向旺

摘 要：文物作為歷史文化的重要載體，具有獨特的價值和意義，數(shù)字化技術(shù)可以通過非接觸性的方式對文物進行采集、保存、展覽和傳播，有效提高文物保護與傳承的質(zhì)量和效率。文章探討了文物保護與數(shù)字化技術(shù)的關(guān)系、結(jié)合的優(yōu)勢以及結(jié)合的原則，重點討論了文物保護中的關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)，包括三維掃描技術(shù)、影像處理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及數(shù)據(jù)庫與信息管理技術(shù)，進一步分析了數(shù)字化技術(shù)在文物保護中的具體應(yīng)用，涵蓋了文物數(shù)字化采集與建模、保存與修復(fù)、展覽與傳播、交互與教育等方面，以期推動文物保護與數(shù)字化技術(shù)的融合發(fā)展，促進文物的保護與傳承。

關(guān)鍵詞：文物保護；數(shù)字化技術(shù)；文物記錄；文物研究；文物展示

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.04.016

文物是一個國家和民族的寶貴財富，是歷史與文化的重要見證，然而由于時間的流逝和外界因素的影響，許多文物受到不同程度的損害，急需進行保護。為了更好地保護和傳承這些珍貴的文物，數(shù)字化技術(shù)逐漸被應(yīng)用于文物保護領(lǐng)域。數(shù)字化技術(shù)能夠以非接觸和非侵入的方式對文物進行高精度的記錄、分析和重建，為文物的保護、研究、展示和傳播提供了新的手段和途徑。

1 文物保護與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合

1.1 文物保護與數(shù)字化技術(shù)的關(guān)系

文物保護與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合是當前文物保護領(lǐng)域的研究熱點。數(shù)字化技術(shù)是一種基于計算機技術(shù)的方法和工具，通過將文物的物理特征和信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式來實現(xiàn)文物的保護和傳承，與文物保護密切相關(guān)，可以為文物保護提供全新的思路和方法。

數(shù)字化技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用包括文物數(shù)字化采集與建模、文物數(shù)字化保存與修復(fù)、文物數(shù)字化展覽與傳播以及文物數(shù)字化交互與教育等多個方面。數(shù)字化采集和建?？梢跃_記錄和保存文物的形狀、結(jié)構(gòu)和紋理等信息，為后續(xù)的保護和修復(fù)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)①；數(shù)字化保存和修復(fù)可以通過虛擬實驗和模擬分析等手段，實現(xiàn)對文物的非接觸式修復(fù)和保護；數(shù)字化展覽和傳播可以借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺，將文物展示給更多的觀眾；數(shù)字化交互和教育可以通過互動式的虛擬展覽和教育應(yīng)用，提供更加豐富和深入的文物體驗與教育機會。

1.2 數(shù)字化技術(shù)在文物保護中的優(yōu)勢

數(shù)字化技術(shù)在文物保護中具有諸多優(yōu)勢，為文物保護工作帶來了革命性的變化。首先，數(shù)字化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對文物的全面記錄和保護，通過高精度的三維掃描技術(shù)，可以將文物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)以數(shù)字化的形式保存下來，避免了傳統(tǒng)方式可能造成的文物信息丟失或文物變形問題。其次，數(shù)字化技術(shù)能夠?qū)ξ奈镞M行虛擬修復(fù)和增強，通過影像處理技術(shù)修復(fù)文物的圖像，使其更加清晰和真實。同時，還可以增強文物的圖像，突出文物的細節(jié)和特點。再次，數(shù)字化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對文物的虛擬展覽和傳播，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以將文物以虛擬的形式展示給公眾，實現(xiàn)遠程參觀和互動體驗，為公眾提供更加方便快捷的文物學習與欣賞方式。此外，數(shù)字化技術(shù)還能夠構(gòu)建文物的數(shù)字化數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對文物信息的管理和共享，為文物研究提供方便。

1.3 文物保護與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合的原則

文物保護與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合的原則是確保文物保護與數(shù)字化技術(shù)發(fā)展之間的平衡，同時也是尊重文物真實性、可持續(xù)性和法律倫理。

