| 3D工作坊系列－考古文物高精度3D建模技術應用
文．圖／黃詩婷
壹、前言
史前館與文資局訂於2018年9月6日合作舉辦「文化╳科技：文化資產3D技術應用工作坊」（報名網址），將為大家帶來一場精采的3D數位饗宴，歡迎報名參加。
隨著3D科技發展日益興盛，史前館亦將之應用於文物研究典藏、展示教育等領域，史前館3D研究團隊顛覆以往傳統平面圖像式的表現，為發展考古文物於數位典藏上的革新，特別引入3D技術針對考古文物進行數化作業。
經由多方長時間的努力下，終於完成可供大眾使用的「考古文物3D資料庫」（3d.nmp.gov.tw），除了保留更多文物表面物理屬性資料，並大量減少人工作業產生的誤差，使觀者能有更直觀的感受，更將考古文物數位資料從過去初步觀看的程度，提升到更適合研究、展示與教育推廣的境地，對於文物的展示與應用突破傳統的限制。
目前3D資料庫中已有超過兩百件以上考古文物3D模型，皆為史前館3D作業人員以真實考古文物進行數化而成。經由高畫素影像擷取與校正作業下取得接近真實色彩之全彩3D模型，因其屬於高階3D數化技術，僅單一件小型文物模型的三角網孔（mesh）數量可高達上百萬面，並經處理後上傳本資料庫，不需安裝其它程式，民眾即可直接於網頁上瀏覽3D模型，並透過任意角度觀看與轉動考古文物。除了基本的觀看功能外，亦包含更多可供運用的小工具，包含測量實際尺寸、光源調整、線上播放展示等功能，所以人人可以擁有一個數位文物展示櫃。
貳、史前館3D實驗室規劃與設備規格
固定式高精度光柵式掃描儀作業情形。 |
史前館3D數化作業採用固定式高精度光柵式掃描儀，其運作原理為高精度光柵線反射物體表面極細微的凹凸深淺紋理，並以精密的光學運算後擷取3D點雲資料成像，配合建置高畫素影像擷取系統，在擷取每個角度的3D點雲資料同時，亦能取得接近文物真實色彩的資料。經由運算後，即完成一件全彩高精度3D文物模型。
掃描儀精度達0.016mm，並搭配2400萬畫素之單眼相機，因此進行3D掃描同時亦會進行文物影像資料擷取，透過掃描專用處理軟體運算後，即可呈現高精度彩色點雲資料，再經由史前館3D工程師處理後，即能呈現等比例且具文物真實色彩的3D模型。
參、高精度3D建模數化作業流程與現況
史前館3D研究團隊進行3D數化作業主要分為五個階段：前置評估與提借作業、3D資料擷取作業、點雲資料編輯與初步套疊作業、3D資料編修作業以及3D資料檢視與上傳。
一、前置評估與提借作業
進行掃描作業前，須先由史前館專業人員評估文物狀態是否適合進行掃描，評估項目包含文物類型、文物材質、保存狀況等。相關因素如高透光及高反光、文物表面顏色為深黑色者，因受限於光學原理，故3D資料擷取作業較不易進行；而文物若破損嚴重或經修復後其保存狀態仍然不穩固者，亦需審慎評估其可作業性。經評估適合進行3D數化作業之文物，即可與典藏管理人員展開文物提借作業。
二、3D資料擷取作業：
固定式高精度光柵式掃描儀設備校正。 |
3D資料擷取作業流程包含設備校正、物件擺設規劃與對焦、3D資料擷取。由於每一件文物至少需以三個不同角度進行3D資料擷取作業，因此在物件擺設規劃上，需針對文物材質、表面形狀、色彩以及該文物材質對光線的反射程度的不同而規劃其擺放角度，例如部分陶罐因其口緣較深、把手內部轉折處較大，須依其形狀調整光柵線入射角度，以俾擷取較完整3D資料。
三、點雲資料編輯與初步套疊作業：
完成文物3D資料擷取作業後，透過掃描儀專用軟體編輯點雲（point cloud）資料，主要步驟主要為雜點去除點、雲資料套疊（Alignment）、精度確認。文物3D資料編輯完成後即可匯出點雲檔案，以進行更細緻之3D資料建模編修與調整作業。
四、3D資料編修作業
完成點雲資料編輯後的文物，會使用3D逆向工程軟體進行編修程序，作業步驟包含組面（Triangulate）、除錯（Healing wizard） 、套疊（Alignment） 、組模（Merge）、重整網格（Global Remesh）、補洞（Fill hole）、編輯貼圖（Edit Texture）、減面（Dacimate）、轉檔。因本3D數化作業屬於高精度3D模型，其組成之三角網格至少為數百萬面以上，故一般個人電腦設備無法直接使用資料，因此3D研究團隊在輸出檔案時會進行減面程序，依所需目的提供合適的資料量及檔案格式，使3D檔案能順暢使用及瀏覽。
肆、「考古文物3D資料庫」成果與應用
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| 考古文物3D資料庫搜尋頁面。 |
「考古文物3D資料庫」為國內第一個以3D模型展示考古文物的網站，資料庫3D模型以史前館之館藏考古文物為主，目前分別以文化時代、文物類別、出土遺址三大類歸納，方便使用者能快速搜尋與瀏覽。
目前資料庫含有陶質、玉質、石質、骨質、貝類、複合材質、其他標本七大類。其中文化時期包含長濱文化、卑南文化、大坌坑文化、三和文化、圓山文化、麒麟文化、龜山文化、十三行文化、牛稠仔文化等文化時期。此外，亦含括臺灣多處考古遺址，包含卑南遺址、圓山遺址、初鹿遺址、豐濱‧宮下遺址、長光遺址、舊香蘭遺址、高寮遺址、忠義山遺址、鵠尾山遺址、芝山岩遺址、大坌坑遺址、曲冰遺址等。
而每件文物更詳實記錄其屬性資料分別為地區、時代、文化、出土遺址、質地、文物編號、類別、長寬厚、重量、數量、出土探坑、遺物描述等類別。上述資料透過與各個考古遺址的GIS地理座標定位整合後，使用者可以在文物地圖探索功能清楚看到3D文物的分布位置，經由點選考古遺址名稱就能直接搜尋其目前包含的出土文物3D模型有哪些，即使不在博物館內，亦能一探豐富的考古文物風采。
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| 考古文物3D資料庫文物瀏覽頁面。 |
「考古文物3D資料庫」開發一款專屬APP，可與行動裝置結合cardboard（虛擬實境眼鏡）進行VR（虛擬實境）體驗，搭配考古探坑影像背景可環顧四周空間，如此一來就如同考古文物真實呈現眼前，令人不禁讚嘆身歷其境的感受。
此外，APP還建置兩種AR（擴增實境）功能，開啟地圖探索可顯示鄰近四周的考古遺址點。另外，可至本館地下一樓展廳感應對應的考古文物，參觀民眾更能360度無死角的觀看文物3D模型，使考古文物跳脫以往靜態的展示，縮短了民眾與考古領域的距離，並感受親近文物的樂趣。在了解文物背景資料的同時，更增添了幾分趣味性！
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| 考古文物3D資料庫與APP之QRcode，歡迎多加利用。 |
（本文作者為史前館研究典藏組專案助理，為3D研究團隊成員）
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