基于3D掃描技術的古建筑附著藝術品數字化研究

巴鈞才

摘 要：古建筑文化遺跡是古人留給我們的寶貴財富。建立在計算機技術和數字圖像技術之上的3D掃描技術是近幾年興起的，在重大歷史遺跡數字化展示與修復中發揮了巨大的作用。古建筑本身是歷史文化的載體與體現，附著于其上的其他藝術元素同樣值得我們珍惜和保護。就魯土司衙門古建筑物外墻附著的磚雕而言，由于其裸露在建筑物外墻長期經受風雨侵蝕及人為破壞，為文物保護與后期修復提出了新的命題。利用3D掃描技術將附著在古建筑物上的磚雕、壁畫等藝術品的幾何紋理、色彩及反照率等詳細信息進行數字化采集，并對損壞部分在軟件中進行適當復原，為后期的展示與修復提供可靠的數據依據。

關鍵詞：三維掃描；古建筑附著藝術品；數字化

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.04.035

0 引言

中國文化源遠流長，在五千多年的中華文明發展過程中，祖先給我們留下了豐富而又寶貴的文化資源。其中的古建筑被稱為“活歷史”，值得我們加倍珍惜和保護。2014年2月，習近平總書記在北京考察工作時強調：“歷史文化是城市的靈魂，要像愛惜自己的生命一樣保護好城市歷史文化遺產。”①截至2022年，國務院已公布了八批共5058處全國重點文物保護單位，甘肅省境內全國重點文物保護單位共計156處，分布在所有市州，分布廣且相對分散，不利于成批進行保護。以木質建筑材料為主，由于木材易燃易腐，保存難度大。附著在古建筑物表面的磚雕、石雕、壁畫等藝術品，常年裸露在室外，經受風吹日曬，久而久之受到不同程度的損害，為了能讓這些藝術品不斷傳承下去，需要我們共同去保護和修復。藝術品的修復需要依據和參考原始藍本，然而這些藝術品的原始藍本已無從談起。當下，為了降低自然災害和人為因素對古建筑物及附著在其上的磚雕、石雕、壁畫等藝術品的影響，要做好文物的數字化測繪與資料保存工作。傳統的圖片信息采集或手工測量的方式只能在二維平面上對物體進行展現，雖然能反映出其尺寸、顏色等平面信息，但無法反映磚雕、石雕等附著藝術品外形空間、結構、紋理的三維立體信息，并且手工測量的方式采用的是接觸式測量，不僅誤差大、測量速度慢，而且會對文物造成一定的損傷。

1 魯土司衙門古建筑群及其附著藝術品特點

魯土司衙門遺址坐落于甘肅省蘭州市永登縣境內，是我國甘肅、青海地區保存最為完整的一座宮廷式古建筑群，位置偏僻，鮮為人知。魯土司衙門遺址歷經明、清、民國等戰火紛飛的年代，新時代西部大開發及城鎮化發展時代，且由于土司采用世襲制的傳承方式，避免了新政權的成立對舊建筑物的拆除重建，迄今為止，魯土司衙門雖然歷經600余年的歲月洗禮，但其主要建筑物原貌基本沒有受到大的影響，完整保存至今，實屬不易。與其他地方的帝王皇城、官府署衙廳堂一樣，其平面布局方式也采用一條明顯的中軸線，在中軸線上布置主要的建筑物，在中軸線兩側布置陪襯建筑，這種布局主次分明、左右對稱，顯得莊嚴雄偉。魯土司衙門自南向北由牌坊、儀門、六扇門、大堂、燕喜堂、神堂院、祖先堂、土司花園等組成，東西兩側有書房院、寢宮、倉院、家寺和教場等。

