馆藏文物3D数据管理系统设计与实现.doc

1、 华中师范大学硕士学位论文馆藏文物3D数据管理系统设计与实现姓名：黄莉萍申请学位级别：硕士专业：情报学指导教师：王学东201205我 国博 物馆 由于 历史 和行业 的原 因长 期被 制约于陈旧被 动 的运 行模 式 之 中， 其发 展 往往落 后 于计 算 机信 息 技术的发 展 。但 是 ， 作为博 物馆 服务 对象的公 民的素 质及文 化需 求 却 在现代 信 息 社 会得到 迅猛 提 高 ， 这 无 疑会迫 使 博 物馆 加 快数字 化信 息化建 设 ， 包括 引 进建 设 先进的计 算 机管理信 息 系 统。本 文 针对上述我 国博 物馆 管理工 作的现状 和困 难 ， 并 且 针对

2、馆 藏 文 物数据 的特征， 结 合 数字 考古 数据 处 理的基 本要 求 ， 对馆 藏 文 物数据 采集中的三 维 扫描 技术 、 三 维 建 模 技术 、 数据 库 技术 、文 物考古 元 数据 等 理论 与 方 法进行了 阐述 。本 文 重点 分 析 了 馆 藏 文 物数字 化过 程中获取其数据 的困 难 性 ， 并 对此提 出 了 可行性 的解 决 办 法。本 文 研 究 的馆 藏 文 物数据 管理系 统 本 着“重视 数据 、 强调 技术 、 服 务 应 用的理念 进行设 计 与 建 设 ，内容包 括 数据 采集方 式 、 数据 标 引 方 式 及数据 库 的结 构设 计 等 三

3、方 面 。系 统 总体框硕士 学位 论 文能 设 计 、系 统集成 等 方 面 依 次展 开 陈述 。采用的研 究 方 法具 有针对性 、科学 性 和解硕士 学位 论文 ， 竒 ， 縨 躤 鬭 孤 亢 鱪 仃 臆 硕士 擘住 论文： 齛 胏 ， 第 一章引 言我 国幅 员 辽 阔 ，历 史悠 久。 我 国文博 界 工 作者及 史学 家 经 过几 代 人 的 艰 苦努力 ，发 掘 出了许 多 珍贵 文物。 这 些历 史遗 迹 和 珍贵 文物，见 证了我 们 民族 的历 史，记 录了中 华文明 的发 展，是 全 人 类 的瑰宝 ，具 有 极高的研 究价值 和 艺术 价值 。 馆藏 文物不 仅 具

4、有 研 究、证实和 补充 历 史的 作用 ，而 且通 过多 种 形式 的 馆藏 文物的 宣传展示 ，可 对国民 进 行 爱国主 义、历 史唯物主 义及 民族 精 神 教育 ，馆藏 文物也被赋 予了具 有传播 社 会 主 义精 神 文明 的功 效 。 更为 重要 的是 ，馆藏 文物为 研 究和 继 承 历 代 科学 技术 提供了实物资料 ，可 为 发 展现 代 科学 技 术 提供一定 的 有 价值 的 借 鉴 作用 。上 世 纪 末以 来 ，我 国文博 业 也由 于 国民 经 济 的 迅 猛发 展而 得 到了快速的 发 展，尤其 体现 在 文物馆所的 建 设 方 面发 展更迅 速，博 物馆在 硬

5、 件设 施上 得 到明 显 改 观，大 大 提升 了博 物馆的 展示 的功 能 ，使得 观众能 鉴 赏到众多 的珍贵 文物，璀 璨 的民族文化得 以 传播 与 弘扬 。 这 些珍贵 稀 缺 的馆藏 文物记 载着包括 中华民 族 在内 的全 人 类的文化创造 过程 及 其成果，具 有 丰富 的历 史价值 、文化价值 、艺术 价值 以 及 极其重要的交 流价值 ，所以 ，如何 最大 程 度 地保存 馆藏 文物的 完 整 资料 、如何 对馆藏 文物数据 进 行 管理是 我 们 亟待解 决 的 问 题 。利 用 计算 机 三 维图 形技 术 ，根 据文物的 体积、材 质 、形状 的不 同 ，各种 类

