利用三維激光掃描測量數據與電腦繪圖軟件繪制敦煌彩塑

呂文旭 段奇三

內容摘要：作為文物的敦煌彩塑需要重點保護，不能隨意觸碰與移動，但其本身結構復雜，具有不規則性，且所處空間狹小，測繪難度較大。數字化是文物保護工作的重要內容與手段，如何利用數字化手段和成果精確繪制各種考古測繪圖需要在實踐中逐步探索。本文以莫高窟第275窟主尊（交腳菩薩）為例闡述了利用三維激光掃描測量手段，非接觸式測量與三維復制敦煌彩塑，并利用三維點云數據精確繪制彩塑的圖紙。

關鍵詞：三維激光掃描；敦煌彩塑；數字化考古

中圖分類號：K879.3；K854 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2016）02-0055-05

Abstract： As cultural relics， the painted statues of Dunhuang should be regarded as a focus of cultural conservation efforts and should not be carelessly touched and moved. However， the complex structure and irregular shape of the statues make it hard to draw pictures in the narrow spaces in which they are confined. Digitization is an important method and aspect of cultural relic conservation， for which reason practical exploration of techniques for drawing accurate archaeological mappings by using digital technology and data is very important. Taking the central statue in Mogao Cave 275 as an example， this paper demonstrates how to measure and duplicate the painted statues of Dunhuang using 3D laser scanning data to accurately draw pictures of the statues in combination with 3D point cloud data， all without making physical contact with the relics.

Keywords： 3D laser scanning drawing； Dunhuang painted statues； digital archaeology

考古繪圖是在考古發掘人類及自然歷史文化遺跡所存留的專業考古發掘現場以線的形式繪制地形圖、地理位置圖、遺址規劃及地層堆積和遺跡現象的測繪。考古測量是將測量學應用于考古學研究當中，使用測量學的方法和技術記錄、說明考古學資料，并直接服務于考古學研究，它所采用的技術也是在田野考古測繪的基礎上發展而來的[1]。

《敦煌石窟全集·第一卷·莫高窟第266—275窟考古報告》）（以下簡稱為《第一卷·考古報告》從項目啟動到出版發行，歷時數年，以文字、測繪圖、攝影圖片等形式，詳細記錄和描繪了敦煌莫高窟早期11個洞窟。本次測繪采用了先進的三維激光掃描測量技術和計算機軟件繪圖的方法，打破了傳統的純手工測繪制圖，避免了接觸式測量對洞窟文物的損壞，同時提高了繪圖的精度，又將洞窟所在的位置融入了大地坐標系中。在此考古報告中除了建筑、壁畫、洞窟形制，涉及的彩塑有16尊。按照考古報告的測繪要求，對塑像做了正立面圖、側視圖及剖視圖，這些都是塑像正射投影圖。由于掃描儀所采集到的點云數量有限，加上三維激光掃描的盲區和彩塑的立體特性，繪制精確的線圖單靠掃描的點云數據是不行的，還得利用相機拍攝照片。普通相機拍攝的照片都會有透視。相對于立體的塑像來說，繪圖過程中照片也就只能作為參考。敦煌莫高窟彩塑除了它的形體結構，還有附著在塑像上的衣紋、裝飾和繪畫。相對壁畫立面圖而言，繪制塑像圖難度較大一些。為此，我們把繪制這些圖的做法進行簡單介紹。

一 數據采集

三維激光掃描技術是20世紀90年代中期開始出現的一項高新技術，是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術的新突破。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，可以快速、大量地采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。其具有快速性、不接觸性、實時、動態、主動性、高密度、高精度、數字化、自動化等特性[2]。

三維激光掃描在被測物體上進行等間距數據采集，每個點含有坐標X、Y、Z值及物體反射強度I，紋理信息R、G、B值。這些由三維激光掃描得到的眾多的點組成被測物體的三維模型。大量的懸浮在空中沒有屬性的點陣數據，形象地被稱為“點云”。

