图像处理技术在古物修复方面的应用及趋势

图像处理技术在古物修复方面的应用及趋势

1 王涵凝 2 通讯作者：孟真 3 李小明

1 山东协和学院 2. 通讯作者：山东协和学院 3. 山东协和学院

摘要：古物以及古建筑是国家及文明的具体象征与体现。随着时间流逝，各种古物及古迹都有损坏的风险。而古物古迹的修复工作又是十分细微且谨慎的。图像处理技术在古迹修复方面早有应用，最初的图像处理技术仅能尽可能地在二维平面维度上修复古迹原本的样貌，并以此为样板进行实体修复。随着信息技术的不断发展，出现了以虚拟现实技术、三维建模技术等新型技术与古迹修复相结合的修复方式。技术的革新使得古物古迹的还原程度、修复效率及成功率都得到巨幅提升。

关键词：图像处理技术；三维建模技术；虚拟现实技术；古迹修复

引言

图像处理技术，即利用计算机对图形图像信息进行处理的技术。其起源于20世纪50年代，最早的图形处理以人像为调整对象。随着图像处理技术的不断发展，渐渐衍生出了不同的应用，如：遥感技术、生物医学、工业生产、计算机科学等。在古物保护领域中，由于古物自身的材质、存放时间等问题，在出土时难免会遭到损坏，不仅影响古物的外观，而且对于其中记载的历史信息也会造成缺失。在图像处理技术与古物修复相结合前，一般由专家对古物进行手工补色、复原，依靠想象对古物进行修复。此种修复方式由于手工的不稳定性，风险很高。随着图像处理技术的不断发展，利用虚拟修复对古物模型进行还原，已成为新的趋势。例如：利用数学理论（如微积分方程式）对古物建立预测模型，可更好地对古物进行修复、还原。同时也降低了直接手工复原的风险性，使古物重复原貌。

1 图像处理技术在古迹修复方面的应用

1. 1. 图像处理技术在古物修复方面的原理

图像处理技术早期起步时，本质上即是利用计算机对二维图像进行数字化编排，然后处理的过程。随着技术的发展，渐渐衍生出了处理三维图形等的技术。而三维图形相关技术的大发展也带动了相关软、硬件产业的蓬勃生长。如在三维建模中，我们经常需要用到各种三维扫描仪、动作捕捉设备等。而在软件方面，我们则经常用到各类三维建模软件（如Maya、3DS max等）来对古物进行建模。数字图像上对古物进行复原的大致原理如下：首先通过专用的扫描器械对残缺古物部分进行扫描。进行扫描时，以像素点为单位，对古物的边缘轮廓定位。将物体的边缘轮廓或范围定位下来的过程，称为图像的分割。扫描结束后，由于文件较大，扫描好的彩色图像需要压缩至一定的大小才可以继续使用。进行经过相应计算后建立起三维模型，并通过图像处理技术建立三视图。通过已建立好的三视图为样板，在不同视角下还原古物的数字化虚拟模型。

1. 2. 图像处理技术在古物修复方面的应用

不同材质、年代的古物所采用的修复方式是不同的。从硬件角度讲，三维扫描仪可分为三种：手持式扫描仪（易于使用、可以快速获取古物三维模型，但精度较低。）、结构光三维扫描仪（精度高，适用于金银材质、玉材质和佛像等文物）、激光式三维扫描仪（精度高，适用于陶瓷、石雕、木质文物）。

从软件角度来讲，对古物进行建模，首先通过三维扫描仪进行扫描建立无贴图、无材质的白色模型（又称灰模）。也有直接通过摄像机对古物实体进行数百次连拍，计算机将连拍的图片进行叠加处理后自动生成的带贴图、材质的模型。对无材质、无贴图的灰模上色有两种方式。一是使用建模软件（如Maya、3DS Max）中自带的素材包进行赋材质、绘制贴图。如果针对精度高的文物，需要先将文物拍摄下来，再将已拍好的照片通过计算机进行数字化处理，通过贴图的形式赋在文物上。

以古建筑修复为例，在古建筑复原的过程中，首先要在古建筑物外围布置大空间三维扫描仪，进行大致扫描。其次要通过无人机进行顶部摄影，从而得到古建筑物的顶部数据。最后需要手持扫描仪对古建筑物结构的精细部分（如镂空的印花、图案等）进行扫描，这时对整个古建筑的扫描过程便完成。扫描结束后，将得到的数据进行处理，然后进行三维建模。将上述数据导入软件（一般使用Maya、3DS Max）建模完成后，将成品模型导入Zbrush软件中进行三维贴图、古建筑的细节雕刻（如古建筑外墙的图案、镂空印花等），最终完成渲染。将最终的成品模型提交至3D打印机即可尽最大可能复原出古建筑物的样貌，并进行对照修复。

2 图像处理技术在古物修复方面的趋势

2.1 图像处理技术在数字化文物档案馆方向的前景

随着时代发展，人们可以足不出户地在家中观看直播、电影，也不需要出门购物。想通过网络了解古物、古迹文化亦可如此。目前数字化博物馆、数字化景区正渐渐发展为人们了解文化、出游探索的新途径。

上文提到，对文物进行修复首先需要利用三维扫描技术配合相关硬件设施对古物模型进行采集。采集到的模型除可用于对照古物进行修复，亦可以数字化模型的方式存于计算机内。从而更准确、完整地为文物留下永久的数字化文物档案。在古建筑、古迹修复方面，将三维测绘技术与虚拟现实技术相结合。从而建立起一整套的古迹虚拟模型。人们可以足不出户，便探索古建筑内部的构造。了解其背后的文化。近年来，在我国有越来越多的博物馆应用了此项技术。如故宫博物院开发的“数字故宫”项目、秦兵马俑博物馆开发的“秦俑博物馆二号坑三维数字建模”项目等。上述数字化博物馆都采用了三维数字技术。古物的实体修复仅是一方面，通过数字化建模对古物、古迹进行永久存档，更符合保护文物的现行趋势。

2.2 图像处理技术在古物宣传方向的前景

古物修复不仅是重中之重，对古物背后所蕴含的文化宣传亦极其重要。随着信息化社会的不断发展，人们通过网络了解生活中的方方面面已成常态。目前我国关于古物、古迹相关的音视频动画节目现存尚少，我们可以利用三维建模技术、三维动画技术制作相关的动画短片进行宣传。建模、材质、灯光、骨骼、动画、宣传各有分工。从而达到宣传古物、古迹背后文化的目的，让人们对自己的民族文化有充分了解。

3 结论

古物修复的方式与技术随着时代发展，已有了长足进步。在结合了图像处理技术后，古物修复将变得更加稳定、精准、还原程度更高，对保护我国现有的古物古迹以及古文化具有重大作用。与之相伴的数字化古物古迹建档亦是人们了解古文化的重要途径，随着图像处理技术的不断发展，传统古物、古迹的保护必将达到一个新的高度。

参考文献：

1. 李莹. 三维技术让文物修复如虎添翼[J]. 区域治理, 2019, No.242(16):83-85.

2. 李洋. 博物馆文物三维数据采集技术探析[J]. 博物馆管理, 2020(3).

作者：王涵凝 山东协和学院 计算机应用技术 专科

通讯作者：孟真 山东协和学院 助教 硕士研究生

李小明 山东协和学院 辅导员