CT技术在文物数字化保护研究中的应用

国际金属加工网 2020年03月04日

1. 绪言

近年来,飞速发展的数字化技术已经在考古研究工作、文化遗产保护以及博物馆数字化展示中得到广泛应用。三维扫描建模和X光透射成像就是文物研究及保护领域常用的两种数字化技术。三维扫描建模[1,2]利用激光、光栅等对文物表面进行扫描,可以获得文物表面的三维数字化模型,从而建立虚拟文物模型或数字博物馆,为文物的长期保护、修复及复制等提供数据,但这种方法只能获得文物的表面结构形状,无法获取其内部信息;X光透射成像[3]则可以通过X射线透射衰减原理获取文物的内部结构或病变状况,为文物考古科学研究、文物病变诊断及保护修复等提供了基础数据,但该技术获得的结构重叠影像是二维信息,对于一些结构细节的空间解析无法提供更充分有效的数据信息。

CT技术,即计算机层析成像技术,是一种先进的射线无损检测技术,它能在对被检物体无损伤条下以二维或三维数字化图像的形式清晰、准确、直观地展示被检物体内部的结构、组成、材料及缺损状况,该技术已经广泛应用于医学航天、航空、兵器、石油铁路、电力等众多领域[4]。采取CT技术可以获取可移动古代文物的三维空间结构,扫描获得的图像数据中包含了文物中丰富的结构、材质、病变等细节信息。科学家采用CT技术对3000年前的图坦卡蒙法老木乃伊进行了虚拟解剖,首次绘制出了这位神秘法老的全身数字化图像,并揭开了法老的死亡之谜[5];2015年初有报道称,佛教专家Erik Bruijn对荷兰鹿特丹世界博物馆的一尊千年木乃伊佛像进行了CT扫描,发现该佛像内部包裹着一具完整和尚的遗体,属于极为罕见的肉身菩萨像[6]。由于CT技术在解析文物内部信息方面所具有的独特优势,诸如此类的研究正不断引起重视。鉴于此,重庆市文化遗产研究院与重庆大学ICT研究中心等单位联合对一些可移动古代文物进行CT扫描,并通过挖掘CT图像中的数字化信息,开展相应的文物考古科学研究与保护修复等工作。

图1 坦卡门法老木乃伊CT扫描图

图2 千年肉身佛的CT扫描对比图

2. CT技术对几件馆藏金属文物数字化保护研究中的应用

对于常规文物数字化而言,除了常规的影像记录之外,至多采用三维扫描构建外观全貌,以及X光透射技术进行内部破损及结构初探,但仍未能了解其全貌特征。通过CT扫描,不但能获得断层图像,还可以进一步连续扫描获得三维结构图像。

2.1汉代铁刀铜摽的数字化研究

图4所示是绵阳博物馆交付重庆市文化遗产研究院开展保护修复的一件待修复保护铁质文物汉代铁刀的局部——铜摽。对于常规文物数字化而言,常规的影像记录,以及三维扫描甚至X光透射技术进都未能充分解构其内部关系。此次,我们利用CT技术,采用CD-300BX型考古CT检测仪(如图3所示)对铁刀铜摽的层级关系情况进行了数字化解析,获得如图5的CT断层图像,从而完善了相应文物内部结构的数字化。

图3 检测时使用的CD-300BX型考古CT检测仪

图4 汉代铁刀铜摽照片

图5 汉代铁刀铜摽的CT断层扫描图像

从图4和图5可以看出:图像中间三角部分为铁刀刀身形制:单面开锋,刀背厚实,利于劈砍。颜色黑亮的铁芯仍在,但颜色灰暗的锈蚀也已经存在。一圈木质刀鞘结构紧贴刀身,且越靠近刀身色彩越淡越疏松,越靠近外部色彩越深越坚固。而最外围则是一圈铜箍,紧紧将铜摽紧固在刀鞘之上,与刀鞘的宽度取齐。

通过CT技术,克服了传统X光透射的图像叠加和透射角度有限所带来的局限,将刀鞘尾端的铜摽组配关系展现无余。

2.2汉代薰炉的数字化研究

图6所示是绵阳博物馆交付重庆市文化遗产研究院开展保护修复的一件待修复保护铁质文物——汉代熏炉。对于常规文物数字化而言,除了常规的影像记录,即便采用三维扫描构建外观全貌,但其组建组配关系并不能完全依靠X光透射技术完成展示。而我们采用CD-300BX型考古CT检测仪对铁锁的内部情况进行了数字化解析,获得如图7的CT断层图像,从而完善了相应数字化解构。

图6 汉代熏炉照片

图7 汉代熏炉的CT断层扫描图像

从图6和图7可以看出:黑色显示熏炉芯体材质较好,灰色显示为锈蚀严重。断层角度避开了炉体镂孔部位,故而显得整个炉体大体完整。同时,断层面贯穿了系部、炉身、连接柱、托盘以及底足,充分展示出之间的组配关联关系:即整个熏炉主体由下自上分别由足、托盘、连接柱、炉腔铆接组合而成,口沿铆接系环与铰链相串联,并且处于使用要求和受力情况考虑配置了不同规格形式的垫圈,以分散墩头对被连芯材的压力。

