三维数字让文物活了
首都博物馆 孙芮英
作为一项最新的前沿技术，三维数字技术也可应用于博物馆，并在博物馆的展览、展示、科学研究、社会教育等方面发挥着革命性的作用。
博物馆作为社会文化的特殊载体，会充分利用数字技术整合文物、文化资源以及结合科学研究，最大限度地发挥服务社会的职能。这是博物馆顺应时代潮流，拓展博物馆未来发展空间的必然举措。
虚拟中复原
近年来，越来越多的数字化技术应用到博物馆中，如故宫博物院与日本凸版印刷株式会社合作的“数字故宫”项目、浙江大学开发的敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原系统、秦兵马俑博物馆与西安四维航测遥感中心合作的“秦俑博物馆二号坑遗址三维数字建模”项目等。这些项目的共同之处就在于它们都使用了一个核心技术——三维数字技术。三维技术对于文物的展示有着比传统照相技术更直观的特点，而三维扫描也具有传统人工测绘无法比拟的优势。因此，该技术最早被应用于大型遗址或者建筑的测绘与展示项目中。
传统博物馆理论将保管、展示、社会教育作为博物馆最基本的三大职能，其中保管既包括文物安全，也包括文物保护和科学研究。文物修复的研究工作是建立在科学的文物保护分析和文物修复理论基础上开展的。文物是不可再生的，但也不能是永生的，文物保护的最终目的是运用现代技术最大程度地维持文物的状态，无限延长其寿命。对于文物保护分析的研究，最主要的一个任务就是在最小干预的前提下要尽可能多地获取文物包含的原始信息，在这点上，三维扫描数字建模的意义是非常广泛的，且具有巨大潜力。
由于三维激光扫描技术具有非接触式测量、扫描速度快、点位和精度分布均匀等特点，在工艺精细、形状复杂的单件文物保护领域也有很多应用和成功案例。国外最为著名的有斯坦福大学的“米开朗基罗项目”，该项目将包括著名的大卫雕像在内的10座雕塑数字化，其中大卫雕像模型包括2亿个面片和7000幅彩色照片。
三维激光在文物保护研究的重要意义如下：
在器物描述中发挥作用
器物描述是文物保护分析和修复的第一步。三维扫描得来的数据是文物最原始的精确尺寸数据，在图像中可以测量器物任意位置的长度、面积，并且可全方位地了解器物形貌特征。这不仅是传统照相及绘图技术无法实现的，而且对原器物不会造成二次破坏。同时，对于文物病害的展示，也是最直观的方式。
对文物复制的帮助
在传统方法中，文物的复制往往是在原器物上进行翻模，这在一定程度上对器物的表面造成危害，特别是一些脆弱的器物容易在翻模过程中发生无法弥补的损失。而应用三维激光扫描技术，可以在非接触状态下为文物建立数字模型，并通过成型技术得到高精度的复制品，这样大大简化了文物复制的程序，而且最重要的是不会对文物进行任何破坏。
文物虚拟修复试验
利用三维处理软件对已建模的器物数据进行模拟修复，可以预览修复完成的形貌，这对文物修复方案的制定实施具有指导作用。同时，模拟修复还可以避免由于实际修复操作过程中反复比对、拼接对文物造成的二次破坏。例如破碎瓷器的修复，可以预先经过建立碎片的三维模型，利用计算机进行拼接复原，还可以对缺失部分进行模拟修补，恢复器物原始形貌。当然，这些操作要建立在计算机辅助系统和大量识别算法的基础上，目前还处在研究阶段。
博物馆创新性地将三维扫描技术应用在文物复原领域，是三维扫描技术应用推广的一项突破。三维扫描技术的应用，不仅对文物保护和文物修复工作有重大意义，也为博物馆的展示方式开辟了新的领域，为博物馆发挥社会教育职能起了积极的推动作用。
全方位展览
当前，不论是国内还是国外的博物馆，所面临的最大挑战就是采用何种方式来普及传播博物馆知识、文化，同时又让受众体会到乐趣和观赏价值。大部分参观者，尤其是本应作为博物馆核心参观者的年轻人，对博物馆惯常沉闷的表现方式感到厌倦。同时，如今的展览已经不是传统意义上的展览了，它是一个立体的、全方位的展示，要从不同层面与角度展示主题，运用多样的展示手段和方法，深化展览主题。但是，一些珍贵文物出于安全和保存条件的限制，不允许参观者从任意角度观摩实物。因此，很多博物馆在面对以上问题时，采用了多媒体的表现方式。对比其他多媒体技术，三维数字技术在文物展示方面具有很多优势。
