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以三維激光掃描建模記錄出水殘骸信息

　　精密“拼圖”復原“華光礁I號”

　　2017年5月18日是世界博物館日。當天，省博物館二期展廳正式對觀眾開放，這是觀眾在“南溟泛舸”展廳內(nèi)觀看“華光礁1號”沉船水下考古模擬場景。　　

　　2013年6月4日，省博物館出水文物保護修復實驗室科研人員采集浸泡“華光礁I號”船板的離子水進行化學分析。為更好地保護和修復出水文物，省博物館出水文物保護修復實驗室于2013年正式掛牌成立。該機構(gòu)是海南省首第一個設備齊全、專門研究文物保護修復的實驗室，為文物保護項目的實施及課題的申報提供科技支撐。該機構(gòu)工作重點之一就是開展“華光礁I 號”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)的文物修復實驗室內(nèi)，浸泡在淡水中的華光礁1號沉船出水船板。

　　“華光礁I號”沉船出水的船板在經(jīng)過整理后共511組，一組就是一個網(wǎng)包，里面有數(shù)塊船板殘骸。它們曾是一塊大船板，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)的文物修復實驗室內(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、武漢理工大學造船史研究中心以及武漢數(shù)文科技有限公司(以下簡稱數(shù)文科技)的工作人員們通過三維激光掃描、高清紋理拍攝技術對華光礁1號出水文物的每一塊殘骸進行數(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量、記錄。不久，他們將基于這些數(shù)據(jù)實體復原出這艘古船。

　　2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復實驗室內(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)可靠準確，一塊看似簡單的船板需要從不同角度，針對不同細節(jié)拍攝幾十張甚至上百張圖片。

　　2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復實驗室內(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)的文物修復實驗室內(nèi)，工作人員小心翼翼地從淡水池中搬運需要掃描的船板。

　　2017年5月18日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復實驗室內(nèi)，工作人員在擺放準備掃描的船板。

　　2017年5月17日，在省博物館二期一樓展廳內(nèi)的文物修復實驗室內(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”南宋沉船遺址發(fā)掘項目啟動，這也是我國水下考古第一次由近海邁向遠洋。一直以來，“華光礁I號”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，展覽中的一大亮點就是將文物修復實驗室搬進了博物館展覽區(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在修復文物時的工作狀態(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”沉船屬于同一個時期建造的木質(zhì)帆船。

　　走進這間面積約400平方米的修復實驗室，左手邊是約120平方米的水池，一片片深色的“華光礁I號”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、武漢理工大學造船史研究中心以及武漢數(shù)文科技有限公司(以下簡稱數(shù)文科技)的工作人員們正在通過三維激光掃描、高清紋理拍攝技術對每一塊殘骸進行數(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量、記錄。做這些工作一是為了更有效地對這些船板進行數(shù)字化重建、保護與展示，二是在幾年之后，將基于這些數(shù)據(jù)實體復原出這艘當年乘風破浪的古船。

　　數(shù)千塊殘骸數(shù)據(jù)采集工作繁重

　　“這些船板殘骸之前全部都使用米尺測量過，但因形狀不規(guī)則等原因，會存在誤差，想要精確、嚴謹?shù)貜驮@艘古船，數(shù)據(jù)就要精準，而三維激光掃描技術可以將他們的尺寸精確到毫米。”省博物館文物保護與修復部副主任包春磊博士介紹道。

　　三維激光掃描就是利用相關儀器，在空間中對船板進行各個方位的掃描，工作人員利用白色的球體——“靶球”定位好幾個點后，設置“站點”即儀器所處的位置進行掃描。儀器的掃描范圍很大，一次可以同時掃描、記錄多塊船板的同一側(cè)面。但想要精準掃描到每一塊船板的每一個面，就要增加并且準確地設立“站點”。

　　記者在現(xiàn)場采訪時，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位置都可以掃描到船板。

　　“像這樣的數(shù)量和面積，我們會設立至少12個‘站點’進行掃描，一個‘站點’的掃描時間約11分鐘。”數(shù)文科技的測繪工程師指著一塊相對較厚，但側(cè)面凹凸不平的船板告訴記者，像這樣破損嚴重的豁口，為了獲得相對精確的數(shù)據(jù)，他們會在其下方再單獨增設一個“站點”。

　　實驗室中，一邊在進行著掃描，而另一邊則是工作人員用兩臺單反相機為每一塊船板進行高密度拍攝。為了更高清地記錄船板信息，需要使用專業(yè)單反相機對船板表面的顏色、紋理進行采集。工作人員會盡可能對船板各個角度進行正面拍攝，以獲得其真實、高清的表面紋理，然后將二維照片與三維激光點云利用三維數(shù)字化技術，進行精準匹配，進而收獲一塊逼真的船板三維精細模型。

　　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，假如真實的墻面上有一個孔，那么拍攝出來的“墻紙”上的這個孔在貼圖時就要與虛擬“墻面”上的這個位置精準貼合。以真實船板被腐蝕嚴重的豁口而言，幾乎有幾個“坑”就要拍幾張照。工作人員在給一片約40厘米長、30厘米寬的船板拍照時說，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。一個攝影師每天對著船板要拍攝約1000張圖。

　　“經(jīng)過大概統(tǒng)計，這里的華光礁I號沉船船板殘骸大致有兩三千件，對每一塊船板進行掃描、拍攝、數(shù)據(jù)處理……做完這項工作至少需要三個月時間。”數(shù)文科技現(xiàn)場工作人員馮朝輝介紹。

　　推測殘骸原屬位置是難點

　　省博物館目前正在建立“華光礁I號出水沉船數(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)百年的古船進行復原絕非易事，在進行實物復原前，工作人員們需要通過大量的數(shù)據(jù)采集來進行虛擬復原。集聚了國內(nèi)頂尖船史研究專家的武漢理工大學造船史研究中心與數(shù)文科技共同參與“華光礁I號”出水沉船復原工作。

　　數(shù)文科技負責“華光礁I號”沉船船板的三維模型、二維線圖、船體的虛擬復原模型及組裝演示動畫等內(nèi)容的制作；武漢理工大學造船史研究中心則負責整個船舶的復原工作。概括來說，數(shù)文科技所進行的三維掃描、紋理拍攝等工作會幫助他們最終用現(xiàn)有的殘骸完成在電腦上的虛擬復原，但現(xiàn)有殘骸無法完整復原整艘船舶，缺失的信息部分就需要由武漢理工大學造船史研究中心來完成，專家們會基于傳播技術發(fā)展的船型、結(jié)構(gòu)與工藝特征、歷史文獻及同時代考古發(fā)掘的成果進行復原設計，將缺失部分補充完整。事實上，在數(shù)文科技進行前期數(shù)據(jù)采集和處理工作時，大學研究中心的專家們會提前進行船型的復原方案構(gòu)思設計，供其在虛擬復原時參考。

　　面對數(shù)千塊殘骸，這個三維“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)量多加之腐蝕嚴重讓推測其原屬位置成為了一大難點。

　　“我們會用各種方式來進行推測，比如，可以通過船板上的釘孔來推測它在建造時大致屬于哪個部分，還可以根據(jù)骨架上釘孔的間距來推測整船大小。”武漢理工大學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，一艘船的龍骨會占其總長度的70%。