1.3.1 保護原則

文物保護的首要目標是保護文物的完整性、真實性和可持續(xù)性。在應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)時，應(yīng)確保對文物的非侵入式獲取和處理，最小化對文物的物理干預(yù)。數(shù)字化技術(shù)應(yīng)以尊重文物本身的特征和歷史價值為前提，避免對其造成任何形式的破壞②。

1.3.2 真實性原則

數(shù)字化技術(shù)應(yīng)確保對文物進行準確的數(shù)字化記錄和傳輸，以保證數(shù)字化數(shù)據(jù)的真實性。這要求采用高精度的掃描設(shè)備和準確的數(shù)據(jù)處理算法，以準確還原文物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和細節(jié)。數(shù)字化數(shù)據(jù)應(yīng)當與文物的原貌相符，以便進一步的研究、展示和傳播。

1.3.3 可持續(xù)性原則

在數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用中，應(yīng)考慮數(shù)字化數(shù)據(jù)的長期保存、管理和更新，應(yīng)當建立合適的數(shù)字存儲和管理系統(tǒng)，以確保數(shù)字化數(shù)據(jù)的持久性和可持續(xù)性，使其能夠長期為學術(shù)研究、教育和公眾服務(wù)提供支持。

1.3.4 合作原則

文物保護與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合需要跨學科的合作和協(xié)同努力，保護機構(gòu)、技術(shù)專家、學術(shù)界和社會各界應(yīng)共同參與，并在項目的不同階段密切合作。只有通過共同努力，才能確保數(shù)字化技術(shù)的有效應(yīng)用，并最大限度地實現(xiàn)文物保護與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合。

2 文物保護中的關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)

2.1 三維掃描技術(shù)

2.1.1 激光三維掃描技術(shù)

激光三維掃描技術(shù)通過使用激光束掃描文物表面，能夠快速、準確地獲取文物的三維形狀和表面細節(jié)。首先，激光三維掃描技術(shù)能夠以非接觸方式獲取文物的準確形狀。傳統(tǒng)文物保護過程中，需要通過手工測量或者使用接觸式掃描儀來獲取文物的三維數(shù)據(jù)，這可能會對文物表面造成傷害。激光三維掃描技術(shù)通過激光束掃描文物的表面，完全避免了與文物的接觸，并且可以快速地獲取大量的數(shù)據(jù)。其次，激光三維掃描技術(shù)可以保留文物的細節(jié)信息。文物通常具有復(fù)雜的形態(tài)和表面紋理，傳統(tǒng)的測量方法難以完整地捕捉到這些細節(jié)，而激光三維掃描技術(shù)可以高精度地記錄文物的每一個細小的凹凸和紋路，保留了文物原本的形態(tài)和紋理特征，為后續(xù)的修復(fù)和研究提供了可靠的基礎(chǔ)。

2.1.2 結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)

結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)利用光學原理和計算機圖像處理方法，通過投射結(jié)構(gòu)光模式并采集反射光來獲取文物表面的三維信息。結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)具有以下四個關(guān)鍵特點和應(yīng)用：

①高精度：結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫米級高精度測量，通過投影結(jié)構(gòu)化光模式，相機可以捕捉到文物表面的紋理和形狀信息，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的三維模型，這種高精度的測量結(jié)果對于文物保護、修復(fù)和研究非常有價值。

②非接觸式：與傳統(tǒng)的接觸式測量方法相比，結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)是一種無損、非接觸的測量方法，它不需要直接接觸文物表面，避免了對文物的潛在傷害，并能夠快速捕捉到文物的形狀和表面細節(jié)，保持了文物的完整性。

③快速掃描：結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)具有較高的掃描速度，通常情況下只需幾秒鐘或幾分鐘即可完成一次掃描過程，這種快速的掃描能力對于大規(guī)模文物的數(shù)字化記錄和高效的文物保護工作非常重要。