首先，如同在文物保护研究中一样，运用三维激光扫描技术可以将文物的尺寸最为精确地记录下来，并通过模型优化、纹理匹配等技术手段将文物逼真再现; 同时，可以多角度、高清晰地展示参观者在展柜旁无法观赏的任意角度和精度的文物细节; 其次，这种方式为非接触式的，对文物保护具有重要意义。
精品文物的展示能吸引普通观众的兴趣，但由于陈列手段的限制，许多展品只能观赏器物的一面，不能看到全部，特别是器物的底部和细节部分。因此，利用先进的三维扫描技术和单位建模技术，把部分文物进行完全复原，这样不仅可以让观众在屏幕上自由欣赏文物，任意旋转文物从各个角度欣赏，还可以放大文物观看细节; 在丰富展览形式和内容的同时，更大程度地满足了观众的求知欲和好奇心，丰富了观众参与的互动项目。
文物高精度三维展示项目，需要对所展示的文物进行三维扫描、数字建模、纹理匹配、艺术加工等多道程序。文物复原的精度和质量，直接决定了最终的展示效果。
但几个技术难题需要解决如下：
模型优化
文物模型的高精度、高准确度与程序、机器设备、制作速度的承受能力的矛盾决定了模型优化具有较高的复杂度和技巧性。
复杂的双曲面文物模型对贴图匹配有较高的要求，需要对模型网格进行良好的优化。这种优化虽然耗费时间，但会极大提高后期制作的速度和品质。
在制作中需要将百万面甚至几百万面精度的原始模型进行优化，要保障程序的承受能力，同时又要保证有足够的细节。
纹理匹配
在虚拟现实器物制作中，双曲面模型难度最大，贴图与模型的映射关系也最为复杂。纹理匹配是工作中最为复杂和繁琐的工序，佛、玉石、陶瓷、青铜这些文物几乎都是这类模型，要保证高品质的展示效果，以人类当前自动贴图匹配技术是达不到的，这样就需要技术娴熟且对文物熟知的工作人员手动完成制作。
文物的高还原性决定了纹理匹配的难度，在色彩和纹理校正、无缝拼接方面需要投入更多的精力。
艺术性
文物的准确性和艺术性对制作也提出了很高的专业要求，在质感、布光、视觉表达方面同样需要投入更多的精力。不同质感的文物需要不同的布光设置、反射环境、实时渲染设置。
经过技术制作和艺术加工的文物精品高精度三维展示作品，以触摸屏为载体，被设计在博物馆展览的展线中，它不仅是对实体文物展的一个有益补充，也为博物馆观众带来了全新体验。现在观众可以在首都博物馆的文物精品展厅里，通过触摸屏轻松地浏览文物的各个角度、充分欣赏文物局部、仔细观看文物表面的纹理。
一件件文物精美绝伦，它展现了前人高超的技艺，凝聚了古人卓越的智慧，虽然饱经风霜，历经时间的洗礼，但经过博物馆能工巧匠之手，将其修复成原样，并重现昔日光芒。如今，我们又用现代化的技术手段将其虚拟展现，不仅是给现场的观众一个近距离接触和观赏的机会，也可以通过互联网将其拓展到更为广泛的地区，让更多的人受益。
网络互动展示
虽然通过各种技术手段对文物信息、展览现场的数字化展示方式不能取代实体博物馆，但互联网打破时间、空间的局限实现更广泛的宣传和公众教育，是实体博物馆无法比拟的。
首都博物馆率先在互联网上推出文物三维展示体验栏目，这在国内文物展览展示领域是一次创新的尝试，为该领域开辟了一个新的发展思路。
网络展示手段多种多样，相对于其他多媒体技术，三维数字技术对于文物的表现力更为逼真。技术人员通过对博物馆展线上的文物高精度三维展示节目进行技术加工，使其适合网络环境，便于观众在互联网上用普通电脑观看，让不能亲临博物馆现场的观众，同样有机会领略博物馆的艺术珍品。
此外，以三维数字技术为核心的虚拟现实，可以从展品拓展为展览场景的展示，让互联网上的观众也有身临其境之感。如此一来，观众就可以使用家用PC机登录博物馆网站的虚拟现实频道，进入虚拟空间进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。
