維數(shù)據(jù)采集能夠滿足科研人員對測量數(shù)據(jù)的需求。通過考察各個年齡段鹿角的體量、密度、三維結構等因素，科研人員可以對鹿角藏品進行更深層次的科學研究，探尋鹿角生長發(fā)育中規(guī)律，研討鹿角標本、文物鑒別的新標準，提高博物館藏品保護、管理工作的水平。

從科普層面看，藏品的三維數(shù)據(jù)的采集可以積累鹿類動物和鹿角形態(tài)方面的科普資料。采集形成的圖形和模型具有多種用途，可應用于包括高質量二維打印、高精度三維打印和科普衍生品加工、科普宣傳展示和出版等各種應用要求。由此，使社會大眾擁有更多了解鹿類動物的機會和渠道，推動科學知識的普及。

從旅游產(chǎn)品開層面看，鹿角作為鹿科動物最具代表性的體貌特征之一，其形態(tài)兼具力量與美感，在廣大游客心目中是一種不可代替的符號。鹿角藏品的二維、三維數(shù)據(jù)采集、模型構建，為鹿角相關旅游產(chǎn)品的設計和開發(fā)提供一條捷徑。

從創(chuàng)新層面看，目前我國國內(nèi)鹿角藏品大規(guī)劃的數(shù)字化采集的先例較少。其采集成果是對鹿角形態(tài)研究、藏品展示、博物館數(shù)字化工作的一次探索和實驗，為日后高新技術與自然科學研究、博物館研究的廣泛結合打下基礎。

從未來發(fā)展層面看，鹿角藏品的三維數(shù)據(jù)采集為‘飩角比對系統(tǒng)”的開發(fā)做好了準備。目前，在館藏藏品分類和文物鑒別過程中，單單依據(jù)鹿角的形態(tài)，分辨出鹿角所屬的物種是有較高難度的，特別是在對鹿角殘片和已被制成工具的鹿角制品進行鑒別時。以往的鹿角種類鑒別工作，主要是依靠專家學者對鹿角的近距離觀察，憑借自身經(jīng)驗，通過鹿角形態(tài)的比對，進行較為模糊地界定。這種傳統(tǒng)的鑒定方式，效率低，周期長，主珊眭大，難以勝任藏品批量鑒定，并且在鑒定過程中，容易對珍貴的藏品進行損害。鹿角藏品的三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、模型建立，使通過計算機技術篩選、鑒定不同物種鹿角的獨有形態(tài)特征成為可能。