6、型 的扫描 仪可 以 完 成对大 型 目 标 、一般 性物体、人 体、狭 小 空 间 和 异 型 物体、较 小 物体和 表 面复杂纹 理的 高 精 度 扫 描 。 之 后，通 过相 应 软 件对所扫 描 物体进 行 数字 化还原 ，生 成被扫 描 物体的 原始 数字 模 型 ，对馆藏 文物的 基 本 元素进 行 准 确、系 统 、综合 性的 采集和 再现 ，建 立完 整 的 馆藏 文物 数据 数据 库。 借 助专 用 的 立体显 示 功 能 的立体图 形计算 机 工 作站，加 上专 业 的建 模 软件及 虚 拟现 实技 术 ，获 取逼 真的仿 真三维场 景，并 通 过大 型 显 示 设 备 呈

7、 现 在屏幕 上，加 之 灯光 、音 响 ，让 人 产生 身临其境的 视 听 感觉 ，数字 化的 馆藏 文物真正可 以 做 到艺术 魅 力 永 存 。 通 过馆藏 文物 数据管理系 统 软件，可 以 便利 查询 到馆藏 文物的 名 称 、年 代 、质 地、重量、级 别、类型 、尺 寸 等 信 息 。 随意 点击文物类 别筛选选项 ，再选 取任 意 一件，文物的 三 维立体展示 立即映入 眼帘 。 研 究现状与 存 在 的 问 题“馆 藏文 物”数据 管 理 系 统的 设 计与 构 建 等 课 题 开 展 了 广 泛的 研 究、 探 讨 与 实 践。以往， 博物馆 方 面 出 于 考 虑馆 藏文

8、 物的 稀 缺珍贵 的 特性，把馆 藏文 物的 安 全性放 在首位 ，致 使 部 分珍贵 文 物不 对 外开 放 ，严 重制 约 了 文 物的 利 用 率 。 加 之 ，馆藏文 物受存 放 条件 的 限 制 ，不 可 避免 的 遭受 氧 化锈 蚀 、 霉变 虫噬等 损 坏。 充 分利 用 新技 术将馆 藏文 物数字 化， 运 用 计算 机 处 理 技 术 及 网络 技 术 进行馆 藏文 物信息的 收集、 处理 、 保 存 与 传 输 ，可 以打 破 制 约 我 国文 博界 工作 效 率 的 瓶颈，这不 仅可 以很 好的 保护文 物， 实 现馆 藏文 物基本信息的 共 享 与 交 流， 而 且

9、数字 文 物的 数据 可 以更 好的 满足 相 关 领 域 的 研 究及 应 用 需求， 博物馆 得 以更 好的 全面 实 现其 社 会 职能 。 总 之 ，信息技 术 时代的 现代博物馆 发 展 的 必 然 趋 势 就 是 要 与 时俱 进， 充 分运 用 新技 术 对 馆藏文 物实 施数字 化、 网络 化。“博物馆 数字 化服 务” 概 念是 在 现代信息技 术 、 网络 技 术 、 计算 机 技 术 、 通 讯硕士 擘位 论 文馆 数字 化 ”的区 别 。 首先 对 于博物 馆 数字 化 ， 学 者 们从 不 同 角度 进 行 了 阐述 ， 概 括起来 大致 有 以 下上 的博物 馆 ；

10、就 传 统 文 博系统 来 说 ， 随 着 文 博事业 的发 展和 计 算机 、网 络通 讯技 术 的发 展，博物 馆 传 统 工作 手 段 与学 术 研 究 及 社会 文 化 进 步 形成 了 尖锐的矛 盾。 长期 以 来 ， 我国 博物 馆 展示 陈 列形式 匮乏、内容陈 旧； 博物 馆 管理 手 段 落 后、工作 效 率低下 ； 藏品利 用率十分不 足 ， 等等。 这 些 问 题 充 分说 明 传 统 博物 馆 因 内部 体 制 、工作 流 程 、管理 模式 和 技 术 等不 足而 亟待 改善 的必 要性 。 那么 另一 方 面 ， 博物 馆 数字 化 服 务 的产 生也 有 着 来 自

11、 外部 的必 然 的促进 因 素 ， 这 表 现 在 以 下 几个方 面 ：博物 馆 学 科呈 现全球 化 的发 展态势：科技 的发 展使 得数字化 技 术 溶入 至人 文 科学 之中 ； 数字 典 藏 被大规 模的应 用； 博物 馆 教育功 能 深化 和 发 展的需 求 ， 它 将 使博物 馆 的教育功 能 更 广泛 、更 有 效 地得以 发 挥 。 社会 的发 展、公 众素 质 的提 高 、技 术 的进 步 就 要求 博物 馆要能 很好的发 挥 自 身 的社 会 功 能 ， 努力 拓 展文 化 传 播 空间， 就 必 须 运用先 进 的传 播技 术 ， 选 择 先 进 的传 播 工具 、运