因為三維激光掃描不可穿透被測物體，所以雕塑數據采集需要從多角度進行。一尊塑像需要從多測站掃描數據，以“可見即可得”的原則進行數據采集。同時三維激光掃描測距具有最小測程，在進行數據采集時，儀器到塑像應該保持最小不小于0.6米的距離。

二 點云數據拼接及去噪

在外業多角度將雕塑的表面數據采集完整之后，需要針對這些不同測站數據進行點云數據拼接，以形成一個完整的雕塑的三維點云數據[3]。

三維激光掃描系統獲取的數據量非常大，需要特殊的專業軟件對這些數據進行點云數據拼接，以形成一個完整的塑像的三維點云數據。在《第一卷·考古報告》測量過程中所用的三維激光掃描儀與點云處理軟件Leica Cyclone結合使用，在當時該軟件是三維激光掃描領域內的主流軟件系統，它也是HDS掃描儀的配套軟件。

利用標靶特征點進行數據拼接，原理依據為：兩個不同的三維空間坐標系統的疊合，需要將空間的X、Y、Z軸進行一一疊合，其充要條件是需要拼接的每兩站數據至少要三個空間坐標點進行疊合。故在需要拼接的點云數據中尋求同名點，此時可以利用標靶、空間特征點等進行拼接。

在外業數據采集時往往存在人、物在掃描儀前經過的現象，以及物體反射面較為光滑，激光入射角較小的情況，這些因素均會帶來對三維塑像有影響的噪音數據。所以在拼接完成之后，需要針對整個塑像周邊的數據進行去噪，將干擾數據去掉，形成一個干凈的無噪音的塑像數據，方能方便后期處理及保障精度。

三 地方坐標系統糾正

由于三維激光掃描采用極坐標系統進行數據采集。其原理為儀器內置零點位置，利用激光測距進行解算坐標。實質為極坐標系統（polar coordinates）。極坐標系統是指在平面內由極點、極軸和極徑組成的坐標系。在平面上取定一點O，稱為極點。從O出發引一條射線Ox，稱為極軸。再取定一個長度單位，通常規定角度取逆時針方向為正。這樣，平面上任一點P的位置就可以用線段OP的長度ρ以及從Ox到OP的角度θ來確定，有序數對（ρ，θ）就稱為P點的極坐標，記為P（ρ，θ）；ρ稱為P點的極徑，θ稱為P點的極角。

掃描儀在極坐標系統中測量數據，將平面極坐標系統P1（ρ1，θ1）和鉛垂面上的極坐標系統P2（ρ2，θ2）集合，再轉換為空間直角坐標系統（X，Y，Z）。此坐標系統為獨立的坐標系統，即以儀器中心為原點的空間直角坐標系統。

在敦煌數字化考古工作中需要將洞窟的點云數據轉換為敦煌地方坐標系統，故采用地方已知控制點進行聯測。地方已知控制點包括平面坐標系統信息及高程系統信息。首先對此控制點進行復核工作，測定夾角、邊長及水準閉合。在復核無誤的情況下，在洞窟建立二級導線控制點，利用全站儀和水準儀分別進行導線測量及水準測量，解算控制點坐標。將此坐標與掃描儀的數據進行同名點配準，此時就將洞窟的點云數據轉換為地方坐標系統。

四 塑像正立面圖繪制

（1）坐標系統的建立

按考古繪圖的實踐與研究后最初決定，洞窟點云數據坐標系的建立，是以一個洞窟的縱中軸線為準的。一個洞窟主尊的鼻尖的中心到門兩側墻角的連線中點的連線為縱中軸線；沒有塑像的洞窟以后面兩墻角的中點到門兩側墻角的中點連線為縱中軸線。利用縱中軸線與自然鉛垂方向，建立一個洞窟的獨立坐標系（以莫高窟第275窟為例）。由于洞窟的不規則性，洞窟的每壁、每披及每身塑像在制圖的過程中為了達到考古報告要求的正射影像圖，都要給它們做出一個獨立坐標系來。

