3D掃描儀

· Artec Eva

挑戰：為世界上古老的猶太教堂曼圖亞約柜制作高品質(zhì)3D掃描，用于耶路撒冷的納漢意大利猶太藝術(shù)博物館訪(fǎng)客3D交互亭和虛擬網(wǎng)絡(luò )展。

解決方案：Artec Eva, Artec Studio, Autodesk Memento, Atangeo Balancer, Meshlab, Adobe Photoshop

成果：通過(guò)Artec Eva制作出一款細節豐富、效果出色的交互式3D模型，現在，無(wú)論是線(xiàn)上還是線(xiàn)下，博物館訪(fǎng)客都能近距離觀(guān)察與探索。

曼圖亞摩西五經(jīng)約柜是耶路撒冷納漢意大利猶太藝術(shù)博物館中珍貴、驚艷的展品之一。這款設計獨特的木制約柜是為了容納神圣的摩西五經(jīng)卷軸，于1543年由意大利曼圖亞優(yōu)秀的工匠制作而成，這款獨特的木質(zhì)約柜還飾有原始鍍金雕刻，是世界上古老的約柜之一。它的風(fēng)格與圣經(jīng)中耶路撒冷的圣殿風(fēng)格相呼應，據說(shuō)，該圣殿曾放置過(guò)Ark of the Covenant約柜。它的外形就像一座建筑，還有圓柱和柱頂等建筑元素。

建成至今，曼圖亞約柜經(jīng)歷了多次改造。最后一次是在二戰后，由于猶太人逐漸減少，約柜被運到耶路撒冷，并安放在目前的地點(diǎn)。之后，約柜進(jìn)行了大面積翻新、維護和修復，使其恢復了您現在所見(jiàn)到的完好狀態(tài)。

然而，對于博物館線(xiàn)下和線(xiàn)上的參觀(guān)者來(lái)說(shuō)，約柜的重要意義和特征等歷史信息幾乎未知。其大小和所處的位置不便近距離仔細研究，甚至視線(xiàn)范圍內的特征也無(wú)法品鑒。

約柜所處的曼圖亞Scola Grande猶太教堂。納漢博物館提供的20世紀初期照片。

2015年，納漢博物館發(fā)起了一個(gè)項目，旨在講述約柜在意大利猶太人生活中的故事、演變及歷史意義。Mantua in Jerusalem網(wǎng)站描繪了曼圖亞猶太社區的歷史、生活和文化，以及約柜對一代又一代人的重要影響。

正因如此，博物館決定開(kāi)始進(jìn)行一項雄心勃勃的項目– 3D掃描這個(gè)約柜，讓無(wú)論線(xiàn)上還是線(xiàn)下的參觀(guān)者都能全角度欣賞。

約柜光澤、對稱(chēng)、有規律的圖案[Moshe Caine教授供圖]

由于約柜的大小、幾何以及紋理較為復雜，所以曼托瓦約柜的掃描面臨一些挑戰：

· 約柜的位置——復雜，有不少表面，無(wú)法通過(guò)肉眼看到。此外，約柜靠近墻壁，幾乎沒(méi)有空間讓掃描設備工作，也無(wú)法將掃描儀放置在特定角度，來(lái)采集被擋住的區域。

· 紋理。約柜最早是木制的。不過(guò)現在整個(gè)表面都覆蓋了一層光滑反光的金箔，這對任何3D掃描儀而言都是很難捕獲的。掃描前涂抹消光粉末的做法，既不現實(shí)，也不允許。但即便涂了，約柜的表面效果也會(huì )大打折扣。

· 第三，約柜的位置情況復雜，圖案不斷重復，這就使多份掃描的對齊和融合變得更復雜。

· 最后，約柜尺寸（超過(guò)3米高）也加大了掃描難度。

評估其復雜性后，很明顯，要用強大的工具對約柜進(jìn)行數字化處理，于是博物館找到了Artec 3D在特拉維夫的金牌合作商Caliber Engineering and Computers Ltd。當時(shí)Caliber的負責人Zvi Grinberg立即參與了這個(gè)項目。該項目與公司平時(shí)接手的技術(shù)工程CAD項目截然不同，他意識到該項目對專(zhuān)業(yè)能力提出了挑戰，具備獨特的文化價(jià)值，他愿意免費承接這項工作。

用Artec Eva掃描儀掃描約柜[納漢博物館供圖]

仔細查看約柜后，Caliber團隊認為Artec Eva是適合該項目的掃描儀。這款結構輕巧的3D掃描儀被稱(chēng)為“手持式掃描儀中的戰斗機”，擅長(cháng)捕獲大中型物體，準確度高達0.1毫米，分辨率出色，黑色、反光表面也能勝任。此外，掃描儀質(zhì)量輕巧，處理迅速，所以，如果需要在不理想的掃描環(huán)境中捕獲各種歷史文物、雕塑和古跡，不管是晴天戶(hù)外還是昏暗的博物館中，這款設備都很給力。