由于地處古地西北邊陲，雖然古建筑物大體采用京城宮廷式建筑風格，但附著在其上的磚雕、石雕、壁畫等藝術元素彌漫著濃郁的民族特色，具有較高的文化藝術及科學研究價值。隨著魯土司衙門被列為全國重點文物保護單位，古建筑物得到了很大程度的保護和修繕。但由于原有建筑信息缺失，特別是作為指導建造、重建、修繕的圖紙資料遺失，或我們假設當初建設時根本就沒有可參考的建設圖紙，完全根據能工巧匠的經驗建造也未可知，這給后期對損壞部分的修復帶來了難題，只能采用依照原有未損壞部分仿建的方法進行。這種方法不僅會造成與原貌存在一定的差異，而且隨著經年累月的洗禮，不斷仿照修繕，最終會使修繕后的古建筑與原貌差距越來越大。而且附著在古建筑物表面的磚雕、石雕、壁畫等藝術品由于藍本缺失、技術等方面的問題一直沒有得到很好的保護和修復，損壞程度日益加深。為了防止類似問題發生，在古建筑物相對完好時期對現有建筑及其附著藝術品進行數字化信息采集，為古建筑資源數字化展現、后期修繕提供準確可靠的數據信息，是當代古建筑及其附著藝術品保護的一種常用手段。

2 三維掃描儀技術原理及其特點分析

測量技術及計算機技術不斷發展，20世紀90年代出現了3D激光掃描技術，隨之出現三維掃描儀。目前，市面上三維掃描儀種類繁多，其分類方法也較多，比較普遍的是按照掃描原理分類，可分成結構光類（Structured Light）和飛時測距類（也叫作“時差測距類”）（Time Of Flight-TOF）兩種②。飛時測距通過發射激光脈沖來測量傳感器到物體之間的距離，激光脈沖是指在短時間間隔內一個接一個地發射多個準直光脈沖，它們被物體反射，并被探測器再次收集，計算發射激光脈沖和接收激光脈沖所需的時間，得到傳感器到物體之間的距離。由于光速（speed of light）{c}為一已知條件，光信號往返一趟的時間即可換算為信號所經過的路程，此距離是測量儀器到物體表面路程的兩倍，假設{t}為光信號往返一趟的時間，那么光信號經過的路程等于{（c t）/2}。這種測距方法每發一個激光信號只能測量物體的一個單點信息，若要掃描完整的一個面的信息，就需要使許許多多的激光信號以不同的角度發射，得到由點及面的圖像信息。三維激光掃描技術就是在單點激光測距技術基礎上，基于全站儀進行多點的自動化處理，從而提高了全站儀的測量效率，實現了從點到面的測繪，適用于三維幾何形態物體的數字化測繪。一些激光測距儀通過本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡（rotating mirrors）可以達到成批測量的目的，即三維掃描。旋轉鏡由于較輕便、可快速環轉掃描且精度較高，是較廣泛應用的方式。典型時差測距類三維掃描儀每秒約可測量10000～100000個點位信息。飛行時間測距方法已成功應用于激光雷達傳感器多年，其發展成熟，目前市面上的三維掃描儀大多采用這種原理。

1999年，瑞士徠卡公司正式推出了世界首臺可在一秒鐘內采集1000個點的三維激光掃描儀Cyrax2500③。隨著我國科技的長足發展，國產三維激光掃描儀不斷涌現，在2023年Maigoo網站發布的全球三維掃描儀十大品牌中國產品牌占有三席，分別為先臨三維公司、思看科技、新拓三維公司。典型產品有先臨三維公司的先臨三維Einstar普及化專業級手持3d掃描儀、先臨三維（SHINING 3D）EinScan 2X 2020手持3D掃描儀，思看科技的KSCAN復合式3D掃描儀SIMSCAN掌上3D掃描，新拓三維公司的XTOM三維拍照式掃描儀等。這些掃描設備在古建筑物附著石雕、磚雕、壁畫等藝術品信息采集過程中有以下主要優點：

精度高。具有較高的分辨率和精度，其通過運用智能動態物體分析技術和全局點云精算配準技術等生成精密度較高的3D物體模型，而且還可以運用新型批量三角化處理裝置來讓其能時刻保持最高分辨率，從而掃描出更加清晰的圖像模型。點間距越小，其分辨率就越高。這是因為在單位面積的屏幕上，隨著像素點數量的增加，相鄰兩個像素點之間的距離就會變小，也就是說點間距變小了，其點云就會越密集，圖像的質量也就越高。市面上國產三維掃描儀中檔款的產品點距最小可以設置到0.1毫米以下，生成圖像的精度基本可以滿足我們的需求。

速度快。普通中檔款的國產三維掃描儀的刷新率最高可以達到14FPS，當我們設定畫面的分辨率為1024×768時，每秒可以掃描14×1024×768大約1100萬個點位。如果按最小點距0.1毫米來算，一塊100厘米×100厘米見方的磚雕點位應為100萬個，按每秒1100萬個點位掃描速度，理論上用時0.1秒，這種掃描速度相當于拍照的速度了。

