超大型石窟寺三維幾何重建技術的研究

吳邵明，梁曉娜

(大同市勘察測繪院，山西 大同 037000)

超大型石窟寺三維幾何重建技術的研究

吳邵明*，梁曉娜

(大同市勘察測繪院，山西 大同 037000)

石窟寺在歷史變遷中遭受了風化、崩塌、溶蝕等，窟內壁畫和高浮雕造像受到各種災害的影響。為加強超大型石窟寺的保護和修復，需獲取石窟寺完整、高精度的三維幾何信息，為文物保護和修復提供真實、詳盡的科學依據。本文以云岡石窟18窟為例，采用多種三維激光掃描儀對文物本體進行逐層交叉式掃描，以獲取最全面、最完整、最準確的三維數據。該方法具有作業速度快，無須接觸文物本體，數據成果可靠性高，數據信息完整等特點，是一種高效可行的文物三維幾何數據采集方法。

三維激光掃描；數字化采集；點云配準；三維幾何信息

1 引 言

文物是研究我國古代歷史文化發展的珍貴實物資料，是不可再生的文化資源，具有重要的科學、藝術和歷史價值。超大型石窟寺作為一種重要的歷史文化遺產，窟內的繪畫、高浮雕造像是先民們智慧的結晶，具有重要的歷史研究價值。然而，隨著歷史的變遷，由于自然和人為的因素，大量的石窟寺遭到不同程度的破壞，亟須運用現代化技術手段對其原貌進行保護和三維幾何信息留存，建立數字化檔案，為文物保護和修復提供完整準確的數據依據。

在超大型石窟寺的保護和修復的過程中，三維幾何重建方法主要包括傳統的文物測繪方法和信息化測繪技術手段。傳統的文物測繪方法是手工測繪和攝影結合的綜合手段，但該方法不僅花費大量的人力物力，還極易受外界環境干擾，對文物保護和修復造成巨大困擾。鑒于傳統文物測繪方法在文物信息獲取方面的局限性，結合超大型石窟寺造像之間遮擋密集、空隙小等特點，本文提出了以地面三維激光掃描儀為主，結合手持掃描儀、全站儀等測繪儀器，利用三維激光掃描技術獲取超大型石窟寺的高精度三維幾何信息，通過對數據的處理，完成各種坐標系的統一，以最全面的點云數據覆蓋率實現完整的文物原貌還原，實現整個超大型石窟寺的完美拼接，保證文物信息的高度完整性。

2 三維激光掃描技術

三維激光掃描(3D laser scanner)技術是一種快速直接獲取實體三維幾何數據的新技術，該技術能在計算機中快速準確的實現目標實體的三維建模。該技術應用在文物測繪中不僅能快速準確獲取文物的三維數字化信息，而且在掃描過程中不需要接觸文物本體，不會對文物造成二次傷害，可為文物保護提供必要的基礎數據。使用該技術可獲取文物的高精度點云數據，經后期數據處理可獲得細節豐富的、帶紋理的三維網格模型，為建立文物保護和修復系統的基礎數據資源庫提供全面、細致、準確的空間信息數據。

3 超大型石窟寺完整三維幾何信息的采集方案與實施

3.1測區概況

本文以云岡石窟18窟為例，第18窟開鑿于文成帝和平年間(公元460～470)，窟形是橢圓形平面，穹隆頂。石窟位于云岡石窟中部窟群，東與第17窟相毗鄰，西側與第19窟相鄰。洞窟東西最寬處約 18.7 m，南北最長處約 7.7 m，主尊佛像是一大立像，高 15.5 m。佛像昂首挺立，身軀雄壯，氣勢宏偉。緊貼在本尊立佛兩側的脅侍是兩尊菩薩。在菩薩立像的外側，東西兩壁各雕一個脅侍佛。脅侍立佛頭頂上方均罩華蓋，赤腳踩踏蓮座。在本尊佛像的雙肩兩側，脅傳菩薩頭頂上方，左右各雕有五身弟子像，合為釋迦牟尼的十大弟子。從整體看，這一窟是曇耀五窟中最豪華、最講究的一窟。

