| 考古文物3D數化作業與數位修復應用
圖／文．葉長庚、劉宜婷、黃詩婷
壹、前言
隨著3D科技發展日益蓬勃，國立臺灣史前文化博物館近年來將其應用於文物典藏、研究與展示推廣等領域。史前館團隊為了發展考古文物在數位典藏上的創新，並提供不同於傳統平面式圖像的表現方式，引入3D技術針對考古文物進行3D數化作業。經過長期規劃與執行，於2017年完成可供大眾使用的「考古文物3D資料庫」，期望將考古文物數化資料，從過去初步觀看的程度，提升到更適合研究、展示與教育推廣的地步。一來更能保留較多文物表面與物理屬性資料，可以減少人工作業產生的誤差，二來也打開考古文物展示應用被侷限的藩籬。
「考古文物3D資料庫」以考古文物之3D模型進行展示，資料庫中的3D模型皆由史前館3D作業人員針對真實考古文物進行3D數化作業而完成。模型為全彩，屬於高階3D數化技術，單一件小型文物模型的三角網孔（mesh）數高達上百萬，經本館3D工程師處理後上傳3D資料庫，供民眾直接於網頁上瀏覽3D模型，且不需安裝其它程式即可從任意角度觀看與轉動考古文物。
貳、整體規劃與設備規格
固定式光柵式掃描儀掃描作業。
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3D數化作業採用光柵式掃描儀（SMARTTECH 3D），同時搭配掃描儀專用軟體與3D資料編修專用軟體（DesignX），設置於高階工作站上進行操作。光柵式掃描儀的運作，係以光柵打在文物表面，光線反射體表後，再以精密的光學運算擷取3D資料成像。並且建置影像擷取系統，擷取每一角度資料的同時，亦能精確取得文物表面的色彩資料，進而完成一件全彩高階的3D文物模型。
史前館目前已建置的中小型考古文物3D數位化系統，是利用高精度及高解析度的3D掃描儀進行考古文物3D數位化作業。此掃描儀除了具備精度達0.016mm，還搭配2400萬畫素的單眼相機，因此在進行3D掃描同時，亦進行文物拍照作業，再利用專業3D點雲資料處理軟體之運算，呈現等比例並貼附文物照片的3D模型。這讓文物在螢幕上隨時可進行任意角度翻轉，如同實際將文物把玩在手中。
參、3D數化作業流程
考古文物3D數化作業主要可分為前置評估作業、3D資料擷取作業、點雲資料套疊作業與3D資料編修作業等四個階段。以下一一說明。
一、前置評估作業
開始考古文物3D數化作業前，需先由史前館專業人員評估考古文物的狀態是否適合進行掃描作業。評估項目包括考古文物之類型、材質與其保存狀態，相關因素如高透光及高反光的物件，受限於光學原理，較不易完成3D資料擷取作業；而考古文物若破損嚴重、或經修復後其保存狀態仍不夠穩固者，亦較不適合以目前規劃方式進行3D數化作業。
二、3D資料擷取作業
1.設備校正：將校正板置於轉檯中央，經由調整機器角度及鐳射光投射於校正板上的焦點，啟動掃描儀與專用軟體後即進行校正作業。
2.物件擺設規劃與對焦：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，故針對文物材質、表面形狀、色彩，以及該文物材質對光線反射程度不同而規劃其擺放角度。舉例來說，部分陶罐因其口緣較深，須依形狀調整光線入射角度，以俾掃描儀能較完整擷取3D資料。將考古文物擺置於進行3D資料擷取之旋轉檯上後，需依其擺設情形進行對焦確認。
3.3D資料擷取：進行3D資料擷取時，需由軟體設定掃描範圍及旋轉角度，通常以360度為範圍、旋轉角度依文物狀況設定於30-60度間。若遇有轉折面明顯之文物，則依其外型設定更小的旋轉角度，以擷取更完整資料。每個角度之3D資料擷取作業約需4分鐘，掃描一完整範圍約需20至40分鐘。文物經由各個角度的資料擷取後，以掃描儀專用軟體與3D資料編修專用軟體，進行更進一步的3D資料整理。 |
三、點雲資料編輯與初步套疊
完成文物3D資料擷取作業後，透過掃描儀專用軟體（SMARTTECH 3D）編輯所取得點雲檔案（Point Cloud）。主要步驟如下：
1.雜點去除：於去除雜點工具中運用群組、邊緣與非連續點，選取3D資料擷取作業過程中衍生的雜點，將其清除，使資料套疊更精確。
2.點雲資料套疊(Alignment)：將各個角度擷取之3D點雲資料進行手動套疊，以呈現文物完整外觀。再透過自動精細套疊，使點雲的套疊情形更為精密，並產生精度報表，以瞭解此3D資料誤差值。
3.精度確認：本掃描儀為高精度儀器，經精細套疊後的資料誤差約為0.1mm，若誤差值高於0.2mm則需重新進行前述作業。文物3D資料編輯完成後即可匯出點雲檔案，以進行更細緻的3D資料編修與調整作業。 |
四、3D資料編修作業
針對文物已完成之點雲資料，運用3D專用軟體（DesignX）進行編修程序，作業步驟如下：
1.組面（Triangulate）：首先匯入前述作業之點雲資料，並個別進行組面程序，此步驟會將各角度所擷取之點雲資料面化，組成三角網格資料。 2.除錯（Healing wizard）：逐一檢查前項程序完成之面化資料，再針對面化過程中產生的細碎雜訊資料部分進行刪除，直至雜訊清除乾淨為止。
