本文是一篇机械论文，本文针对现有低效率的绘图方式、参差不齐的绘图质量、文物数据管理保护过程中的繁多杂乱以及意外损伤等现象，运用日益成熟的计算机辅助设计技术进行相关研究：文物三维模型的采集与重构、文物考古绘图二维图像输出、文物数据库系统构建、文物数字化保护系统开发。
1 绪论
1.2 研究背景与意义
1.2.1研究背景
文物是人类创造的宝贵遗产，承载着五千年中国文明灿烂历史的光辉，是连接过去与现在的纽带。它们不仅仅是历史的见证者，更是过去时代的有形证据，让我们能够窥见古代社会的风貌、人们的生活方式以及他们的智慧与创造力[1]。文物保护工作需要跨学科的专业知识，包括考古学、文物修复、计算机专业等领域的人才。然而，目前文物保护专业综合性人才相对短缺，对文物的科学性保护产生了影响。在文物保护具体的工作方面，科技手段的应用仍未普及，诸如数字化技术、三维扫描等，这限制了文物保护工作的现代化水平，也影响了对文物的科学保护和研究的进行。在历史文物的发掘与保护过程中，传统的方式存在一系列局限性，导致对文物表面所包含的重要历史信息存在纰漏，传统的文物保护方法面临着多方面的挑战。目前传统的记录手段相对单一，通常仅限于摄影和手工绘图，导致文物记录信息的单一性和缺乏多样性；在考古发掘现场，文物碎片堆积成堆，手工复原需要耗费大量时间，且容易对文物造成二次破坏；传统的展陈方式受到时间和空间的限制，无法充分展示文物的历史价值；纸质手工绘图管理效率低，不仅占用大量空间，而且查找和检索困难，易导致信息遗失或混淆。传统文物保护方法需要寻求更加高效和可持续的解决方案[2]。因此，需要改进传统的文物保护方式，加强科技手段的应用，培养更多的是综合性专业人才，以提高文物保护工作的效率和科学性。
1.2.2研究意义
数字化文物保护技术是一种强大的工具，它能够以全面、准确的方式记录文物的各项信息，包括外形、结构、材质等方面。与传统的纸质记录相比，数字化记录能够确保文物信息的永久保存，并且不受空间和时间的限制。这种技术的应用对于文物的传承至关重要，它不仅能够保留文物的真实面貌和历史信息，还能够提供给后人更为全面和精确的了解。数字化技术在文物保护中的一个重要应用是三维扫描和建模，通过对文物进行三维扫描，可以生成精确的数字模型，为文物的修复和保护提供更准确的依据。修复人员可以通过这些数字模型来模拟文物原有的形态，从而在修复过程中降低对文物的二次损害，并提高修复效果。
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1.3 国内外研究现状
1.3.1现有考古绘图技术
在文物修复记录工作中，通常依赖少量的文保人员利用文物本身提供的信息进行传统方式的记录。文物的详细资料的归纳主要依赖于文保人员的耐心和细心程度，当涉及到大量的器型相互重复时，传统的纸质记录工作变得繁重且单调，如图1-1所示。面对大量器型的相互重复以及其他一些文物遭受严重损坏急需修复，或因各种原因而无法及时得到保护与修复的情况，传统的文物保护方法显得力不从心。因此，如何科学、准确地保护文物并从中获取各类信息成为考古工作者们长期关注的焦点问题。传统文物考古记录手段主要以手工绘图或数码相机拍摄的方式，这种方法存在记录手段单一、多样性差的问题，难以全面准确地捕捉文物的复杂信息。文物碎片铺满地的情况往往会出现在考古发掘现场，如图1-2所示。手工修复文物的过程是一个漫长的过程，并且在该过程中极易对文物造成人为的损伤，从而影响文物的完整性和修复难度，限制了文物保护工作的效率和效果。纸质考古档案存在不易查找检索、需要专门的存储空间和管理起来庞杂麻烦等问题。这种方式容易导致纸质记录的遗失和混淆，进一步影响了文物信息的长期保存和有效利用。因此为了解决这些问题，需要探索更先进、科学的文物保护方法，包括更多数字化技术的应用，以提高文物保护工作的效率、准确性和现代化水平。
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2 文物形态数据采集与3D重构
2.1 文物三维数据采集
2.1.1 文物数据处理方法
将出土文物三维数据录入计算机，是将文物数据转化为数字形式的过程。这一过程是文物数字化研究的基础，也是文物数字化的重要组成部分。当前，获取文物三维数据的主要方法包括三种。
依照实物纯手工建造三维模型，这种方法需要人工根据文物的外形进行建模，工作量大，对美工要求高。手工建造三维模型存在时间消耗大、准确性限制、劳动强度大、成本高昂以及更新困难等缺点,如图2-1所示。
根据二维数码图像合并成三维模型，这种方法通过数码相机由前后左右上下角度拍摄文物的数码图像，利用再使用计算机软件将二维的数码影像合成为三维模型，如图2-2所示。该方法缺点包括信息缺失、准确性不足、处理复杂度高以及可能出现纹理失真等问题。此外，由于对相机拍摄时的角度和焦距有严格要求，在某些情况下难以实现。