12、用丰富 的传 播 方 式 促进 传 播 效 果 以 适应 和 满 足社会数 字化博物 馆 的 信 息 资源 与以 往博物 馆 的 信 息 资源 的 载 体形式 明 显 不 同 。计 算机 数 据 库 、网络 和 其 它 数 据 存储 设备 等是数 字化博物 馆 信 息 资源 的 主 要载 体形式 ，而 实 体博物 馆 的 信 息 资源 主 要是依附于 藏 品 本身 而 存在的 。学 者们在这 一问题的 讨论中存在着 共识：馆 藏 文 物 的 数 字化是数 字化博物 馆 的 关 键， 运 用 计 算机 技术建设藏 品 信 息 数 据库 更 是重 中之 重 ； 规 范 完 整的 编码是藏 品 数

13、据库 建设的 重 要保 证 ， 为了有 效的 利用 藏 品 信 息 ， 避免 制造信 息 孤岛 ， 必 须 统 一藏 品 信 息 采集 、记录 及描 述标 准 。 博物 馆 馆 藏 文 物 数 字化服务 技术研究高 精度 的 带 纹理的 数 字 模 型可 以 方 便的 实施 馆 藏 文 物的 修 复 及还 原 ；借助高 度 逼真、 可 量 测 的 数 字 模 型可 以更直 观 的 进 行馆 藏 文 物的 虚 拟 展 示， 能 极好 的 满足 观 者研究 、 赏 析 的 需 求 ；等等。总之 ， 利用馆 藏 文 物的 数 据既能 满足 文 物保 护 的 需求 ， 又 可 满足 文 物研究 、 修

14、 复 、 复 原 、 展 示等多方 面 需 求 ， 可 以 说 馆 藏 文 物数据在某些方 面 还 在不 断 改善 着 文 博界传 统 的 工 作方 式 与 工 作流 程。技术 的 网 站 上向 馆 方 寻 求 相 关 咨 询 服 务 ， 同时 开展 多种 形式 的 互动交 流 活 动， 满足观 众 的 社会 交 流 需求 。需 要 指出 的 是， 数 字 博物馆 与博物馆 网 站 是两 个概念 ， 绝不能 等同。但 是， 当 博物馆 网 站 发展 到 一 定规 模 时 ， 可 能 出 现 博物馆 网 站 向 数 字 博物馆 转型的 现 象 。例如 ， 外国 一 些实体 博物馆 网 站 ， 由

15、 于 数 字 化典藏 数 量 的 日 渐增 长 ，访 问量 日 渐提高 ， 出 于 经 济 运 作之 考 虑 ， 进 而将网 站 单独分 离 出 去， 发展 成 为 数 字随着学 界对博 物馆 数 字化 服务 研 究 的全 面 深 化 ， 对数 字化 建 设过程和 服务 提供也有 了更加全 面 的认识， 学 者们开 始针 对博 物馆 界的数 字化 服务 的特 点及数 字化 服务 的功 能内 涵 ， 进行了一 系 列 分 析和 总结， 在此不 一 一 列 举。 尽管 学 者们的研 究 角度 和 表 述 不 尽相 同 ， 但 都着力 体 现 出 博 物馆 数 字化 服务 中的网 络 化 、虚 拟

16、化 、共 享化 和 智 能化 的特 点。就博 物馆 数 字化 所具 有 的基本 特 征和 结构 功 能来 说， 较 之 于传 统博 物馆 ， 博 物馆 数 字化 主 要是 突 破了物理 空 间和 时 间界限的局 限， 打 破了信息 单 向 传 递 的限制， 改善 了馆 藏 文 物信息 的交流 共 享 与应 用 研 究 ， 博 物馆 数 字化 服务 的总体 目标就是 在 收 藏陈 列 、研 究 保 护、教育 展 示 等 三 大 功 能上 实现 博 物馆 的数 字化 。 综 上 所述 ， 博 物馆 数字化 服务 的特 点是 共 享 化 、网 络 化 和 智 能化 。在 馆 藏 文 物信息 资源 建

17、 设上 ， 我 国 文 博 界存在 着如 下 问 题 ， 如 数 据 库 规 范性 差，因为 每 个 博 物馆 的馆 藏 文 物是 不 一 样的， 馆 藏 文 物数 据 库 标准 几 乎都是 自 定 义的，导 致馆 藏文 物信息 的共 享 性 差， 使 得 统计查 找 十 分 不 便； 很 难 解 决、核 实手 工 录入时 出 现 的疏 漏而 导 致的数 据 信息 的误差， 严 重制约 了博 物馆 业 务 工 作的效 率 ； 数 据库 利 用 率 低下 、更新 速 度 较 慢 等 等 的亟待改 进的现 状。目前 的大 多 数 字博 物馆 对于文 物本 体 的展 示 和 表 达很 不 到 位，