步驟如下：縱中軸線的建立，確定為X（或者Y軸），與其在水平面成90°方向定為Y軸（或者X軸），兩條軸確定了平面坐標系，然后以自然鉛垂方向作為空間Z軸（圖1）。

此時主尊的正立面就跟洞窟的主坐標系形成了統一的坐標。該項工作是整個塑像考古圖繪制的重心工作，其目的在于繪圖工作中雕塑的正立面與計算機屏幕坐標的疊合，避免投影面與計算機屏幕坐標系統的錯誤出現，保證了雕塑能夠直面內業數據處理工作者的視野。

（2）正立面圖繪制

前面說到《第一卷·考古報告》測量所用的三維激光掃描儀與點云處理軟件Leica Cyclone相結合，Cyclone軟件的功能為：點云數據獲取、點云拼接、數據分析和數據輸出。后期操作具體的方法是將處理后的點云數據在Cyclone里打開，用選擇工具根據制圖需求選取所需要部分的點云數據，右鍵點擊鼠標拷貝到新建立的模型里，一般新拷貝的模型數據都會保存在該文件的最后，新拷貝的模型數據顯示在當前。Cyclone軟件打開點云數據的默認值為10萬個點，為了達到更清晰的目的，要在參數選擇里更改點云的參數值和顏色（圖2）。

為了后期工作的順利和精確，可以給要處理的塑像點云建立一個獨立的坐標系，并且保存和命名新建立的坐標系，以便在制圖中精準應用。但像莫高窟第275窟主尊這樣的塑像，因為它和洞窟的主坐標系是一致的，就沒必要重新建獨立坐標系了，其南北壁上的塑像運用該壁面的坐標系就可以了。

在Cyclone軟件里處理好了點云參數后，利用配合點云數據的繪圖軟件MicroStation進行繪制線圖。《第一卷·考古報告》用的是Micro StationV8，其操作步驟是：打開軟件，新建文件名（例：第275窟主尊塑像正立面圖），選擇項中種子選擇“3D”，選擇存儲路徑后點擊確定，這樣就先建立起立面圖的一個三維.dgn文件。在文件菜單欄的“實用工具”下點擊“MDL工作程序”，就會出現一個裝載應用程序欄，在可用的程序欄中點擊MicroStation和Cyclone之間連接的一個插件CloudWorx，然后裝載點云數據。裝載點云的過程中一定要選對裝載對象的坐標系。

在一套點云數據中，軟件可以保存多個坐標系統，并可以直接進行坐標系統的切換。

在MicroStation V8中載入交腳菩薩的三維點云數據之后，首先需要將之前建立的坐標系統進行與計算機屏幕坐標系統的疊和工作。MicroStation V8中載入三維種子工具，此時軟件成為三維制圖模式，可以編輯視圖有頂視圖、左側視圖、右側視圖、前視圖、后視圖、軸測視圖等。同時軟件支持多視圖共同作業模式。步驟為：第一步，將之前建立的坐標系統中XYZ坐標系統與MicroStation V8中XYZ坐標系統疊合；第二步，再將坐標系統中的XZ（或者YZ）平面與計算機屏幕坐標系統XY平面疊合。此時交腳菩薩的正立面調整為計算機正視圖。

鎖定該視角，利用MicroStation V8中繪圖工具進行繪圖。在繪制過程中加載的點云數據既可以作為底圖參考，也可以作為矢量數據進行捕抓（圖3）。為了防止計算機運算速度減慢，此時可以進行加載點云數量設置。

在塑像結構圖的繪制中關閉點云捕抓功能，沿塑像外輪廓進行完整結構繪制；在塑像正面紋理繪制工作中，打開點云捕抓功能，此時發揮軟件的功能，捕抓塑像的紋理及線形走向。這步工作中存在計算機繪圖進深的控制，即從正面看是繪制在一個平面上，從左側視圖觀察，所繪制線段不在一個平面上。可以在繪制工作開始前進行軟件進深“Z”設置。定義正視圖中所繪制的線段在同一進深的合理的平面位置。當繪制工作在誤操作的情況下，丟失此項設置，可以在繪制工作完成后將三維圖紙首先壓縮為二維圖紙，此刻再次將軟件進深“Z”設置為一個平面。這里三維圖紙可以壓縮為二維圖紙。二維圖紙也可以通過原三維圖紙把二維轉為三維，轉為三維圖紙必須要有一個原始的三維文件存在。二維轉三維的方法是：復制一個原始三維文件后打開，視圖窗口打開為四個，軟件默認的1、2、3、4，分別為頂視圖、軸測視圖、前視圖、右視圖，根據圖紙的要求可以在動態視圖中選擇對應的視圖窗口。用參考工具連接要轉換的二維文件，分別在四個不同視圖窗口按點或按角度旋轉參考文件至與三維圖紙完全吻合，刪除原文件，在工具菜單里點擊“合并到主文件”后確定，這樣二維圖就成了三維圖，此時的文件里又可以加載點云數據。