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2.2 文物三维数据重构
三维扫描技术在考古工作中具有重要价值，在实际应用中三维扫描技术也面临着一些挑战。考古现场空间有限，在空间受限的场地和无法达到正常扫描条件要求的环境下，文物无法自由摆放甚至属于不可移动，在进行三维扫描作业时，扫描设备的操作受到严重限制。在文物发掘现场中，文物往往相互叠压，扫描设备难以进入其中进行扫描，周围环境可能存在杂物扫描背景受到污染；文物本身的颜色、材质、大小、反射率以及自身未经清理前泥土的遮挡；扫描过程受到主观人为因素的干扰，扫描角度的把握等因素，都可能对扫描数据的质量造成影响，产生噪点或数据缺失。为了提高三维扫描数据的准确性，需要在进行后续处理之前对数据进行一系列预处理步骤包括：点云去噪，去除扫描数据中的杂点，包括多余的地面、背景的噪点、光线明暗产生的阴影等；孔洞修补，对三维模型中的孔洞进行填补，使其恢复完整的形状；模型简化，通过算法对三维模型的几何结构进行简化，使其保持原有外观特征的同时，降低模型的复杂度。
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3 基于文物 3D模型的考古线图输出 .......................... 25
3.1 模型绘图的线与面 .................... 25
3.1.1 文物半剖图 ..................................... 25
3.1.2 轮廓线 .................................... 26
4 文物数字化保护系统功能模块构建 .................. 37
4.1 系统功能角色分析 ........................................ 37
4.1.1 游客使用流程分析 ............................ 37
4.1.2 管理员使用流程分析 ......................... 38
5 文物数字化保护系统集成及测试 ............................ 53
5.1 软件平台与系统设计 ....................... 53
5.2 数字化管理系统测试 ............................ 55
5 文物数字化保护系统集成及测试
5.1 软件平台与系统设计
本研究通过逆向工程设备获取文物三维模型，并使用逆向工程软件Geomagic对扫描文物模型进行处理，最后将基于Grasshopper进行二次开发的二维考古线图输出模块与在Visual studio中使用c#语言以及SQLServer搭建的文物数据库系统，集成于Rhino软件插件中，如图5-1所示的文物数字化保护系统集成流程图。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文针对文物考古现状存在绘图效率低、绘图质量参差不齐、文物数据管理保护过程中的繁多杂乱以及意外损伤等现象，运用日益成熟的计算机技术，在文物考古绘图质量以及效率、信息管理与保护等方面，开展了文物三维模型的采集与重构、文物考古绘图二维图像输出、文物数据库系统构建、文物数字化保护系统开发等研究工作。研究内容与成果如下：
（1）文物形态数据采集与3D重构。首先本文对扫描得到文物模型后出现噪点和孔洞等现象进行概述与分析，对比现有针对此类现象处理方法，本文选择借助Geomagic Studio逆向工程软件对模型点云数据进行去噪、孔洞修补、和模型简化。处理后的数据更加清晰、准确、更易于处理和操作并且更适合后续考古绘图输出的流程。
（2）基于文物3D模型的考古线图输出。文物考古绘图自动绘制。本文对考古绘图中文物的线图、轮廓图以及剖视图三个基本概念进行了详细介绍。提出了基于可视化编程软件grasshopper编写的文物考古绘图自动绘制方法，同时编写模型方向矫正模块。该套方法简化数字化考古绘图的流程，并且可应对各种类型的文物模型，能够实现任意文物考古线图的绘制。
（3）文物数字化保护系统功能模块构建。结合文物保护项目实际需要，在Visual studio中使用c#语言并且选择关系型数据库SQL Server，开发了文物数据库系统。对系统功能角色进行分析，将角色划分为游客与管理者，其中游客使用时能够对文物信息进行检索，查看文物模型，对文物信息反馈。管理者能够对文物信息增加、删除以及修改，包括文物的编号、文物的年代、文物的器型、文物的出土地和文物的详细尺寸，其中详细尺寸包括文物的口径、颈宽、腹径、底径以及高度。该系统具备了基本的功能和技术支持，并且可以满足日常文物保护项目的需求。
参考文献（略）