一、三维扫描技术在文物修复中的应用

　　三维扫描技术在文物保护和修复领域中体现了重要的应用价值。三维激光扫描是融合了光、机、电和计算机技术于一体的高精度立体扫描技术，其将获取的物体表面点云信息转化为计算机可直接处理的信号，重新构建物体的数字化三维模型。通过创建高度准确且详细的文物数字模型，三维扫描技术为文物的信息采集、研究和保存提供了新的可能性。

　　传统的保护方法通常涉及对文物进行物理处理和储存，这种方法随着时间的推移可能导致文物的损坏和劣化。借助三维扫描技术，可以创建文物的数字副本，使研究和分析能够在不直接接触文物的情况下进行，从而显著降低对原始文物造成损害的风险，并确保其被保存下来供后代使用。

　　在壁画的修复和保护领域，三维扫描技术的应用也越来越广泛。荷兰纳尔登恩斯赫德大教堂通常被称为“北方的西斯廷教堂”（图1），研究团队使用三维扫描技术制作高分辨率数字壁画复制品。这些扫描将使研究人员更精确地检查艺术品，揭示肉眼看不见的笔触和颜料的复杂细节。

　　二、三维扫描的技术原理

　　文物保护和修复行业中，因为文物的文化价值和特殊性，所以大部分项目选择对文物进行非接触式扫描，非接触式三维扫描主要有以下类型。

　　（一）激光三维扫描技术

　　激光三维扫描技术通过精确控制激光束的发射与接收，对文物表面进行细致入微的扫描，以非接触的方式捕捉并记录下文物的三维形态与表面细节。在使用传统手段进行文物保护的过程中，通常需要通过手工的方式来对文物进行测量，极大地增加了对文物表面造成伤害的可能性。而利用激光束的直线传播特性，将其投射至文物表面，能通过接收装置捕捉反射回的激光信号。这些信号经过复杂的计算处理后，能够精确地还原出文物的三维结构，包括其每一个细微的凹凸、纹路乃至笔触变化。这种高精度、高保真的数据获取方式，为后续的文物修复、研究与展示提供了坚实的数据基础。非接触的扫描方式不仅快速高效，还在最大限度上保护了文物的原始状态，避免了传统测量手段可能带来的物理损伤。

　　（二）结构光三维扫描技术

　　结构光三维扫描技术利用光学原理和计算机图像处理方法，通过投射结构光模式并采集反射光来获取文物表面的三维信息。结构光三维扫描技术具有以下特点。

　　1.高精度

　　结构光三维扫描技术能够实现亚毫米级的高精度测量，它能够捕捉到文物表面极其细微的纹理和形状变化，并将其准确无误地转化为数字化的三维模型。这种高精度的测量结果对于文物保护、修复和研究来说具有极高的价值，因为它能够为专业人员提供详尽而准确的数据支持。

　　2.非接触式

　　与传统的接触式测量方法相比，结构光三维扫描技术是一种无损、非接触的测量方法。不仅避免了对文物表面的潜在伤害，还能够在不破坏文物完整性的前提下获取更加全面和细致的数据信息，这对于那些脆弱易损的文物来说尤为重要。

　　3.快速扫描

　　结构光三维扫描技术具有较快的扫描速度，通常情况下只需几秒钟或几分钟即可完成一次扫描过程，这种快速的扫描对于大规模文物的数字化记录和高效的文物保护工作非常重要。

　　（三）摄影测量技术

　　另一种常用的三维扫描方法是摄影测量技术。此技术通过从不同角度拍摄的一系列照片来构建三维模型，而无须使用三维扫描仪。软件通过分析这些照片，估算场景中物体的深度信息，以生成三维模型。摄影测量尤其适用于扫描户外环境、大型结构及文物的三维建模。摄影测量技术容易受到光照和阴影变化的影响，可能导致最终模型的精度下降。图像拼接和三维模型生成过程的计算量巨大，需借助强大的软件和硬件支持。尽管摄影测量在三维建模中具有极大的应用潜力，但在规划和执行摄影测量项目时，必须充分考虑其局限性和复杂性。