通过CT技术,不但克服了传统X光透射的图像叠加和透射角度有限所带来的局限,而且以最大限度将熏炉整体与局部的组配关系从头到脚一并展现出来。

2.3汉代铁锁的数字化研究

图8所示是绵阳博物馆交付重庆市文化遗产研究院开展保护修复的一件待修复保护汉代文物——铁锁。由于铁锁锈死,对于常规文物数字化而言,仅能依靠影像手段和三维扫描做到外观记录,即便采用X光透射技术却会造成影像叠加,难以分辨。因此,我们采用CD-300BX型考古CT检测仪对铁锁的内部情况进行了数字化解析,获得如图9所示的断层图像,并进一步连续扫描获得如图10所示的三维图像。

图8 汉代铁锁的照片

图9 汉代铁锁CT断层扫描图像

从图9可以看出:黑色显示材质保持较好,灰色显示为已有锈蚀,而轮廓隐约的则是表明该结构未处在同一平面,CT扫描未能显示出来。

而通过图10可以看出:整个锁体属于横开锁,锁身中部略窄,两端部略宽,靠近锁孔端面与直闩相连,整体呈亚腰型,材质较好,近直闩部位有些锈蚀孔洞状断痕。锁腔内有明显两个长条状簧片延伸至锁腔外,与拉栓相连。弹簧片为薄片长方体,因锁体变形已有明显的弯曲,但也不排除此种弯曲属于簧片自锁方式。且两片锁簧片明显有长短区分,有可能为原本设计模样,也不排除内部损坏断裂所致。

通过CT技术,不但避免了传统X光透射的图像叠加所带来的影像混淆,通过多层扫描形成三维影像直观反映结构数字化,而且直接可用于逆向工程的研究。

图10 汉代铁锁CT断层扫描内部结构三维复原图

3. 小结与展望

由上可知,在文物考古和保护行业中,无论是文物局部、文物整体还是封锁结构,都可以利用CT技术完成数字化研究。不但能满足常规X光透射检测的要求,还能避免非平面立体文物的三维空间信息在二维平面的垂直叠加造成解读困难,并以图像的形式清晰、准确、直观地展现被检物体内部的结构特征、装配情况、材料密度、有无缺损、缺损性质与位置及大小,极大补充了文物数字化的内部细节信息。

CT技术十分适合对文物中难以直接识别结构关系进行深入解析,不但能够准确的揭示出文物部件结构的内在联系,为古代历史和科技研究提供一种重要方法,更为开展相应的文物信息展现提供更为详实的结构性可视化直观资料。CT技术的利用,对于开展文物的考古科学研究、文物病变诊断及指导保护和修复等均具有十分重要的价值。

甚至,可以通过CT扫描获得文物内外结构的三维数字化模型,以此建立文物的可交互三维虚拟展览模型,或指导文物进一步病变后的修复工作,或通过3D打印完成文物的快速成型。

综上所述,工业CT技术在文博领域可以发挥如下作用:

1)可用于青铜器、陶瓷器、铁器、木器等可移动文物病变(如破损、锈蚀、孔洞、裂缝/痕等)的无损检测和评价,作为文物修复和保护的依据;

2)可用于可移动文物内部结构及材质的检测分析,作为文物科学考古的依据;

3)可对可移动文物进行三维CT扫描成像获得其三维结构数据,建立文物的三维数字化档案。

参考文献:

[1] 杜侃,馆藏文物保护中数字建模技术应用研究[J]. 文物保护与考古科学,2011,23(1):62-67.

[2]吴玉涵,周明全. 三维扫描技术在文物保护中的应用. 计算机技术与发展[J],2009,19(9):173-176.

[3]杨军昌,韩汝玢. X光照相技术在文物及考古学研究中的应用[J]. 文物保护与考古科学,2001,13(1):55-60.

[4] 卢艳平,王珏,喻洪麟. 工业CT三维图像处理与分析系统[J]. 仪器仪表学报,2009,30(2):444-448.

[5] 埃及图坦卡蒙法老死因揭开尸体在棺木中自燃,[2013-11-06],科技,http://news.youth.cn/kj/201311/t20131106_4158930.htm

[6]1000-YEAR-OLD CHINESE MUMMY GETS CT SCAN IN AMERSFOORT, [2014-12-09], NLTIMS.NL .ART NETHERLANDS, http://www.nltimes.nl/2014/12/09/1000-year-old-chinese-mummy-gets-ct-scan-amersfoort

(作者:叶琳 杨小刚 卢艳平 谢先文 都云坤)

社科院考古所中国考古网

(叶琳 杨小刚等 | 来源:社科院考古所中国考古网)

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