虚拟现实技术是一种与以往不同的人机界面形式，这种模拟，通过视觉、听觉、动感等若干通道，进行人机交互，为用户提供最佳的人机通信方式，给用户提供了一种身临其境的体验。目前的研究成果和发展趋势表明，虚拟现实将成为继网络之后，对未来信息社会产生重要影响，并最终改变人类的工作、学习和生活的技术。近年来，虚拟现实技术越来越广泛地应用于博物馆的各种展示项目，并随着网络传输速度的加快和计算机硬件的进步，利用互联网科技来呈现实体博物馆展示内容，成为一种新的趋势。
Web3D是在互联网上应用的虚拟现实技术。目前,国内外有关Web3D构建的多用户虚拟展览馆的研究主要分为两个方面，即Web3D虚拟空间的开发和Web3D网络服务平台的构建。随着技术的提升，应用层面也更为广阔。国内外有很多利用Web3D开发的虚拟展览馆，如虚拟的网上世博会、虚拟爱尔兰美术馆、上博的虚拟青铜馆、首博虚拟的长江文明展览等等。
Web3D的虚拟现实展馆为观众打开另一扇博物馆大门。人们只需打开浏览器，即可直接徜徉其间，领略博物馆的建筑风采，近距离观赏文物展品。虚拟的博物馆内还设有讲解员，VIP客户可在自己专属的讲解员引领下按最佳路线畅游博物馆，并倾听自己感兴趣的每件文物的详细讲解，体验自主式的游览。
网络三维实时交互技术的特点如下：
拟真性
观众与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当访问者移动鼠标时，虚拟环境中的图像也实时跟随变化，而且还可以听到三维仿真声音。观众在虚拟环境中，一切感知都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。
交互性
系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，观众利用电脑键盘、鼠标进行操作，就能对虚拟环境中的对象进行考察、探索及发现。
便捷性
观众只要会使用浏览器打开网页就可以浏览网上虚拟世界，操作简单，上手容易。很多平台都支持无限大场景，实时加卸载技术能够保证浏览的永久流畅。观众可以通过视线切换、推拉镜头、超媒体链接等动作实现更多功能。
实用性
虚拟现实网上互动项目可以彻底打破空间的限制，大到宇宙天体，小至原子粒子，甚至可以进入这些物体的内部进行观察; 还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，虚拟现实技术可以在很短的时间内呈现给观众，这为一些科技类博物馆实施社会教育提供了有利条件。
虚拟现实技术可以虚拟历史人物、名人等各种人物形象，创建一个人性化的浏览环境，使观众能够在自然、亲切的气氛中进行浏览。如在虚拟的博物馆大厅中，用户可以与虚拟的讲解员一起交流、讨论、了解博物馆内的各个展品内容。
分享性
多用户虚拟现实即分布式虚拟现实，观众可以共同分享一个虚拟空间，一起体验虚拟经历，使虚拟用户达到一个更高的境界。如此一来，在同一个区域内的观众之间也可以彼此交流沟通，畅谈参观感受。
博物馆已经逐步意识到互联网在发挥社会教育方面的具大优势，并顺应时代步伐加快虚拟现实博物馆建设，三维文物数字化建设，采用多种技术手段实现网络三维化，这项举措将有助于文博行业推广科普宣传，让更多的观众借助博物馆这个平台，学习、感受人类共同的文化遗产。这将成为中国甚至世界范围内的博物馆展示教育的里程碑。
链 接
三维数字技术的四大意义
三维数字技术的应用，让古老的文物散发光芒，使新时期的博物馆更具魅力。
1.该技术的应用，可以使博物馆的展览脱离实体展品，摆脱展品不足的束缚，方便传播，拓展了博物馆知识传播的方式和手段;
2.该技术的应用，可以使传播方式更为生动直观，将很复杂的科学问题、历史事件用数字技术手段加以再现，让观众一目了然，便于理解;
3.三维数字技术的展示手段繁多，观众可以在寓教于乐中潜移默化地享受知识，让更多的参观者觉得有趣、好玩，从而拓宽了博物馆社会教育的受众;
4.视像展示方式对内容的传播效果远远优于其他展示方式，这也使博物馆应用多媒体数字技术成为一种趋势。