非接觸。目前，三維掃描儀大多采用照相式原理，這些產品可以在不接觸被測物體表面的情況下掃描測量物體表面參數信息，最大限度避免對藝術品造成損害。同時，這種非接觸式的測量方式減小了由于測量接觸方式引起的測量誤差，保證了數據精準性。

輸出格式豐富。三維掃描儀可以輸出的文件格式非常豐富，有OBJ、STL、PLY、ASC、3MF、P3等，可以兼容我們常見的圖形圖像處理軟件，比如ZBRUSH、FUSION、DESING X、3ds Max、Maya、Softimage等，這為后期圖像美化以及修復處理提供了更多的選擇，方便了不同用戶的需求。

操作簡單。三維掃描儀的使用非常簡單，它能夠通過高精度的激光掃描實現快速準確的三維數據采集。使用三維掃描儀時，只需將物體放置在三維掃描儀的激光范圍內，然后打開掃描儀對物體表面進行自動掃描，就會采集到被測物體表面的點云信息，并將點云信息自動轉換為三維立體模型。

由于三維掃描儀有著測量易操作、速度快、精度高、立體化、點云密集等諸多優點，且非接觸式測量方式對物體本身無任何損傷，這類技術一經問世便在各行各業得到應用，特別是在近十年，在文物保護與修復領域也得到了廣泛的應用。三維掃描技術通過記錄被測物體外表密布的點的三維坐標、反射率和紋路等信息，快速生成被測物體的三維模型及線、面、體等各種點云信息，在后期利用軟件進行處理時，可以在掃描得到的模型基礎上對損壞部分盡可能地進行數字化的還原與修復，為后期對實物的保護及修繕提供精準、可靠的數據依據。

2004年，故宮博物院對神武門、太和門、太和殿、康壽宮和慈寧宮五處古建筑進行三維信息采集，自這個項目后，三維掃描技術便開始廣泛應用于我國古建筑測繪及保護領域。就魯土司衙門古建筑遺址數字化工作而言，其古建筑物全貌采用VR技術進行數字化信息采集與呈現，而附著在古建筑表面的磚雕、石雕、壁畫等藝術品信息則采用激光三維掃描技術對其紋理信息進行詳細記錄。應用VR技術對魯土司衙門遺址古建筑整體進行數字化呈現方面，筆者已經在論文《VR技術應用于古建筑的推介與保護—以魯土司衙門舊址為例》中進行了詳細的闡釋，本文主要對附著在古建筑物表面的磚雕、石雕、壁畫等藝術品采用激光三維掃描技術進行詳細信息采集簡要的說明。

3 三維掃描技術在磚雕數字化方面的應用

三維激光掃描技術的應用，首先要確定的就是測繪精度，在測繪精度的選擇上，按照天津大學白成軍教授觀點，“在古建筑測繪中，應客觀分析古建筑的內部規律性，以此確定外業測量所采用的適宜精度”④，就附著在魯土司衙門古建筑表面的磚雕而言，魯土司衙門磚雕多采用云紋、佛像及文字，體現出明顯的藏傳佛教特征，立體感強，雕刻細膩，生動逼真（圖1）。個別磚雕占滿整個古建筑物側墻，單體面積20余平方米，這種大型磚雕無法通過一個點位的掃描完成，必須對其進行區域劃分，換點位多次采集，在每幅圖片采集過程中，圖片與圖片之間進行必要的重合以方便拼接，當然，劃分的區域越多，后期拼接的工作量也就越大。在精度選擇上，應采用0.1毫米點距為宜。