3.套疊（Alignment）：套疊面化程序後的各個群組資料，刪除重疊部分的資料，使模型更精確。
4.組模（Merge）：將套疊完整的群組資料進行組模程序，以完成一件文物的3D模型資料。 |
5.重整網格（Global Remesh）：針對3D模型的三角網格進行計算，並在不改變模型邊緣的情形下將其重整，以提升後續補洞作業之效率。
6.補洞（Fill hole）：修補3D模型之細微破洞與少數凌亂資料，使3D模型得以整體封閉且完整。
7.編輯貼圖（Edit Texture）：3D模型完成後進行貼圖色彩編輯，使3D模型表面色彩更準確。
8.減面（Dacimate）：由於本掃描儀所取得之3D資料極為細緻，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並無法順利使用資料。因而在輸出3D模型檔案，會進行減面程序，依所需目的提供合適資料量，以使3D檔案能順暢瀏覽。
9.轉檔：最後針對各文物3D模型所需使用或瀏覽方式，將3D資料轉檔為各類可供使用的檔案格式。 |
肆、「考古文物3D資料庫」初步成果
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| 「考古文物3D資料庫」搜尋頁面。 |
目前史前館3D數化團隊已完成131件考古文物之3D數化作業，其中80件於完成3D模型資料後，經轉檔匯出成obj格式上傳至「考古文物3D資料庫」。
「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。一般而言，想要在不安裝3D軟體的前提下觀看3D模型，可以使用附加ICF檔的HTML檔案格式，或透過3D專用軟體轉成PDF檔格式，但上述兩種方式皆須於特定程式或瀏覽器中安裝插件才能觀看。
本資料庫不需額外安裝插件，也不需特定瀏覽器或行動裝置，也能自由觀看及旋轉3D模型，完全感受到親近文物的樂趣。資料庫以館藏考古文物為主，歸納為文化時代、文物類別、出土遺址三大類，讓使用者能依需求快速搜尋。資料庫並利用地圖探索，讓使用者可一覽考古遺址所在位置，並連結觀看該遺址之出土文物。每件考古文物皆有基本資料，讓使用者能更清楚了解文物的狀況。
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| 「考古文物3D資料庫」文物瀏覽頁面。 |
伍、數位修復之應用
除了針對考古文物3D資料的直接應用外，史前館3D數化團隊更進一步發展3D技術於考古文物修復作業之應用。首先，針對預定修復作業之考古文物進行3D數化，運用3D模型曲面編修軟體（Geomagic Freeform），針對考古文物3D模型進行數位修復。
過程中使用觸覺式雕刻系統，讓數位修復人員在考古文物3D模型上能輕易雕刻出考古文物原有之刻痕及紋飾，再由考古學研究人員進行成果確認。後續則將擷取數化修復之部件進行匯出，規劃透過3D列印機輸出該考古文物所缺失之部份，進一步評估與考古文物黏合或協助其修復作業的可行性。
陸、考古文物3D數化資料應用
 
新社國小學童體驗活動。
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除了建置3D資料庫外，亦嘗試利用APP進行VR（虛擬實境）與AR（擴增實境）之體驗。AR是透過個人手機結合Cardboard（虛擬實境眼鏡）使用，即可讓考古標本近乎真實般呈現在眼前，AR（擴增實境）可以在史前館地下一樓展示廳感應尋找散落各處的考古文物。另一種AR則為地圖探索，掃描周遭環境會出現最近的考古遺址點，藉此讓使用者更貼近史前文化。
柒、未來展望
史前館將3D技術應用到文物典藏與數化作業的實質業務上，將產出成果應用在博物館展示與數位導覽媒材，進一步作為文創商品開發的核心資料，亦規劃作為學術研究、數位出版品與相關展示設計所用。
這類做法預期可將3D技術於考古文物的應用推廣到學術研究、博物館相關業務、展示應用等層面，不論是博物館的專業研究人員、相關業務人員與民眾等，都可以體會3D技術帶來的改變。透過雲端整合，對公眾更迅速開放文物資料，也進而推動文化資產保存維護作業的科技應用與其完整性。
（本文曾於2017年7月7日至8日舉辦之「2016年臺灣考古工作會報」以海報形式發表，題目為〈史前館考古文物3D數化作業與初步成果〉，並收錄於文化部文化資產局2017年9月18日主辦之「3D掃描及應用技術交流工作坊」會議手冊第25-32頁。）
（本文作者群為史前館研究典藏組研究助理與計畫助理，3D數化團隊）
本文亦發表於「史前館粉絲頁 」，歡迎分享討論！
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