④數(shù)字化應(yīng)用：結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)能夠?qū)呙杞Y(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的三維模型，為文物的數(shù)字化保存、虛擬展示和遠程研究提供了可能性。通過這些數(shù)字模型，人們可以在虛擬環(huán)境中實時瀏覽文物，進行三維重建和模擬修復(fù)，提升了文物保護、研究的效率和可視化程度。

2.2 影像處理技術(shù)

2.2.1 圖像增強與修復(fù)技術(shù)

圖像增強與修復(fù)技術(shù)通過對文物影像進行處理，提升其質(zhì)量、恢復(fù)損傷和修復(fù)圖像中的缺失部分。首先是噪聲去除與濾波，文物圖像通常會受到各種噪聲的影響，如模擬信號噪聲、電磁干擾等，圖像增強技術(shù)利用濾波器和去噪算法來降低噪聲并恢復(fù)圖像的細節(jié)，如中值濾波器和小波去噪算法可以有效減少噪聲并提升圖像的質(zhì)量。其次是補全與修復(fù)，文物圖像往往會因為年代久遠或損壞而有部分缺失，這給文物的保護和研究造成了困擾。圖像修復(fù)技術(shù)可以通過利用圖像中的已知信息，如邊緣、紋理等，推測并填補缺失的部分，采用插值算法、紋理合成和基于深度學習的方法，實現(xiàn)對文物圖像缺失部分的修復(fù)與重建。

2.2.2 圖像特征提取與分析技術(shù)

圖像特征提取與分析技術(shù)通過從文物圖像中提取和分析圖像的特征，可以獲得對文物更深入的理解和認知。技術(shù)應(yīng)用主要有兩個方面：一是邊緣檢測與輪廓提取。文物的邊緣和輪廓特征對于文物形狀和結(jié)構(gòu)的理解至關(guān)重要，邊緣檢測技術(shù)可以從文物圖像中提取出物體的邊緣信息，幫助研究和保護人員對文物的形狀和結(jié)構(gòu)進行分析和研究。常用的邊緣檢測方法包括Sobel算子、Canny邊緣檢測等。二是紋理分析與識別。文物的紋理特征是其獨特之處，也是鑒定和分類的重要依據(jù)。圖像特征提取技術(shù)可以從文物圖像中提取紋理信息，并進行紋理分析和識別。通過紋理特征的提取和比對，幫助鑒定文物的真?zhèn)?、年代和材質(zhì)等重要信息。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

2.3.1 三維建模與渲染技術(shù)

三維建模與渲染技術(shù)通過創(chuàng)建虛擬的三維模型，并進行逼真的渲染，使用戶能夠以真實感知的方式與文物進行交互和觀察。三維建模與渲染技術(shù)有兩個方面的重要應(yīng)用：一是三維建模。通過使用三維建模軟件對文物進行數(shù)字化的重建和建模，這些軟件可以將文物的形狀、紋理和顏色等特征準確地重現(xiàn)出來，通過采集文物的三維掃描數(shù)據(jù)或手工建模，可以生成高精度的三維模型③。二是逼真渲染。渲染技術(shù)能夠為三維模型賦予逼真的外觀和光照效果，通過設(shè)置材質(zhì)、光源和紋理等參數(shù)，實現(xiàn)對文物的真實感渲染，渲染技術(shù)能夠模擬不同光照條件下的文物外觀，使用戶能夠更好地觀察和研究文物。

2.3.2 交互與導(dǎo)航技術(shù)

交互與導(dǎo)航技術(shù)在文物保護中發(fā)揮重要的作用，使用戶能夠更自然、直觀地與虛擬文物進行交互和導(dǎo)航。交互與導(dǎo)航技術(shù)有兩個方面的重要應(yīng)用：一是手勢交互。手勢交互技術(shù)允許用戶通過手勢的識別和追蹤來控制虛擬文物的操作和視角，用戶可以通過手勢進行旋轉(zhuǎn)、平移和縮放等操作，實現(xiàn)對虛擬文物的自由導(dǎo)航和觀察，這種交互方式更加直觀和自然，增強了用戶與文物的互動體驗。二是虛擬導(dǎo)覽與漫游。虛擬導(dǎo)覽技術(shù)可以模擬實際場景中的導(dǎo)覽體驗，將用戶帶入虛擬環(huán)境中與文物進行互動，用戶可以通過自由漫游虛擬環(huán)境，參觀不同的展覽廳和展品，獲取有關(guān)文物的詳細信息，這種導(dǎo)覽方式使用戶能夠以自己的節(jié)奏深入了解文物，提升了參觀體驗的自由度。

