提要：3D技术以其精度高、速度快以及无损等特点优势，逐渐成为文物测绘与数字化的重要手段。然而，在文物保护应用中出现了人工干预高、成果不实用、数据利用率低等普遍问题。基于3D技术在多项文物保护修复工程中的应用实践分析，认为亟需建立相应的工作流程及技术成果规范，内容重点涉及精细化信息的认知与采集、三维建模与质量评估、多元数字化表达体系建立及文物保护专项应用深化等方面。
一、文物保护的3D技术需求
二、主要问题分析
（一）文物三维数字化保护标准规范缺乏及难点
（二）文物三维数字化工作程序中多学科交叉性需求强
三、应对策略思考
基于上述问题分析，就3D技术在文物保护应用中的策略与主要研究方向进行探讨：
（一）文物信息精细化认知与采集
有形物质是文物信息的基本载体，主要包括外表形状信息和表面纹理信息。如何保证外部几何信息的精准性及纹理信息的逼真性，成为文物信息精细化采集的首要目标任务。但是在以测绘信息技术为主的数字化行业传统上多聚焦于有形的“物”，对于无形的、而又蕴含文物重要价值的“文”的理解往往有所欠缺，造成再高精的测绘技术也可能只是体现出文物的形貌而非神韵。因此，在实施数据采集前需要进行基于文物价值认知的空间分析，从而选择更合理的采集方式。
在文物信息采集时，一方面，要注重文物数字化精度的选择，需要通过前期采集试验，进行设备比选，确定最佳精度和密度，盲目采用仪器进行所谓的高精度采集往往会导致垃圾数据的产生及海量数据处理的困难性。另一方面，文物数字化保护所指的信息范围应有所界定，广义的文物数据信息还包括无损及无损检测数据、本体及环境勘察数据、遗产监测数据等，在文物保护工作中，可结合常规数字化保护数据的不足及保护工作的需要，提取部分数据作为补充。
（二）三维建模与质量评估
文物三维建模目前多依赖于Geomagic等成熟的专业软件，技术上已鲜有突破，而更需要的是建立标准的建模工作流程，包括点云处理接、三维几何建模及纹理贴图等关键环节。在点云数据处理中尽量避免因人工干预而造成的特征数据丢失，包括点云预处理、点云拼接及点云除冗等主要环节。在三维空间几何模型构建中多采用三角网方式，与传统方式建模有所区别的是，为突出文物局部细节，往往需要实施多尺度不同精度的建模。在彩色三维模型的构建中注重特殊视角的选择及边界差异的消减。此外，在三维建模的各环节均需要实时评估质量。
（三）多元数字化表达体系建立
传统上对文物的描述为照片及文字方式，存在单一和抽象的问题。基于3D技术，极大地丰富了文物信息形式，但是需要结合文物工作者的惯例及常规平立剖面图特点，形成基于3D的文物多元数字化表达体系。结合多种文物保护工程需求，文物多元数字化表达体系可归为三大类9小类：
1、基础模型类：即三维几何模型。该模型为根据处理过的点云直接构建的未着色彩的三维模型，可用于展示及简单的尺寸量测，也是其他图件模型的基础。
2、基本描述类：包括白模图和正射影像图两类。白模图实为三维几何模型不同视角的二维平面图。正射影像图是利用数字高程模型经过逐像元进行投影差改正、镶嵌、剪裁而生产的影像，兼具影像和几何信息，直观而可直接量测，成为文物保护工程中最基本的一类图件，如在文物病害调查中可直接作为底图进行病害标注和面积统计等。
3、专题表达类：主要包括特征线划图、剖面图、等值线图、骨架线图、透视图、展开图等7类。特征线划图是体现文物形态特征的一类重要图件，如考古线图。剖面图是通过对图形按照一定剖切方向所展示的内部构造图示，包括全剖、半剖及阶梯剖图等，是文物保护工程中进行详细设计时所需要的重要图件。等值线图是是用数值相等各点联成的曲线（即等值线）在平面上的投影来表示被摄物体的外形和大小的图，可用于工程设计或雕刻复制。骨架线图是用与原形状连通性和拓扑结构相一致的细曲线作为理想表达的一种对象表示，是对文物特征的一种抽象描述。透视图是在人与文物之间设立一透明的铅锤面作为投影面，人的视线透过投影面而与投影面相交所得的图形。展开图是在文物表面沿一条特定的线切开后铺平成平面图形，可用于文物修复设计中的对比研究或展示。
（四）文物保护专项应用深化
四、应用案例探讨——3D技术在大足宝顶山石刻千手观音造像保护修复工程中的应用
（一）项目概况与3D技术需求
大足宝顶山石刻千手观音造像开凿于南宋淳熙至淳祐（1174-1252）年间，是我国现存最大的集雕刻、贴金、彩绘于一体的摩崖石刻千手观音造像，是世界文化遗产大足石刻的精华石窟和重要组成部分，具有较高的历史、艺术、科学及宗教价值。历经沧桑，不可避免地产生了多达34种病害，保护难度极大，于2008年被国家文物局列为全国石质文物保护一号工程。历时8年，于2015年该工程通过了竣工验收，取得了较好的保护修复效果。图1为千手观音修复前后对比，图2为某单只手（编号9-2-S1）修复前后的对比。