五 紋理細節的繪制

在三維文件里加載點云數據后按點云來畫圖。因點云數據被加載在計算機軟件中會存在一定限制，數據的加載限制造成了點云在細節上不及照片反映真實。如果點云加載不密集，那么在畫圖軟件里只能看到一些結構比較明顯的地方，彩塑的細節部分就會模糊不清，這樣在畫圖的過程中會有一些誤判或丟失細節部分。這時候可在專業處理點云數據的軟件中，生成正射影像圖片或是在Cyclone軟件里直接做出點云影像圖來。不過在Cyclone軟件里，如果掃描的點云數據少或點云處理不好也是不會顯示出一些細節來的。通過軟件做出的點云影像圖片，再次將此圖片加載在MicroStation V8中（Cyclone軟件里制作的點云影像圖）（圖4）。此時的正射影像圖片集合了照片與點云數據的功能，更能真實地反映塑像細節，依據此圖片清晰地繪制塑像的紋理細節。

六 塑像側立面圖及剖面繪制

在MicroStation V8中將工作視圖切換至左側（或右側）視圖，此時塑像的側面完全分布在圖形工作界面中，繪制工作如上。需要注意的是：利用點云切片功能將塑像的最外輪廓數據或剖面數據保留在視圖中，方便工作者能夠清晰地提取塑像的外輪廓或剖線。

因三維激光掃描技術將塑像三維復制在電腦中，此時塑像在計算機中可以任意被切割。沿中軸線切割點云數據，將塑像的剖面圖完整地提取出，再利用繪圖工具進行繪制。

三維激光掃描數據存在盲區，我們無法在軟件里精確定位盲區里的結構和紋理部分。《第一卷·考古報告》中圖的繪制也只是一個探索和研究的過程，采取補救的措施是利用以前手工測繪的工具（卡鉗、卡尺、鋼卷尺等），測得其結構和紋理部分，再在MicroStation V8制圖軟件中找到相應位置進行繪制。

七 成 圖

MicroStation V8與AutoCAD同為矢量繪圖軟件，但MicroStation V8沒有AutoCAD功能那么強大，在出圖打印時沒有AutoCAD那樣完美。所以我們在出圖打印時都會將.dgn格式轉換

成.dwg格式。還可利用Adobe Illustrator軟件將轉換的.dwg矢量圖導出為.jpg或.tif等其他格式，方便將圖片插入文本文件。

在AutoCAD軟件里編輯好線形、線寬、顏色、比例等后打印，參照實物校對、修改，如此多稿直至精確完美。

八 總 結

三維激光掃描技術將塑像三維復制在計算機中，利用軟件可以進行虛擬切割、繪制，為數字化考古工作帶來了極大的便利，同時其優越性體現在數據采集時間短、數據采集精度與繪圖工作精度的提升等方面。制圖的過程中結合實物照片，精準繪圖，探索研究，更盡可能地結合攝影測量技術繪制塑像，使考古測繪達到更先進的水平。

參考文獻：

[1]朱凌，周克勤，等.基于現代測繪技術的古建筑測繪方法研究[J].山西建筑，2007，33（14）：356-357.

[2]劉旭春，等.三維激光掃描技術在古建筑保護中的應用[J].測繪工程，2006，15（1）：48-49.

[3]段奇三，呂文旭.三維激光掃描技術在曲面展開中的應用[J].敦煌研究，2012（3）：114.