2.4 數(shù)據(jù)庫與信息管理技術(shù)

2.4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理技術(shù)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理技術(shù)能夠有效地組織、存儲和管理與文物相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理技術(shù)有兩個方面的重要應(yīng)用：一是數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫設(shè)計。數(shù)據(jù)庫設(shè)計是建立高效、可擴展和易于維護的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在文物保護中，需要根據(jù)具體的需求和數(shù)據(jù)特點選擇合適的數(shù)據(jù)模型，如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫或圖數(shù)據(jù)庫等，通過設(shè)計良好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，確保數(shù)據(jù)的完整性、一致性和可查詢性。二是數(shù)據(jù)庫管理與維護。數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)包括數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)、性能優(yōu)化、訪問控制和安全性管理等方面，對文物保護來說，數(shù)據(jù)的安全性和機密性非常重要，數(shù)據(jù)庫管理員需要確保只有授權(quán)人員可以訪問和修改數(shù)據(jù)，并定期進行數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。

2.4.2 數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)技術(shù)可以幫助挖掘文物數(shù)據(jù)中隱藏的模式、關(guān)聯(lián)和知識，從而為文物保護和研究提供有價值的信息。數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)技術(shù)有兩個方面的重要應(yīng)用：一是數(shù)據(jù)預(yù)處理與清洗。文物數(shù)據(jù)通常存在很多噪聲和冗余信息。數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)可以對數(shù)據(jù)進行清洗、去除噪聲、處理缺失值和異常值等。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲得更準確、可靠的數(shù)據(jù)，提高后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)的準確性和效果。二是模式挖掘與關(guān)聯(lián)分析。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從文物數(shù)據(jù)中挖掘出隱藏的模式和規(guī)律，識別文物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這對于文物分類、鑒定和研究非常有幫助。例如，可以通過關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)文物屬性之間的關(guān)聯(lián)性，從而對文物進行更精確的分類。

3 數(shù)字化技術(shù)在文物保護中的具體應(yīng)用

3.1 文物數(shù)字化采集與建模

文物數(shù)字化采集與建模是數(shù)字化技術(shù)在文物保護中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它可以通過高精度掃描與重建、文物三維建模與虛擬仿真兩個方面實現(xiàn)。首先，高精度掃描與重建技術(shù)可以通過使用激光掃描儀或計算機視覺技術(shù)對文物進行全面、精確的掃描，獲得文物的表面形態(tài)和細節(jié)信息。這種非接觸式掃描方式能夠保護文物的完整性，同時提供了高分辨率的數(shù)據(jù)。通過對掃描數(shù)據(jù)進行處理和重建，還原出文物的真實形態(tài)，為后續(xù)的研究、展示和保護提供基礎(chǔ)。其次，文物三維建模與虛擬仿真可以將文物的數(shù)字化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化的三維模型，并通過虛擬仿真技術(shù)還原文物的歷史場景和使用情景。這樣一來，不僅可以在虛擬環(huán)境中對文物進行深入的研究和探索，還可以通過虛擬展示的方式向公眾展示文物的價值和魅力。同時，文物三維建模還可以為文物的保護和修復(fù)提供參考依據(jù)，幫助保護人員更好地了解文物的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，制定更科學的保護方案。

3.2 文物數(shù)字化保存與修復(fù)