千手观音不仅体量大，而且空间结构异常复杂，加之表面破损严重，常规的测绘与数字化技术手段难以实现对千手观音现状信息的翔实调查与定量评估，对保护修复工作也难以提供精准的数据支持。前期试验表明，只有通过3D技术方可最大程度地留存千手观音的现状信息，并可为保护修复工作提供丰富图件。
（二）工作思路与技术要点
1、工作思路
2、数据采集要点
千手观音的数据采集主要有两个难点：一是表面形态复杂，采集视角遮挡严重，且表面贴金层有一定反射性，二是体量大而需要分区域采集（如搭设脚架），需要解决多站数据拼接的精度问题。因此，数据采集前，选用了多种设备进行对比实验，通过在数据质量、扫描精度、工作效率及价格等方面进行综合评定，最后选择海克斯康关节臂ROMER、Faro扫描设备进行三维数据采集。在采集过程中，参照控制测量的思路，以Faro扫描作为整体控制，以ROMER关节臂作为局部（单只手、法器等）的超高精度扫描，专门研制了一种基于精准控制的复合标靶基座装置，以解决不同三维数据的高精度拼接。结合保护修复各项工作需求，最终确定采样密度平均为0.1mm，留存了修复前、修复过程中及修复后的表面空间信息。同时，用NIKOND4等高清单反相机进行多角度拍摄，采集纹理色彩信息。
3、数据处理要点
为满足保护修复中各子项工作人员通用需求，首先是建立了千手观音整龛及单只手、法器、人像（中央主尊、胁侍、饿鬼）等局部的三维几何模型，在此基础上，制作了正射影像图。结合保护修复工作的专项需求，制作了特征线划图、骨架线图、剖面图，以及单只手及主尊等三维虚拟修复效果模型。此外，在大足石刻博物馆中的“一沙一世界”的数字展示中进行了效果渲染，如图3。
图3基于3D数据的千手观音数字展示
（三）保护修复应用
1、精确统计
基于三维数据成果，对千手观音进行了全面的调查统计，首次获取到千手观音最精准的信息，主要包括：千手观音手及手臂数量为830只，澄清了长久以来的1007只手的传说，其中283只为残存状况，并对手中的法器种类、名称和数量进行了统计；千手观音造像精确尺寸为上边长8.250m，下边长9.610m，中间最宽处10.662m，高7.510m，正投影面积74.98m2，总表面积为199.37m2，在此基础上，对石质、金箔和彩绘病害的面积、分布状况也进行了精确统计，分别为总表面积的7.12%、61.75%及16.53%。这些精确统计数据为工程量及经费的合理估算提供了科学依据。
2、特征提取
为把握好修复的整体效果，提取了造像整体和局部的若干重要特征，主要包括：总体上，造像下部至3.1m为垂直部分，之上部分为倾斜部分，且中间倾斜幅度为约19，两边约15；对单只手的骨架线进行提取，获得了长度、粗度、弯曲度等特征数据；获取了中央主尊面部与信众跪拜位置的角度与距离信息等。
3、虚拟修复
对于残损部位，运用计算机技术、数学理论及宗教知识，经虚拟修复技术人员与文物保护专家及现场修复师共同分析研究，总结归纳出了一套基于信息循证和三维模型的文物虚拟修复工作规程。以某只手的修复为例，其主要工作流程包括：
（1）信息循证：手印循证，即通过手掌朝向、四指朝向、弯曲程度及手指形态的特征数据，结合佛教手印含义，对千手观音手进行手印归类；对称相似手的循证，即从位置、手指轮廓、三维形态及手握法器样式等方面进行对比分析；残缺手指几何参数循证，即预测缺失部位长度等。
（2）修复建模：即通过上述信息循证，运用计算机进行定型、建模和检测，得到虚拟修复效果模型；
（3）效果表达：为方便现场修复工作人员在实际修复时参照使用，建立“五图一表”，即虚拟修复尺寸图、线划图、三维模型图、平立剖尺寸图、虚拟修复前后效果对比图及虚拟修复效果现场反馈表。
上述过程循环进行，逐步完善优化，直至实际修复工作完成。图4为某只手的虚拟修复过程及效果。
图4千手观音单只手的虚拟修复
4、其他
为支持保护修复工作，还进行了3D打印，对修复后的三维形态进行了跟踪监测。
五、结论
随着3D技术的不断成熟以及在文物保护应用中的逐渐深入，3D技术已经成为文物保护不中不可或缺的一种手段，应用潜力极广。但是，由于文物保护工作的多学科交叉性，难免出现三维数据成果与文物保护需求脱节的问题。研究表明，问题的解决需要结合管理和技术双重角度，从管理上要着重建立3D技术在文物保护应用中的标准规范，重点涉及工作流程、技术要求、成果形式及质量验收等方面内容，而从技术层面需在文物精细化信息的认知与采集、文物三维建模、文物数字表达体系及文物保护专项深化应用等方面进一步加强研究。