18、人 性 化 更无 从 谈起。 数 字博 物馆 的页 面 对文 物本 体 的展 示 往往是 通过一 些 配 有 文 字介 绍 的文 物图片， 或 另 外 加配 一 些 以 描述 文 物细节 的图 片进行辅 助说明 ， 这 种 对文 物主 体 的表 达语言 难 以 展 示 文 物全 貌 ， 鉴赏 过程和 感受 平淡 乏 味 ， 心 理 上 无 法 拉 近 和 馆 藏文 物的距离 感 ， 也无 法 进一 步 从 中获 取 文 物研 究 所需要的一 些 数 据 、尺 寸 等 信息 。本 文从 馆藏 文物 数 据 的 采集 、处 理 、存 储等 方 面入 手 ， 旨 在基 本 实 现馆藏文物 数 据 采

19、集 、处 理 、存 储管 理 功 能 ， 为 科 学 研 究 、公 共 服务 、决 策 支 持等 方面提 供 信 息 服务 的 保 障 。 高 精 度 、高 效 率 采集 馆藏 文物 数 据 及 为 文物 管 理 服务的 包含 文物 分 类 、统 计 、计 算、查 询 等 数 据 元数 据 描述方 法是本 文拟解 决 的 关键问 题 。本 文以 管 理 信息 系 统 思 想为 主 线 ， 从 需 求 分 析出 发， 通 过 总 体设 计 、子 模块功能 设 计 、系 统 集 成 等 方 面依 次展 开陈 述。 实 用 可操 作性 、多 学 科 融 合 性 是本 文的 一大特色。 由于 目 前

20、文物 三维重建 采用 的 技 术 昂 贵 的 激光扫描仪 所获得 的 密集 点云不具 有 与纹 理 映射所需 影像的 一 一 对应 的 关系 ， 因此 在极 为 重要的 纹 理 映射过 程中只 能 使 用 十分 繁 琐复杂 的 手工劳 动 ， 造 成 极 高 成 本 、极 低效 率 的 实 际 困 难 ， 以 至于 使 博 物 馆数 字 化 的 目 标 严 重滞后 。 因此 ， 人 们 在希望 便捷解 决 激光扫描仪 的 纹 理问 题 无 望 后 ， 转 向了向结 构 光扫描与摄影测 量 技 术结 合 扑 慊 泳 的 研 究 ， 达到 既能 获得 与激光扫描仪 一 样高 质 量 、高 密度 的

21、 点云， 又利 用 摄影测 量 点云与影像信息 一 一 对应 的 关系 达到 自 动 纹 理 映射的 目 标 。 这一 技 术目 前 已获得 成 功 。 本 研 究中馆藏 文物 数 据 的 采集 就 是运 用 了武 汉锐 智 的 三维扫描摄影测 量 技 术， 这是国内 迄今为 止精 确 度 最高 、效 率 最快 的 馆藏 文物 数 据 采集 技 术。 本 文介 绍了使 用武 汉锐 智视觉 测 量 技 术有 限 公 司 的 三维扫描摄影测 量 系 统 采集 馆藏文物 数 据 的 全 过 程 。第 四章介绍 馆 藏文 物 数据 管 理 系 统 总 体 框 架。从 系 统 结构 框 架、关键 技 术

22、框 架、系 统 功 能框 架等 方面 实现 系 统 总 体 框 架设 计 ；基 于 甋 结构 实现 文 物 数据 管 理 系 统 ，包 含 系 列 数据 导 入 、文 物基 本 研究信息管 理 、文 物检 索 、系 统 管理 等 模块。专业 的 三 维动画 软 件进行 人工建模及 贴图 。 这 种三 维重 建技 术成 本 要 求很 高 ， 效 率却 低 下， 耗 时费 力 ， 关键 是 所 获 得的 数据 的 精 度 还 不 能 满 足 馆 藏文物 数字化的 需求 。所 以， 利用专业 的 建模软 件对 馆 藏文物 进行 人工建模的 方法 目 前既 不能获 取到馆 藏文物 本 体 的 精确 的

