石質(zhì)文物三維信息留存與應(yīng)用

李樹坤，侯妙樂，吳育華，胡云崗，張玉敏

(1.北京建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.中國文化遺產(chǎn)研究院，北京 100029；3.北京帝測(cè)科技發(fā)展有限公司，北京 100028)

石質(zhì)文物三維信息留存與應(yīng)用

李樹坤1?，侯妙樂1，吳育華2，胡云崗1，張玉敏3

(1.北京建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.中國文化遺產(chǎn)研究院，北京 100029；3.北京帝測(cè)科技發(fā)展有限公司，北京 100028)

對(duì)石質(zhì)文物三維信息留存的幾種主要方法：基于傳統(tǒng)測(cè)量方式，基于近景攝影測(cè)量方式，基于三維激光掃描方式進(jìn)行了系統(tǒng)論述，并對(duì)其原理、處理流程、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例給出石質(zhì)文物三維信息留存的主要應(yīng)用，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

石質(zhì)文物；三維信息留存；近景攝影測(cè)量；三維激光掃描

1 前 言

我國石質(zhì)文物眾多，據(jù)第三次全國文物普查顯示，我國擁有石窟寺及石刻共24 422處[1]，其中不乏像敦煌石刻、云岡石窟、大足石刻等藝術(shù)精品。一些露天存在的石質(zhì)文物，經(jīng)過幾百年甚至上千年的風(fēng)雨侵蝕，已經(jīng)變得模糊不清，辨不清它的本來面目；一些文物或者是遭受了突然地自然災(zāi)害的破壞，損壞嚴(yán)重；人為破壞也是造成文物損壞的一個(gè)重要原因。為了能使這些珍貴的文化遺產(chǎn)永續(xù)傳承下去，在保護(hù)性修復(fù)之前需要對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行三維信息留存[2]，因此，對(duì)石質(zhì)文物進(jìn)行三維信息的留存具有重大意義:

(1)實(shí)現(xiàn)石質(zhì)文物現(xiàn)狀的真實(shí)、完整記錄。按照國際推行做法，對(duì)任何文化遺產(chǎn)實(shí)施保護(hù)前，首先必須對(duì)文化遺產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行真實(shí)、完整、全面的記錄與存檔，一則留存豐富真實(shí)的原始資料，二則當(dāng)該文化遺產(chǎn)遭受不可逆性破壞時(shí)，為實(shí)施重建復(fù)原提供可靠依據(jù)。

(2)輔助進(jìn)行石質(zhì)文物保存狀況的全面調(diào)查與評(píng)估。通過獲取的三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行病害調(diào)查、數(shù)據(jù)分析等定量調(diào)查與全面評(píng)估。

(3)為將來可能進(jìn)行的修復(fù)提供依據(jù)。獲取的三維數(shù)據(jù)可以利用三維軟件進(jìn)行相應(yīng)后處理工作，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際內(nèi)容制作相應(yīng)的立面圖、剖面圖及其他相關(guān)圖件，為文物修復(fù)提供可靠的數(shù)據(jù)。

2 三維信息留存

我國石質(zhì)文物保護(hù)工作開展較晚，在20世紀(jì)60年代初才投入較大的力量[2]。對(duì)于石質(zhì)文物三維信息的留存工作也由此得到逐步重視。由于石質(zhì)文物本身具有的特點(diǎn):體量一般較大，多處于深山、崖壁等環(huán)境比較惡劣的環(huán)境，形態(tài)多樣，形狀不規(guī)則等，使得石質(zhì)文物的三維信息留存工作面臨很多困難。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的測(cè)量手段、測(cè)量儀器的不斷涌現(xiàn)，使得石質(zhì)文物的三維信息留存工作出現(xiàn)了翻天覆地的變化。三維信息的獲取經(jīng)歷了人工丈量結(jié)合傳統(tǒng)測(cè)量儀器的測(cè)量方法，近景攝影測(cè)量方法以及近幾年出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，使得石質(zhì)文物三維信息的留存工作方式越來越簡單，精度越來越高，留存的信息越來越豐富、詳細(xì)，并且由此使得基于三維信息的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊。

2.1 傳統(tǒng)測(cè)量方式

傳統(tǒng)的測(cè)量方式包括人工丈量，利用傳統(tǒng)的測(cè)量儀器，如水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀等儀器進(jìn)行的三維數(shù)據(jù)的留存。在很長一段時(shí)間內(nèi)，該方法是石質(zhì)文物三維信息留存的主要方法。該方法原理較為簡單，一般的文物保護(hù)工作者都可以掌握，但該方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的，如工作量大，測(cè)量工作往往要到實(shí)地進(jìn)行測(cè)量，具有一定的危險(xiǎn)性，測(cè)量的結(jié)果只能得到一些特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)，信息量較為有限，測(cè)量的結(jié)果精度也不是很高。

2.2 近景攝影測(cè)量方法

近景攝影測(cè)量方法借助人眼的雙眼視差，通過拍攝不同位置的物體照片，利用后方交會(huì)-前方交會(huì)的方法求取內(nèi)外方位元素，并解析計(jì)算出像點(diǎn)在實(shí)際位置的地面坐標(biāo)[4]。