魯土司衙門古建筑附著藝術品數字化建模跟其他藝術品數字化一樣，包括掃描前期準備、掃描、拼接、后期處理四個環節。

3.1 前期準備

前期準備工作主要由兩部分組成：第一部分為確定掃描范圍和掃描方向及清理掃描區域。此次掃描對象為磚雕，附著在魯土司衙門古建筑群外墻表面，光線充足，不需要通過人工光源補光，其磚雕本身吸光較好，不會造成反光，不用噴涂顯像劑，不僅方便掃描，且對磚雕不會造成任何損害。第二部分為設備校準。要掃描出準確的三維數據，校準顯得尤為重要，在校準過程中要根據三維掃描儀預先設置的掃描模式計算出設備和工件的位置距離。校準掃描儀時，根據磚雕調整設備系統設置的三維掃描環境。正確的相機設置關系到掃描數據的準確性，我們應該嚴格按照制造商的說明進行校準工作。校準后可通過用三維掃描儀掃描已知三維數據的測量物體來檢查比對，如果發現掃描儀掃描的精度無法滿足我們的需求，需要對掃描儀進行重新校準。

3.2 掃描與拼接

開始掃描前做好相應參數的設置，打開新建掃描，選擇“高精度”，掃描模式選擇為“按特征”進行掃描，紋理貼圖選擇為“白膜”，配件可以自由選擇，一般情況下我們將其設置為“無”。距離的選擇一般以一個顯示畫面剛好容納下我們劃定的一個點位區域為宜，使中心預覽窗口中盡可能大面積顯示出被掃描磚雕區域的三維數據信息。需要注意的是，同一區域盡量避免重復掃描，因為重復掃描同一部位不但不能提高精度，反而會造成誤差累積，做到一個掃描角度盡可能只掃一圈。

在以上準備工作完成后，我們便可以對物體進行掃描了。對附著在古建筑物表面的磚雕進行掃描，在掃描過程中，我們應從不同角度進行三維數據捕捉，如果出現“拼接錯誤”的提示，及時點擊暫停按鈕暫停掃描，再點擊撤銷按鈕，撤回拼接錯誤的幀數，之后再點擊開始按鈕繼續掃描。如果掃描過程中出現“跟蹤丟失”的提示，及時點擊“暫停”按鈕停止掃描。從上次暫停處再次接著掃描時，要從參照物特征點較多的區域進行找回操作。

三維掃描儀自帶的軟件系統可以對掃描出的點云數據進行自動拼接，省去了我們手動拼接的麻煩。掃描完成后系統會自動生成三維點云圖像，但后期操作人員需要對掃描產生的點云數據去除噪點、填補空洞以及光順處理。接著就是數據的轉換，點云處理完后對數據進行轉換，目前都是系統軟件自動將點云數據直接轉換成客戶需求的各類格式，如STL、OBJ等，生成的數據可以與市面上通用的3D軟件無縫對接。

3.3 數據后期處理

掃描與拼接完成后，我們可以將OBJ文件模型導入ZBrush軟件中。由于魯土司衙門古建筑附著磚雕經歷600余年風雨侵蝕，表面本應該凸出棱角分明之處，已經顯得相對圓潤，凹凸對比沒有那么強烈，有些圖案細節和文字顯得較為模糊。在使用Zbrush內置的雕刻工具進行浮雕效果制作之后，可以通過對筆刷工具進行不同的筆觸設置，并適當調整筆觸大小、形狀、強度等參數，利用筆刷工具復原磚雕的凹凸效果，并對損毀部分進行最大限度的修復。

4 結語

魯土司衙門古建筑附著磚雕是魯土司衙門古建筑群建筑風格和文化傳承不可或缺的一個重要組成部分，這些精美的磚雕歷經了600余年的風雨侵蝕以及人為損壞，且沒有圖紙及文字藍本可供我們參考。本文介紹了魯土司衙門建筑及其附著藝術品特點，分析了三維掃描技術原理及特點，并對其在磚雕數字化方面的應用進行具體說明，在對磚雕進行三維掃描得到現有三維數字模型的基礎上，對殘缺部分應用ZBrush軟件筆刷工具進行適當的數字化復原，得到相對完整的數字化模型，既可以實現對磚雕藝術品進行數字化呈現，也可以作為后期修復時可參考的數據依據。

注釋

①段金柱，鄭璜.像愛惜自己的生命一樣保護好文化遺產：習近平在福建保護文化遺產紀事[J].中國文物科學研究，2015（1）：7-13.

②劉科.基于古建筑保護修繕需求的三維激光幾何信息采集應用研究[D].北京：北京工業大學，2017.

③趙威成，裴亮.Cyrax2500三維激光掃描系統在建筑中的應用[J].礦山測量，2006（1）：4-6.

④白成軍.三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用及相關問題研究[D].天津：天津大學，2007.