23、 三 维几 何 模型 、纹 理 等 较 全 的 信 息 ， 同时， 其 成 本 太 高 也严 重 制约了该方 法 在实 际应 用中的 有效 性 和 可 行 性 。近年 来， 一些 国 家 、研 究机构 、公司已 纷 纷 涉足了 三 维 重 建 的 研 究， 譬如著名的 微软 公司就 曾 经 在网上提 供基 于图 像的 三 维 重 建 的 在线 服务 ， 它的 优 势在 于不 受时间 、空 间 的 影 响， 操 作 简单、自 动 化 程 度 较高 、建 模 所 需 时间 短 、成 本 不 高 。 但是若采用 该 方法对馆 藏文 物进 行 三 维 重 建 所 得的 数据 精 准度 不 能保 证 ，

24、 被 数字化 后的 馆 藏文 物本 体 的 信 息 不 全。 使 用 该 方 法获 取 的 数据 可 以 用 来作 为展示 展览 数据 ， 云服务 平 台 就 应 该 类似 于此类。较慢 ；其后 是激光 线 扫 描 仪， 扫 描 方式 是逐线 扫 描 ， 扫 描 速 度 依 然不 快 ；第 三 阶 段是 面 扫 描 ， 其优 势是 扫 描 速 度 很快 。 但 是 ， 针 对表 面 颜色 较深 、高 光 材 质 如金 、银 、水晶、通 透 的 玉 石 等 ， 其扫 描 困 难。 另 外， 激光 扫 描 仪只能获 取 被 扫 物体 的 点云数据 ， 而 点 云只能是 馆 藏文 物 数据 的 初

25、始数据 ， 后 续 的 相 关成 果 数据 要 借助 第 三方软 件进 行 处 理。 对此武 汉 大学 郑 顺 义 教授 的 观 点是：“ 激光 扫 描 仪可 以 快 速 获 取馆 藏文 物表 面 密 集 的 三 维 点的 数据 ， 但 是激光 扫 描 对于颜色 比较深 的 馆 藏文 物， 激光 反 射 率 降低 影 响扫 描 所 获 取 的 三 位 点的 质 量 及可 靠 性 ；另 外， 激光 扫 描 重 点在于获 取 点云数据 ， 纹理映 射 等 方面 还 需 要 借助 第三 方软 件来实现， 并 且 手工 纹理映 射需 要 占用 大量 的 时间 ， 严重 消 耗了 激光 扫 描 获 取

26、点云的 高 效 率 ；激光 扫 描 ， 在形状变 化 比 较剧 烈 的 区 域的 点 云数据 拼接 方 面 遇 到 一些 困 难 ， 通 常需 要 添 加人工 标志点 ， 而 对于馆 藏文 物有时 是 不 允许 的 。 一硕士 学位 论文专 利 技术 ，也是 目 前 激 光扫 描仪针对 馆藏 文 物 的 模 型重 建逾 越不过的 应 用瓶 颈。 三 硕 士 学 位 论文图 扫 描 示 意 图硕士 学位 论文定的 角 度 继续扫 描 。 下图 为 运 用该系 统单 片 扫 描 的 点 云 ：硕士 学位 论文一键 立即 自 动 映 射完 毕如下图 示 。综 上所 述 ， 系 统 能 直 接 快 速

27、 获 取 被 扫 描 的 馆 藏 文 物的 每一 点的三 维 坐 标 ， 并 经 过 强 力 的 算 法从 而 可 以获 取 馆 藏 文 物的 数 据 并 自 动 进 行 馆 藏 文息 缺 失。由 于 馆 藏 文 物独具的 稀有 珍贵 的 特 性 ，该系 统 针 对馆 藏 文 物通常 采 用 非 接 硕士 学位 论文首先 ， 我们 简 单 介绍一下国 外 元 数据 标准的 研 究 应用 现 状 。国 际 上常 用 的 元 数 姗 适 宜 于 地 理 空 间 信息 资 源 的 描述 、 适 宜 于 数字 影像及 回 张敏元 数据 扭 姆 购拖 喙馗 袷 酱 拇 际 楣菅 硕士 学位 论文数据 资 源 相 关 联的 日 期资 源 的 类别资 源 的 数据 格 式覆 盖 区 间 权 限 管 理 硕士 学位 论文 目 及子 类目 构 成 ， 有 个一级 类目 ， 目 录层 次 高 达 叮 泻 诵睦嗄。 阤 托 ， 王 ， 、， 甴 硕士 学位 论文取对 象 的 过 程。采 用 两位 阿拉伯 数 字 表 示 指 标 集。硕士 学位 论文表 文 物信息 指 标 群确、精 细 地反 映 文 物的 几何 形状 ，首先 要 获 取物体 表 面 密集的 三 维点 数 据 ，称作点回 杜侃 馆 藏 文 物保 护中 数 字 建模 技术应 用 研究 们 文 物保 护与考古 科学， 扣