近景攝影測(cè)量的特點(diǎn)概括起來主要有[3]:不接觸被測(cè)量的物體，有利于保護(hù)珍貴的文物；可攝得物體的瞬間信息；影像信息豐富逼真；資料便于長期保存；產(chǎn)品多樣，效率高，與傳統(tǒng)手工測(cè)量方法相比，提高工效5倍以上。

近景攝影測(cè)量方法在石質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在諸如莫高窟[4]、三峽庫區(qū)古文物存檔[5]、重慶大足千手觀音等項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。借助數(shù)字近景攝影測(cè)量方法可以生成石質(zhì)文物的數(shù)字正攝影像圖、線劃圖和平立剖圖等基本現(xiàn)狀調(diào)查圖件[6]，對(duì)于具有規(guī)則紋理的物體，該方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，且外業(yè)成本低較低。在重慶大足千手觀音搶救性保護(hù)修復(fù)工程中，正是借助于近景攝影技術(shù)獲得了千手觀音首張數(shù)字正攝影像圖。基于近景攝影測(cè)量的石質(zhì)文物三維信息留存滿足文物保護(hù)基本信息留存的要求，但是存在著解析過程復(fù)雜，解析誤差大等缺點(diǎn)。

圖1 基于近景攝影技術(shù)的數(shù)字正攝影像圖

2.3 三維激光掃描方法

三維激光掃描技術(shù)起源于激光測(cè)距技術(shù)，在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)了第一臺(tái)三維激光掃描儀。三維激光掃描儀的主要組成部分為激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡。控制電路、微電腦、CCD相機(jī)以及軟件等組成。根據(jù)測(cè)距原理的不同三維激光掃描儀可以分為脈沖式三維激光掃描儀和相位式三維激光掃描儀。通過得到的距離S，橫向掃描角度α和縱向角度θ，則被測(cè)的空間三維坐標(biāo)可由空間三維幾何關(guān)系通過一個(gè)線元素和兩個(gè)角元素計(jì)算空間點(diǎn)位X、Y、Z坐標(biāo)，空間點(diǎn)位的計(jì)算模型如下:

三維激光掃描測(cè)量的作業(yè)方式一般要通過多站的掃描才能獲得整個(gè)被掃描物體的完整數(shù)據(jù)，因此一般要經(jīng)過多站數(shù)據(jù)的拼合。數(shù)據(jù)采集的一般流程為[12]:現(xiàn)場探勘，選擇合適的設(shè)站點(diǎn)；標(biāo)靶點(diǎn)的布設(shè)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；紋理數(shù)據(jù)的采集等。

該方法通過直接獲取物體表面海量點(diǎn)位的三維坐標(biāo)來記錄物體的三維形態(tài)，相比其他方法有諸多優(yōu)勢(shì)[10，11]。

(1)精度高

三維激光掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)單點(diǎn)精度一般能夠達(dá)到毫米級(jí)，有的甚至可以達(dá)到亞毫米級(jí)。

(2)自動(dòng)化程度高

三維激光掃描儀可以連續(xù)的對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)掃描，期間不需要人為干預(yù)。

(3)非接觸

三維激光掃描不與被測(cè)物體接觸，這樣就最大限度的減少了對(duì)文物的破壞，保證文物安全。

(4)直觀性及現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)

三維激光掃描直接得到被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)并且可以實(shí)時(shí)在電腦中進(jìn)行顯示，有利于保證掃描數(shù)據(jù)的全面無遺漏。

(5)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

由于采用激光作為光源且激光的抗干擾能力強(qiáng)，使其可以適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境且可以晝夜作業(yè)。

三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)之后在石質(zhì)文物三維信息留存領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，與其他方法相比留存信息更加豐富，視覺效果更加逼真，對(duì)于形狀復(fù)雜、外形不規(guī)則物體三維信息的留存具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[16]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了諸多應(yīng)用，如斯坦福大學(xué)研究小組進(jìn)行的“數(shù)字化米開朗基羅”項(xiàng)目，約旦沙漠宮殿三維信息留存項(xiàng)目[17]。我國利用該技術(shù)先后開展了多項(xiàng)具有影響的石質(zhì)文物三維信息留存工程，如云岡石窟第一窟三維信息留存[10]、安岳圓覺洞10號(hào)龕數(shù)據(jù)采集[13]重慶大足千手觀音三維信息留存、潼南大佛三維信息留存等。三維激光掃描法原理簡潔，數(shù)據(jù)采集簡單，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高、密度大、物體形狀清晰直觀。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以建立真三維模型、制作線畫圖、進(jìn)行三維量算、虛擬修復(fù)和變化檢測(cè)等，如圖2為三維激光掃描法獲取的重慶大足千手觀音整龕造像三維模型。但是該方法存在儀器設(shè)備昂貴，幾何數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)采集相分離等缺點(diǎn)。

