三維激光掃描技術在云岡石窟13窟數字化中的應用

田繼成，羅宏，吳邵明

(大同市勘察測繪院，山西大同 037000)

1 引言

云岡石窟是我國三大石窟藝術寶庫之一，全國重點文物保護單位，至今已有1500多年的歷史，2001年被列入世界文化遺產名錄。現存洞窟40多個，佛龕1200多個，石雕造像5萬多尊。在自然界不可抗力的作用下，石窟的崩塌、風化現象十分嚴重。為更好地保護這一珍貴的歷史文化遺產，云岡石窟研究院自上世紀60年代以來，應用現代科學技術對石窟實施了多種搶救和保護工程。然而，石窟的調查和測繪一直都是困擾文物工作者的難點，目前尚沒有全面系統的洞窟現狀調查和測繪報告，文物保護和修復工作面臨困難，三維激光掃描技術為解決這一難題提出新思路。本文以云岡石窟13窟數字化為例，利用三維激光掃描技術進行研究，為石窟寺的數字化提供有利參考。

2 云岡石窟13窟概況

云岡石窟13窟位于云岡窟群中區的最西端。這個洞窟屬云岡第二期工程，又名文殊菩薩洞。穹隆窟頂，主像為交腳彌勒菩薩，高 13 m，頭戴寶冠，頸部戴懸鈴項圈及瓔珞，胸佩蛇飾，雙首啣珠。右手臂肘下，一力士四臂奮力托舉，勢若拔山。該像經后代包泥彩繪，原雕僅見雙足踏蓮。東壁龕像，殿堂飛閣，流蘇帷帳，神龍躍動，盡顯漢風。南壁明窗與窟門之間屋形大龕內，七立佛造像氣韻高雅。

3 云岡石窟13窟數字化流程

3.1 云岡石窟三維數字化

云岡石窟三維數字化就是要利用各種先進的硬件技術及軟件工具，以最精細、最合理的技術手段和方法采集并記錄下石窟的真實現狀，完整保留全面、準確、細致的三維數據，進而還原出合理的、使參與者能近距離地觀察、直至互動的虛擬世界，將云岡石窟清晰的展現出來，如圖1所示。

圖1 云岡石窟數字化流程圖

3.2 外業掃描以及紋理采集

(1)三維激光掃描

外業采用不同性能的三維激光掃描儀對文物采用多角度交叉式高精度掃描，以精度為 0.3 mm的探索者三維激光掃描儀對石窟內壁部特征進行采集;中間以中等精度掃描儀進行普及掃描;石窟外圍整體立面采用Leica ScanStation C10三維激光掃描儀做大場景控制;以近距手持型掃描儀作為細部及空間不便掃描位置的數據補充，這樣可以采集文物最全面的點云數據。同時以測量專業為背景，對石窟現場做控制點布設。測量基準和點云數據的采集根據云岡石窟的特點應該滿足下列要求:

①測量基準

a.平面基準采用1980國家坐標系。

b.高程基準采用1985國家高程基準。

c.時間基準應采用公元紀年、北京時間。

②點云數據采集

a.掃描文件宜采用“日期”+“工程名”的方式命名。掃描站宜采用“順序號”+“掃描站位置”的方式命名，掃描站位置用草圖簡要描述。

b.掃描分辨率的設置視不同工程、不同精度要求而不同，應遵循表1的規定。

點云采樣等級分類 表1

c.測站間點云數據的重疊度不低于30%。

d.掃描過程中如果儀器工作出現異常，如斷電、死機等原因、或者儀器位置出現變化，重新開始掃描。

(2)影像數據采集

對原始的彩色紋理采集采用兩種方式:一種是與掃描儀同軸的高清像機采集，用于高精模型的映射;另一種則是全角度的近景拍攝，用于渲染展示模型的貼圖。在石窟內采集紋理過程中為保證色彩還原、分辨率、位置關系，采用佳能EOS 5D MarkⅢ機身+EF紅圈(24 mm～105 mm)鏡頭的套機，在特定的環境下做石窟做紋理采集。同時劃分區域，確保拍攝佛像的完整性，細致。

a.影像采集應使用滿足分辨率要求的單反相機，單張相片相幅設置到相機的最大分辨率。

b.拍攝角度:盡可能保持鏡頭正對目標面。特殊情況導致無法正面拍攝全景時，先拍攝部分全景，再逐個正對拍攝，后期再進行合成。

c.拍攝光線:應選擇光線較為柔和均勻的天氣，避免逆光拍攝。能見度過低或光線過暗時不宜拍攝。

d.相鄰照片之間應保證有不小于30%的重疊區域。

(3)去除噪點以及點云拼接

在Cyclone(Cyclone是徠卡公司開發的一款點云處理軟件，主要實現點云的處理，拼接功能)里對掃描得到的點云進行基本處理，根據點云數據采集的情況和技術設計要求，我們手動選取石窟內的特征點進行點云配準拼接，得到13窟的完整點云數據，如圖2所示。