掃描流程

為了從零開(kāi)始捕獲約柜，方便掃描團隊接觸約柜頂部，博物館內搭建了特殊的腳手架。Eva通常掃描中型物體，所以捕獲如此龐大的物體絕對是項挑戰。團隊三天花了15個(gè)小時(shí)完成掃描，隨后又花了幾小時(shí)對多個(gè)掃描進(jìn)行對齊、清理、融合。整個(gè)過(guò)程總包含78次單獨掃描。最終模型超過(guò)700 MB，包含超過(guò)1600萬(wàn)個(gè)多邊形。

約柜頂部掃描 [納漢博物館供圖]

“盡管約柜很大，但多虧它的紋理和幾何，我們第一次嘗試，Artec Eva就實(shí)現了良好的效果。掃描后，我們可以使用Artec Studio軟件在辦公室完成所有工作，不用返回進(jìn)行其他掃描或修復。” Caliber Engineering首席執行官Guy Engel說(shuō)道。

Artec Studio中預覽效果 [納漢博物館供圖]

初始處理后，Caliber團隊在保持原始掃描品質(zhì)的同時(shí)縮小了文件，并完善了3D模型以用于公開(kāi)展覽。這時(shí)， Caliber把文件發(fā)送給耶路撒冷哈達薩學(xué)術(shù)學(xué)院攝影傳播系的Moshe Caine副教授。 Caine教授在文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域的3D掃描和攝影測量解決方案方面擁有豐富的知識和經(jīng)驗，他修改的約柜3D模型精美絕倫。

Caine教授的數據處理流程

Caine教授的掃描處理流程如下：

使用Autodesk（測試版）Memento軟件微調和清理網(wǎng)格的細小缺陷。

添加后墻和地板。由于約柜安裝在博物館墻上，因此無(wú)法掃描約柜的背面和底面。與其進(jìn)行錯誤的渲染，不如通過(guò)計算機生成簡(jiǎn)單的墻面和地板，再添加至模型。

紋理貼圖的圖像處理。盡管掃描階段做了細致的工作，但仍然存在一些小缺陷，約柜顏色的重建也不夠準確。隨后用DSLR尼康相機再次拍攝，并將校正后的表面融合到原始UV貼圖中。為此還測試了多種方法，包括：

· 在Meshlab中對柵格進(jìn)行參數和紋理處理。

· 將貼圖導出為PSD（Photoshop）文件，在Photoshop中修正，然后重新導入并導出校正后的模型。

· 在Photoshop中打開(kāi)OBJ文件并直接在紋理層上操作。結合上述技術(shù)，反復處理直到獲得滿(mǎn)意效果。

· 將真實(shí)約柜作為參照，使用Photoshop軟件在最終的紋理貼圖上進(jìn)行顏色修正。

在掃描了幾十件歷史文物后，Caine教授詳細解釋了他在3D掃描和處理工作流程中所采用的方法：

“主要的一條建議（適用于3D掃描文化遺產(chǎn)）就是：小心謹慎，不要著(zhù)急。盡可能接近掃描對象。使用大量柔和光線(xiàn)。記住這句話(huà)：“輸入錯誤數據，輸出錯誤數據。”要想最終效果好，前期的質(zhì)量以及耐心也很重要。

Sketchfab上Caliber & Moshe Caine制作的曼圖亞約柜

Caine教授認真完成掃描處理后，最終模型被上傳到納漢博物館網(wǎng)站Mantua in Jerusalem，以供欣賞，這家博物館專(zhuān)門(mén)用于展覽曼圖亞猶太人的藝術(shù)。此外，約柜邊安裝了帶觸摸屏的信息亭，博物館參觀(guān)者可以從各個(gè)角度查看宏偉的歷史展品，放大縮小以檢查每個(gè)細節，最重要的是，可以通過(guò)熱點(diǎn)立即查詢(xún)到歷史文物各個(gè)方面的相關(guān)信息。

大家對該模型的總體反饋還是相當積極和熱情的。根據博物館的工作人員和Caine教授的說(shuō)法，能夠近距離、全方位地探索約柜，大家都很高興。這是3D模型的魔力，2D圖像甚至是像曼圖亞約柜一樣的龐大對象通常無(wú)法與之相提并論。該項目形象生動(dòng)地解釋了3D掃描技術(shù)如何改變我們的感知方式，以及如何保護文化遺產(chǎn)。

16世紀，曼圖亞猶太社區的公民和成員甚至都無(wú)法想象，他們的后代有一天可以看到猶太文化的標志性文物，哪怕已經(jīng)過(guò)了500年，他們還能足不出戶(hù)，360度近距離探索這件文物。