圖2 千手觀音整龕造像三維模型圖

3 主要應(yīng)用

除了根據(jù)所獲取的三維信息可以制作石質(zhì)文物的數(shù)字正攝影像圖、線畫圖、等值線圖和剖面圖等圖件外，還有以下主要應(yīng)用。

3.1 精確三維量算

在石質(zhì)文物的修復(fù)工作中，往往需要對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行精確的三維量算[7]。因此，在三維建模成果的基礎(chǔ)上，需通過精確量算及數(shù)據(jù)分析來獲得石質(zhì)文物特征的重要信息。以石質(zhì)文物潼南大佛為例，在實(shí)際修復(fù)中就需要獲取了發(fā)髻分布規(guī)律、頭頂發(fā)髻中心位置、破損發(fā)髻面積及基本尺寸數(shù)據(jù)、真實(shí)修復(fù)發(fā)髻的體積、眉心與發(fā)髻中心對(duì)比數(shù)據(jù)、佛像頭部面積、潼南大佛頭部部分尺寸、手臂長度等，而這些數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)的二維量算是無法獲取的，如下圖3所示。

圖3 佛像頭部部分尺寸圖

3.2 虛擬修復(fù)

虛擬現(xiàn)實(shí)及相關(guān)信息技術(shù)為石質(zhì)文物的修復(fù)提供了有效的輔助手段[12，15]。通過三維激光掃描獲取的數(shù)據(jù)，可建立更逼真的三維數(shù)字模型，在文物保護(hù)修復(fù)師的指導(dǎo)下，利用相關(guān)軟件進(jìn)行虛擬修復(fù)，提供若干修復(fù)效果，供專家比選，完善真實(shí)修復(fù)方案。如下圖4所示的為根據(jù)歷史資料進(jìn)行的潼南大佛頭部發(fā)髻左立面和右立面虛擬修復(fù)效果圖，此效果圖為現(xiàn)場實(shí)際修復(fù)提供了有效保障。

圖4 潼南大佛頭部發(fā)髻虛擬修復(fù)效果圖

3.3 變化檢測(cè)

對(duì)于監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)采集，利用獲得的多時(shí)相的點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比以發(fā)現(xiàn)石質(zhì)文物發(fā)生的病害，對(duì)于文物的有效保護(hù)具有重要意義[14]。及時(shí)發(fā)現(xiàn)石質(zhì)文物的變化，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在病害和修復(fù)，必將極大減輕病害對(duì)文物的破壞，既能有效對(duì)文物進(jìn)行保護(hù)，又能減少修復(fù)的工程量，節(jié)約維修經(jīng)費(fèi)。

隨著三維激光掃描精度不斷提高，點(diǎn)云處理方法的不斷優(yōu)化，對(duì)于病害檢測(cè)能力也會(huì)不斷提高。通過所獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行石質(zhì)文物病害檢測(cè)不但可以對(duì)明顯的病害結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記展示和量算，可以為后續(xù)的病害統(tǒng)計(jì)和修復(fù)工作提供依據(jù)，如下圖5所示。

圖5 觀音手的變化檢測(cè)

3.4 其他

除了上述三個(gè)主要應(yīng)用外，利用所獲取的三維信息還可以進(jìn)行石質(zhì)文物的真三維展示、三維打印、文物重生和虛擬交互等。

4 展 望

目前，石質(zhì)文物的保護(hù)工作正在蓬勃的開展，作為石質(zhì)文物保護(hù)的基礎(chǔ)性工作，三維信息留存工作也必將得到越來越多從業(yè)人員的重視。可以預(yù)見未來幾年，石質(zhì)文物的三維信息留存工作將蓬勃開展。雖然三維激光掃描測(cè)量技術(shù)從出現(xiàn)至今不過短短十幾年的時(shí)間，但其以巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)迅速的稱為石質(zhì)文物三維信息留存的主流方法。但是三維激光掃描設(shè)備價(jià)格較高，原理較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理周期較長，需要專業(yè)的人員進(jìn)行處理等等，這些都是制約三維激光掃描測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的因素。因此，降低設(shè)備的成本、開發(fā)更加高效、更優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理方法，縮短數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性與周期長度，這些勢(shì)必成為未來的一個(gè)重要趨勢(shì)。

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3D Recording＆Documentation and App lication of Rock Relics

Li Shukun1，Hou Miaole1，Wu Yuhua2，Hu Yungang1，Zhang Yumin3
(1.School of Geomatics and Urban Information，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；2.Historic Cultural Research Institute，Beijing 100029，China；3.Beijing Digsur Science and Technology development Co.，Ltd.Beijing 100028，China)

Themain methods of 3D recording＆documentation of rock relics:traditionalmeasurementmethod，closerange photogrammetrymethod and 3d laser scanningmethod are systematically discussed and contrasted in their principles，processing flows，advantages and disadvantages in this paper.Based on actual project，we enumerate a few applicationswith the 3D information of rock relics and forecast the trend of development.

rock relics；3D recording＆documentation；close-range photogrammetry；3D laser scanning

1672-8262(2013)02-85-04

P234.4

A

2013—01—16

李樹坤(1986—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)?激光雷達(dá)技術(shù)及大型工程和復(fù)雜建筑精密測(cè)量。

973項(xiàng)目(2012cb725301)；國家自然科學(xué)基金(41171304)；北京市自然科學(xué)基金(8111003)