各類項目的拼接精度 表2

圖2 拼接完成后的點云數據

3.3 高精彩色點云的制作

在PTGui軟件(PTGui可以快捷方便地制作出炫目的全景圖片，導入圖片之后配準鏡頭參數然后就可以自動的拼接和融合為全景圖像)中對將采集的多張同軸照片進行校準、拼接，形成360°全景照片。將處理完成的同軸360全景照片切成6塊與所對應站的點云數據做映射，完成高精彩色點云的數據制作。高精彩色點云點與點之間的距離為 0.3 mm，同時還具有彩色信息。為文物的存檔，修復提供了準確的三維數據，如圖3所示。

圖3 彩色點云

3.4 點云數據的降噪和抽釋

采用濾波方法對點云數據進行降噪處理去除存在脫離掃描對象的異常點、孤立點。按空間區域劃分，實現單元數據編組的邏輯關系，達到大數據全面、小數據精準的綜合目的，從而避免出現因數據大而造成的處理困難和怕數據大而造成的缺失;同時根據文物的完整性和復雜結構在Cyclone中對整個點云數據進行切塊、抽希。

根據掃描對象的特點，我們采用保持特征的抽稀，根據法向量變化和曲率識別特征區域，自適應進行抽稀，抽稀后點云在比較平坦的地方(法向量近似平行)保留較少的點，在表面曲率較大的地方保留較多的點。這樣既能有效減少數據量，有助于軟件的應用和操作，同時比較好的保證數據的完整性和輪廓，精度如表3所示。

各類項目的抽吸精度 表3

3.5 內業建模貼圖

(1)將三維點云數據轉化為三角網格模型

將經過處理的點云構網。該步驟使用的是三維逆向工程軟件Geomagic，先對點云數據進行簡單的平滑去噪再生成不規則三角網網格模型。使用軟件對生成的不規則三角網網格模型中的漏洞和重面的部分使用修復功能進行修補。

由于采用多種不同性能的三維掃描儀對佛像進行多角度交叉式掃描，佛像缺失的點云數據很少，所以生成的三角網模型漏洞很少，只需要在Geomagic里面逐個進行曲率填充單個孔，就能生成很完好的模型。最終建好的三角網格模型能很好地逼近對象表面形狀，為后期模型紋理映射做好了準備，如圖4所示。

圖4 大佛素模

(2)紋理映射

把經過前面步驟得到的三維模型，它已經具有很好的幾何準確性，但是我們為了能滿足可視化的需要，還原真實的三維景觀，就需要對三維模型添加真實的色彩，達到紋理映射的目的。

為了更好地實現佛像的紋理映射，我們在3ds Max中將模型先做優化、uvw展開和uvw貼圖處理，再將棋盤格附在模型上，根據棋盤格的拉伸情況，把模型切成比較平整的小塊，然后編輯uvw，渲染貼圖。最后在Photoshop里將多張照片對應到渲染出來的相對應的三角網中，從而實現模型的紋理映射，如圖5所示。

圖5 展uwv貼圖

3.6 開發完善三維數字平臺以及成果展示

將帶有紋理的模型導入Toplite平臺，使其能在系統中瀏覽，量測，剖圖，屬性等功能。從而實現建立石窟三維數字檔案的目的，如圖6所示。

圖6 成果展示平臺

4 結語

云岡石窟13窟的三維掃描制作過程，在總體的技術路線上很正確，制作過程中針對具體出現的問題和不合理或者繁瑣的步驟不斷進行探索嘗試，總結經驗，從而改進工作流程，提高工作效率，最終總結出石窟三維測量比較標準及合理的工藝流程。并且通過該項目的制作過程，使我院三維項目組的工作人員對于三維建模、三維貼圖等工作得到鍛煉。

在云岡石窟的數字化過程中，通過實踐發現，三維激光掃描技術作為一種先進的測量方法，在精度、速度、操作等多個方面表現了巨大的優勢，是傳統手工測繪方式不能比擬的。其中很多圖件成果，傳統測繪方法幾乎無法完成，完全能夠滿足石窟的存檔和數字化，加快了云岡石窟保護管理現代化進程，同時也為石窟調查報告的編寫創造了條件，對于文物的保護和修復具有重要意義，在文物數字化方面具有廣闊的前景。

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