以三維激光掃描建模記錄出水殘骸信息
精密“拼圖”復(fù)原“華光礁I號(hào)”
2017年5月18日是世界博物館日。當(dāng)天，省博物館二期展廳正式對(duì)觀眾開放，這是觀眾在“南溟泛舸”展廳內(nèi)觀看“華光礁1號(hào)”沉船水下考古模擬場(chǎng)景?！ ?/div>
2013年6月4日，省博物館出水文物保護(hù)修復(fù)實(shí)驗(yàn)室科研人員采集浸泡“華光礁I號(hào)”船板的離子水進(jìn)行化學(xué)分析。為更好地保護(hù)和修復(fù)出水文物，省博物館出水文物保護(hù)修復(fù)實(shí)驗(yàn)室于2013年正式掛牌成立。該機(jī)構(gòu)是海南省首第一個(gè)設(shè)備齊全、專門研究文物保護(hù)修復(fù)的實(shí)驗(yàn)室，為文物保護(hù)項(xiàng)目的實(shí)施及課題的申報(bào)提供科技支撐。該機(jī)構(gòu)工作重點(diǎn)之一就是開展“華光礁I 號(hào)”萬余件出水陶瓷器、部分鐵器及500余件南宋船板的病害分析、凝結(jié)物的去除、脫鹽、修復(fù)和科研等工作。
2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，浸泡在淡水中的華光礁1號(hào)沉船出水船板。
“華光礁I號(hào)”沉船出水的船板在經(jīng)過整理后共511組，一組就是一個(gè)網(wǎng)包，里面有數(shù)塊船板殘骸。它們?cè)且粔K大船板，而后因各種原因破損為多塊，所以被分在一組。
2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，來自武漢數(shù)文科技有限公司的工作人員在操作一臺(tái)三維激光掃描儀采集出水船板數(shù)據(jù)。今年4月以來，來自省博物館、武漢理工大學(xué)造船史研究中心以及武漢數(shù)文科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱數(shù)文科技)的工作人員們通過三維激光掃描、高清紋理拍攝技術(shù)對(duì)華光礁1號(hào)出水文物的每一塊殘骸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它們的立體形態(tài)、紋理、尺寸等多種信息都被精確測(cè)量、記錄。不久，他們將基于這些數(shù)據(jù)實(shí)體復(fù)原出這艘古船。
2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，來自武漢數(shù)文科技有限公司的工作人員在拍攝出水船板圖片。為了保證所采集的數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確，一塊看似簡(jiǎn)單的船板需要從不同角度，針對(duì)不同細(xì)節(jié)拍攝幾十張甚至上百?gòu)垐D片。
2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，工作人員在處理浸泡在淡水中的船板。
2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，工作人員小心翼翼地從淡水池中搬運(yùn)需要掃描的船板。
2017年5月18日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，工作人員在擺放準(zhǔn)備掃描的船板。
2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過三維激光掃描儀初步獲得的船板數(shù)據(jù)圖像。
2007年，在多方協(xié)作之下，“華光礁I號(hào)”南宋沉船遺址發(fā)掘項(xiàng)目啟動(dòng)，這也是我國(guó)水下考古第一次由近海邁向遠(yuǎn)洋。一直以來，“華光礁I號(hào)”沉船遺址出水的船板、陶瓷器等各類文物都是我省文物修復(fù)工作的重要內(nèi)容。
5月18日，省博物館二期展覽正式開放，展覽中的一大亮點(diǎn)就是將文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)了博物館展覽區(qū)內(nèi)，成為其中一部分。參觀者們可以通過玻璃墻看到工作人員們?cè)谛迯?fù)文物時(shí)的工作狀態(tài)。