　　三、馆藏壁画的三维扫描

　　馆藏壁画类的文物保护项目具有自身的独特性，针对这些独特性，选择合适的三维扫描技术路线和设备就显得尤为重要了。

　　（一）馆藏壁画三维扫描的难点

　　馆藏壁画的三维扫描过程，是一项复杂且精密、工作量巨大的系统工程，同时在这个过程中充满了挑战与难题，其中主要问题如下。

　　1.避免接触

　　壁画表面因长时间雨水浸泡出现变形、起翘、空鼓等形式的损坏，表面会呈现一定的起伏与形变。壁画作为历史的见证和文化的传承，其往往历经上百年的风雨洗礼，其表面已经变得异常脆弱。在采集过程中，任何轻微的人为接触都可能导致壁画的进一步损坏，甚至造成无法挽回的损失。避免人为接触而导致壁画的二次受损成为壁画采集工作必须面对的重要课题。

　　2.精度和采集能力

　　在文物保护与修复过程中，对古老的壁画这类珍贵的文物，人们常常面临严峻的挑战。由于历史的长河中，许多原始的图像资料已遗失或损毁，导致人们难以直接依据原作进行修复。后续的修复工作不得不依赖于现存的壁画遗迹，通过精确的三维尺寸测量、色彩信息提取等手段，来进行进一步的修复。三维扫描和信息采集的过程中，对于采集设备的精度与纹理采集能力，无疑提出了极高的要求。

　　3.整体结合局部

　　《中华人民共和国文物保护行业标准》中明确指出，壁画的三维扫描需要包括壁画整体三维扫描与壁画局部三维扫描两个部分。壁画整体三维扫描要求利用三维扫描设备，对壁画进行全面、无遗漏地扫描。通过整体三维扫描，可以清晰地看到壁画的整体布局、色彩分布，以及各部分的相对位置关系，为后续的局部精细扫描和数字化修复提供重要的参考依据。壁画局部精细三维扫描，则是指在整体扫描的基础上，对壁画中的关键部位、细节或受损区域，进行更为深入、细致的扫描。

　　（二）馆藏壁画三维扫描设备的选择

　　针对以上三点特殊要求，产自卢森堡Artec公司的EVA和Space Spider是一组非常符合馆藏壁画扫描项目需求的技术路线和设备组合。

　　1.非接触式

　　非接触式的三维扫描方式，能够高精度地捕捉壁画表面的起伏与形变信息，为后续的修复与保护工作提供有力的数据支持。由于该技术无须直接接触壁画表面，因此能够最大限度地减少对壁画的损害风险。故而馆藏壁画的数字化正射影像图，可以使用摄影测量技术与三维扫描技术叠加的方式进行。摄影测量技术基于图片进行高重叠度的运算来进行整体模型的输出，计算出原有壁画三维模型，并进行纹理映射。但是该种方式存在相机自身畸变的问题，即便使用高像素低畸变的相机仍然避免不了畸变的发生。而三维扫描仪可以得出准确的三维模型，并且得出准确几何结构尺寸的正射影像图。（图2）

　　2.扫描设备精度

　　Artec EVA为目前行业内对于文物采集常用的三维白光扫描设备，搭配高保真的专业彩色相机，可以出色地还原壁画的三维损坏形态，以及表面纹理细节。其运用几何结构及纹理变化来进行数据追踪，其单帧精度为0.1mm，累计增幅误差为0.03%m。可获取文物表面的几何信息及色彩信息，Artec EVA扫描仪适用扫描采集物体尺寸为0.5~4m。Artec Space Spider作为一款全新加强版精密设备，其是基于蓝光科技的高精度3D扫描仪，能够完美捕捉小型物体或大型工业物体上的精密细节，精度高，准确度稳定，色泽鲜亮。

　　3.整体结合局部

　　ArtecEVA扫描仪虽然在扫描完整壁画时可以保证整体几何结构尺寸的准确，但是最终出来的像素细节太低，并不能满足后期的贴图配准需求，此时就需要一个更高精细程度的三维扫描仪，故引入了另一款更细节的扫描仪Space Spider。这两种扫描设备通过扫描面积和扫描精度的优势互补，形成了极佳的馆藏壁画扫描设备配置方案。（图3）

       四、结语

　　技术创新在博物馆文物修复领域取得了显著成效，对文物保护与传承发挥了不可替代的作用。数字化壁画修复与保护技术的研发，将三维扫描技术与文物保护紧密结合，使现代科学技术与古代文化艺术完美融合，文物在高科技的助力下焕发新的生机与活力。