3.2技術路線

根據現場踏勘結果，考慮精度要求和各方面因素，認真、詳細的進行儀器選擇、觀測計劃、測站及標靶分布、點云拼接方案制定等，針對規模宏大的高浮雕石窟寺，需要在多層腳手架上面架設多站進行三維激光掃描，獲得完整的360°無死角的石窟寺三維幾何數據。石窟寺三維幾何重建主要技術工作包括控制測量、點云配準、幾何模型重建等，具體的技術路線圖如圖1所示：

圖1 三維激光掃描技術路線圖

3.3外業數據采集

(1)控制測量

通過對測區進行踏勘選點，本項目利用已有的控制成果資料，與高等級控制點聯測，采用支導線方法對窟內三維激光掃描控制點進行坐標測量和高差測量，實現與國家坐標系統的統一。利用已有的新型全站儀索佳NET05X通過對導線邊長和轉角、坐標等數據進行觀測，嚴格按照支導線要求控制數據精度。利用高精度電子水準儀徠卡DNA03布設支水準路線完成高程測量。標靶與控制點坐標聯測精度：平面 ≤5 mm，高程 ≤5 mm。通過對云岡石窟18窟的周邊地形地貌情況進行分析，各控制點具體平面布設圖如圖2所示：

圖2 云岡石窟18窟各控制點平面布設圖

(2)三維激光掃描外業

外業采用不同性能的三維激光掃描儀對石窟進行多角度交叉式高精度掃描，石窟外立面和窟頂采用點間距為 2 mm的Faro Focus3D X330地面三維激光掃描儀完成大場景控制；以點間距為 0.3 mm的Surphaser25HSX地面三維激光掃描儀對石窟內壁特征進行采集；以點間距為 0.1 mm的Go scan手持式激光掃描儀作為細部及空間不便掃描位置的數據補充，獲取石窟內壁畫和浮雕造像高精度、高覆蓋率的點面數據。三種掃描儀具體參數表格如表1所示。同時在石窟外立面和窟內做控制點布設，得到模型坐標系與大地控制網中重合點的三維坐標，便于后期模型相對坐標系統與地方及國家坐標系統的統一。

3種掃描儀參數表 表1

針對規模宏大的云岡石窟18窟，根據現場踏勘結果、精度要求和各方面因素，需要搭設腳手架完成18窟的數據采集工作。為獲取造像不可見區域的三維幾何信息，要對佛龕以及塑像采用手持激光掃描儀進行細節補充，考慮到手持激光掃描儀的作業范圍以及紋理影像的要求，每層腳手架高度 2 m左右時，可以采集最全面、最完整、最準確的三維數據。因此將云岡石窟18窟整體工作分為8層，獲取三維數據。

在數據采集過程中，需注意以下事項：

①控制點均勻布設在被測區域的周圍，相鄰控制點間保持通視；

②標靶均勻布設，避免在一條直線上，數量不少于四個，以保證數據配準精度；

③掃描時測站間點云數據重疊度不低于30%；

④掃描儀置于腳手架上掃描過程中，避免腳手架晃動，降低后期數據處理的困難；

⑤在Go scan手持式激光掃描儀工作過程中，隨時檢查數據是否分層，剔除分層數據。

3.4內業數據處理

本文利用點云數據處理軟件Cyclone、SCENE和Geomagic完成點云配準、點云優化和坐標系統的統一，實現點云的完美拼接和融合，以最全面的點云數據覆蓋率實現完整的文物原貌還原，保證文物信息的高度完整性。

(1)點云數據配準

為得到超大型石窟寺真實的三維模型，需獲得文物表面的真實三維點云數據重建原始曲面。但受超大型石窟寺造像之間遮擋密集、空隙小等方面的限制，本文利用多站測量及不同測量設備的多角度交叉使用獲得文物表面完整點云數據。

由于每次測量獲得的點云數據只覆蓋文物部分表面，并可能出現平移錯位和旋轉錯位，為得到文物表面完整的點云數據，需對多次測量得到的局部點云數據進行整合和配準，即將不同位置得到的大容量三維空間數據轉換到統一的坐標系中，該技術稱為三維點云數據的配準。點云配準作為內業數據處理的第一步，是后續數據處理的基礎，其精度直接影響后期建模精度。

(2)點云優化和坐標統一

本文中主要利用點云數據處理軟件Cyclone和Geomagic完成點云優化。點云數據因大量噪點造成點云數據分層、無用點過多、數據量成倍增長等情況，需將噪點、重疊點在軟件里去除，進行點云降噪，再經過曲率抽稀簡化點云數據。利用點云數據處理軟件Cyclone實現點云數據與控制測量數據的坐標系統的統一，便于日常測量和成果的相互應用。