2017年5月18日，在省博物館二期一樓展廳---“南溟泛舸——南海海洋文明陳列”內(nèi)，一位觀眾在觀看一艘木質(zhì)帆船模型。該船型與“華光礁一號(hào)”沉船屬于同一個(gè)時(shí)期建造的木質(zhì)帆船。
走進(jìn)這間面積約400平方米的修復(fù)實(shí)驗(yàn)室，左手邊是約120平方米的水池，一片片深色的“華光礁I號(hào)”沉船船板殘骸就浸泡在去離子水中，在經(jīng)過第一階段的脫鹽、脫硫后，眼下，來自省博物館、武漢理工大學(xué)造船史研究中心以及武漢數(shù)文科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱數(shù)文科技)的工作人員們正在通過三維激光掃描、高清紋理拍攝技術(shù)對(duì)每一塊殘骸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它們的立體形態(tài)、紋理、尺寸等多種信息都被精確測(cè)量、記錄。做這些工作一是為了更有效地對(duì)這些船板進(jìn)行數(shù)字化重建、保護(hù)與展示，二是在幾年之后，將基于這些數(shù)據(jù)實(shí)體復(fù)原出這艘當(dāng)年乘風(fēng)破浪的古船。
數(shù)千塊殘骸數(shù)據(jù)采集工作繁重
“華光礁I號(hào)”沉船出水的船板在經(jīng)過整理后共511組，一組就是一個(gè)網(wǎng)包，里面有數(shù)塊船板殘骸。它們?cè)且粔K大船板，而后因各種原因破損為多塊，所以被分在一組。
“這些船板殘骸之前全部都使用米尺測(cè)量過，但因形狀不規(guī)則等原因，會(huì)存在誤差，想要精確、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貜?fù)原這艘古船，數(shù)據(jù)就要精準(zhǔn)，而三維激光掃描技術(shù)可以將他們的尺寸精確到毫米。”省博物館文物保護(hù)與修復(fù)部副主任包春磊博士介紹道。
三維激光掃描就是利用相關(guān)儀器，在空間中對(duì)船板進(jìn)行各個(gè)方位的掃描，工作人員利用白色的球體——“靶球”定位好幾個(gè)點(diǎn)后，設(shè)置“站點(diǎn)”即儀器所處的位置進(jìn)行掃描。儀器的掃描范圍很大，一次可以同時(shí)掃描、記錄多塊船板的同一側(cè)面。但想要精準(zhǔn)掃描到每一塊船板的每一個(gè)面，就要增加并且準(zhǔn)確地設(shè)立“站點(diǎn)”。
記者在現(xiàn)場(chǎng)采訪時(shí)，工作人員在平面鐵架上依次擺放了大小約20塊船板，之所以擺放在這樣僅有簡(jiǎn)單支撐框架的鐵架上就是為了盡可能保證“四面通透”，讓掃描儀無論處于上下左右任何一個(gè)位置都可以掃描到船板。
“像這樣的數(shù)量和面積，我們會(huì)設(shè)立至少12個(gè)‘站點(diǎn)’進(jìn)行掃描，一個(gè)‘站點(diǎn)’的掃描時(shí)間約11分鐘。”數(shù)文科技的測(cè)繪工程師指著一塊相對(duì)較厚，但側(cè)面凹凸不平的船板告訴記者，像這樣破損嚴(yán)重的豁口，為了獲得相對(duì)精確的數(shù)據(jù)，他們會(huì)在其下方再單獨(dú)增設(shè)一個(gè)“站點(diǎn)”。
實(shí)驗(yàn)室中，一邊在進(jìn)行著掃描，而另一邊則是工作人員用兩臺(tái)單反相機(jī)為每一塊船板進(jìn)行高密度拍攝。為了更高清地記錄船板信息，需要使用專業(yè)單反相機(jī)對(duì)船板表面的顏色、紋理進(jìn)行采集。工作人員會(huì)盡可能對(duì)船板各個(gè)角度進(jìn)行正面拍攝，以獲得其真實(shí)、高清的表面紋理，然后將二維照片與三維激光點(diǎn)云利用三維數(shù)字化技術(shù)，進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，進(jìn)而收獲一塊逼真的船板三維精細(xì)模型。