文物數(shù)字化保存與修復(fù)主要涉及文物數(shù)字化保存與存儲技術(shù)、文物數(shù)字化修復(fù)與保護技術(shù)兩個方面。首先，文物數(shù)字化保存與存儲技術(shù)能夠?qū)ξ奈飻?shù)字化數(shù)據(jù)進行有效的保存與管理。通過將文物的數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字文件，避免了傳統(tǒng)保存方式中的空間限制和物理損耗，實現(xiàn)文物信息的長期保存④。同時，數(shù)字化保存也方便了文物數(shù)據(jù)的共享和傳播，提高了文物保護研究的效率和水平。其次，文物數(shù)字化修復(fù)與保護技術(shù)可以通過對文物數(shù)字化數(shù)據(jù)進行修復(fù)和保護處理，提升文物的可視化效果和信息完整性。例如，通過數(shù)字修復(fù)技術(shù)對文物數(shù)字化模型中的缺失或損壞部分進行修復(fù)，還原文物的原貌。

3.3 文物數(shù)字化展覽與傳播

數(shù)字化技術(shù)在文物保護中還可以被應(yīng)用于文物數(shù)字化展覽與傳播，主要包括文物數(shù)字化展覽技術(shù)與設(shè)計、文物數(shù)字化展覽與多媒體交互。首先，文物數(shù)字化展覽技術(shù)與設(shè)計能夠為文物的展覽提供新的方式和手段。通過數(shù)字化技術(shù)，文物可以被以全新的形式呈現(xiàn)給觀眾。例如，利用虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)，觀眾可以在虛擬環(huán)境中親臨現(xiàn)場，感受其真實的氛圍和細節(jié)。其次，文物數(shù)字化展覽與多媒體交互可以為觀眾提供更深入的了解和互動體驗。通過數(shù)字化技術(shù)，觀眾可以通過觸摸屏、導(dǎo)覽系統(tǒng)等設(shè)備與文物進行互動，并獲取更多的展覽信息和內(nèi)容。

3.4 文物數(shù)字化交互與教育

數(shù)字化技術(shù)可以應(yīng)用于文物數(shù)字化交互與教育，主要包括文物數(shù)字化交互與虛擬體驗、文物數(shù)字化教育與遠程學習兩個方面。首先，文物數(shù)字化交互與虛擬體驗可以為觀眾提供更豐富的文物體驗。通過虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)，觀眾可以身臨其境地感受文物的歷史背景和文化內(nèi)涵。例如，使用VR設(shè)備帶領(lǐng)觀眾進入虛擬的歷史場景，與文物進行互動，加深對文物的理解。其次，在文物數(shù)字化教育與遠程學習方面，數(shù)字化技術(shù)拓展了文物教育的方式和范圍。通過在線平臺或移動應(yīng)用，觀眾可以遠程參與文物的學習和教育活動。數(shù)字化技術(shù)可以提供文物的多媒體資料、互動學習模塊和在線講座等內(nèi)容，使觀眾獲得更加全面和深入的文物知識。同時，數(shù)字化技術(shù)還可以實現(xiàn)遠程講解、遠程導(dǎo)覽等功能，使觀眾無需實地到達文物所在地，就能夠進行教育學習。

4 結(jié)語

文物保護與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合研究，不僅為文物的保護和傳承帶來了新的機遇，也促進了文物領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展。運用數(shù)字化技術(shù)可以更好地了解和呈現(xiàn)文物的歷史、文化和藝術(shù)價值，同時也為文物的研究、教育和社會傳播提供了豐富的資源和平臺。然而，在實際應(yīng)用中仍然存在著一些挑戰(zhàn)和問題，需要進一步的研究和探索。希望未來能夠有更多的專家學者和機構(gòu)加入文物保護與數(shù)字化技術(shù)的研究中，共同推動文物保護事業(yè)的發(fā)展和進步。

注釋

①秦杰，白廣珍.文物數(shù)字化保護工作發(fā)展及展望[J].文物鑒定與鑒賞，2022（23）：33-36.

②杜琛，史新月.河北蔚縣明清壁畫數(shù)字化保護與科技創(chuàng)新研究[J].大眾文藝，2023（12）：34-36.

③王鶴，劉軍，齊路晶.基于數(shù)字化技術(shù)的革命遺址保護探索[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2023（21）：117-120.

④喬旭亮.從天龍山文物數(shù)字化保護探討文物數(shù)字化利用[J].科技與創(chuàng)新，2023（16）：151-153，156.