3.5技術成果分析

云岡石窟18窟東西最寬處約 18.7 m，南北最長處約 7.7 m，主尊佛像是一大立像，高 15.5 m。針對如此規模的超大型石窟，技術重難點在于以下幾個方面：

(1)獲取高覆蓋率、完整的點云數據

通過遠中近三種不同性能的三維激光掃描儀對文物本體進行逐層交叉式掃描，以獲取最全面、最完整、最準確的三維數據，如圖3所示。

圖3 云岡石窟18窟北壁完整點云數據圖

(2)實現高精度的點云數據配準。利用Cyclone點云數據處理軟件實現Surphaser和Faro數據的多站數據拼接，其誤差均不超過 3 mm，滿足石窟寺數字化精度要求。比重圖如圖4所示。

圖4 云岡石窟18窟Surphaser和Faro數據拼接誤差比重圖

(3)利用點云數據處理軟件Cyclone完成石窟寺大數據量的點云數據處理，實現點云數據與控制測量數據的坐標系統統一(以云岡石窟18窟一層數據配準為例)，如圖5所示。

圖5 云岡石窟18窟統一坐標系統精度圖

由圖5得出，點云數據與控制測量數據拼接誤差在 3 mm以內，滿足工程精度要求。

(4)以云岡石窟18窟東壁脅侍佛點云數據優化結果為例，利用數據處理軟件Geomagic實際完成的云岡石窟18窟點云優化，點云優化誤差均控制在 0.001 mm左右，遠遠滿足項目技術要求，具體點云偏差如圖6所示：

圖6 云岡石窟18窟東壁脅侍佛點云數據優化偏差圖

(5)以18窟東壁脅侍佛佛頭為例，如圖7所示，利用數據處理軟件Geomagic對統一坐標后的模型數據與Go scan數據進行全局注冊，全局注冊結果如下：經過10次迭代計算，形成的三角面片最大偏差為 1.7 mm，滿足項目精度要求，同時實現了地面三維激光掃描儀模型數據與手持式激光掃描儀模型數據的坐標系統的統一。

圖7 云岡石窟18窟東壁脅侍佛佛頭全局注冊示意圖

(6)利用Geomagic對多種數據相融合后的點云數據進行封裝，完成云岡石窟18窟東壁脅侍佛佛頭高精度三維幾何模型重建，如圖8所示。

圖8 岡石窟18窟東壁脅侍佛佛頭三維模型

4 結 論

本文以云岡石窟18窟數字化項目為例，采用不同性能的三維激光掃描儀對石窟進行多角度交叉式高精度掃描，將三維激光掃描方法應用于超大型石窟寺三維幾何信息的獲取和模型重建，該方法具有快速準確、無須接觸文物本體等優點，同時突破石窟寺造像之間遮擋密集、空隙小等方面的限制，解決大數據量進行數據處理的技術難題，獲取最全面的超大型石窟寺的三維幾何信息，所采用的技術和獲得的成果遠遠滿足相關文物保護和修復部門對超大型石窟寺三維信息數據的要求，應用前景廣泛。

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VeryLargeCaveTemplesThree-dimensionalGeometryReconstructionTechnologyResearch

Wu Shaoming，Liang Xiaona

(Datong Institute of Survey and Investigation，Datong 037000，China)

Cave temples suffered weathering，collapse in the historical vicissitude，corrosion，etc.，grottoes murals and high relief sculpture is affected by the various disasters. To strengthen the protection and repair of large cave temples，shall obtain grottoes and full，high precision of 3d geometry information，for the protection of cultural relics and fix true，detailed scientific basis. In this paper，18 holes of Yungang Grottoes as an example，using a variety of three-dimensional laser scanner on the cultural relics on-line cross-scan，in order to obtain the most comprehensive，most complete and accurate three-dimensional data. This method has a operation speed，no need contact ontology of cultural relics，high reliability data results，the characteristics of data integrity，is a kind of efficient and feasible method of three-dimensional geometry data collection of cultural relics.

3d laser scanning；digital collection；point cloud registration；3d geometry information

1672-8262(2017)05-164-04

P234

A

2016—10—29

吳邵明(1987—)，男，工程師，主要從事文化遺產三維數字化和無人機測繪工作。