通俗來講，照片就是墻紙、三維掃描獲得的模型就是虛擬墻面，假如真實(shí)的墻面上有一個(gè)孔，那么拍攝出來的“墻紙”上的這個(gè)孔在貼圖時(shí)就要與虛擬“墻面”上的這個(gè)位置精準(zhǔn)貼合。以真實(shí)船板被腐蝕嚴(yán)重的豁口而言，幾乎有幾個(gè)“坑”就要拍幾張照。工作人員在給一片約40厘米長(zhǎng)、30厘米寬的船板拍照時(shí)說，像這樣一塊船板，至少要拍攝50至60張照片才能保證每一寸紋理都被清晰捕捉。一個(gè)攝影師每天對(duì)著船板要拍攝約1000張圖。
“經(jīng)過大概統(tǒng)計(jì)，這里的華光礁I號(hào)沉船船板殘骸大致有兩三千件，對(duì)每一塊船板進(jìn)行掃描、拍攝、數(shù)據(jù)處理……做完這項(xiàng)工作至少需要三個(gè)月時(shí)間。”數(shù)文科技現(xiàn)場(chǎng)工作人員馮朝輝介紹。
推測(cè)殘骸原屬位置是難點(diǎn)
省博物館目前正在建立“華光礁I號(hào)出水沉船數(shù)字化數(shù)據(jù)及出水文物數(shù)字化管理系統(tǒng)”，簡(jiǎn)單說來，就是無論是船板還是出水文物全部都有自己的電子檔案，而這份檔案中不僅有各種數(shù)據(jù)，還有上文中講到的三維立體影像。
為一艘沉沒海底數(shù)百年的古船進(jìn)行復(fù)原絕非易事，在進(jìn)行實(shí)物復(fù)原前，工作人員們需要通過大量的數(shù)據(jù)采集來進(jìn)行虛擬復(fù)原。集聚了國(guó)內(nèi)頂尖船史研究專家的武漢理工大學(xué)造船史研究中心與數(shù)文科技共同參與“華光礁I號(hào)”出水沉船復(fù)原工作。
數(shù)文科技負(fù)責(zé)“華光礁I號(hào)”沉船船板的三維模型、二維線圖、船體的虛擬復(fù)原模型及組裝演示動(dòng)畫等內(nèi)容的制作；武漢理工大學(xué)造船史研究中心則負(fù)責(zé)整個(gè)船舶的復(fù)原工作。概括來說，數(shù)文科技所進(jìn)行的三維掃描、紋理拍攝等工作會(huì)幫助他們最終用現(xiàn)有的殘骸完成在電腦上的虛擬復(fù)原，但現(xiàn)有殘骸無法完整復(fù)原整艘船舶，缺失的信息部分就需要由武漢理工大學(xué)造船史研究中心來完成，專家們會(huì)基于傳播技術(shù)發(fā)展的船型、結(jié)構(gòu)與工藝特征、歷史文獻(xiàn)及同時(shí)代考古發(fā)掘的成果進(jìn)行復(fù)原設(shè)計(jì)，將缺失部分補(bǔ)充完整。事實(shí)上，在數(shù)文科技進(jìn)行前期數(shù)據(jù)采集和處理工作時(shí)，大學(xué)研究中心的專家們會(huì)提前進(jìn)行船型的復(fù)原方案構(gòu)思設(shè)計(jì)，供其在虛擬復(fù)原時(shí)參考。
面對(duì)數(shù)千塊殘骸，這個(gè)三維“拼圖”難度頗大。
試想，一艘剛剛造好的木船“粉身碎骨”后，想要判斷每一塊殘骸原本屬于船上的哪一個(gè)位置已并非容易，而現(xiàn)在，所有的殘骸都已經(jīng)被海水腐蝕了數(shù)百年。船板殘骸數(shù)量多加之腐蝕嚴(yán)重讓推測(cè)其原屬位置成為了一大難點(diǎn)。
“我們會(huì)用各種方式來進(jìn)行推測(cè)，比如，可以通過船板上的釘孔來推測(cè)它在建造時(shí)大致屬于哪個(gè)部分，還可以根據(jù)骨架上釘孔的間距來推測(cè)整船大小。”武漢理工大學(xué)造船史研究中心研究人員李鋮介紹，龍骨是判斷船型與船大小的重要依據(jù)，一般來說，一艘船的龍骨會(huì)占其總長(zhǎng)度的70%。
2017年5月18日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室外，觀眾可透過玻璃觀看工作人員開展“華光礁1號(hào)”沉船出水文物修復(fù)工作。省博物館二期專門設(shè)立了半開放式文物修復(fù)空間，遵循“邊保護(hù)、邊展示”的原則，向觀者展出文物和修復(fù)工作現(xiàn)場(chǎng)。
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