石質(zhì)文物三維信息留存與應用

李樹坤，侯妙樂，吳育華，胡云崗，張玉敏

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

對石質(zhì)文物三維信息留存的幾種主要方法：基于傳統(tǒng)測量方式，基于近景攝影測量方式，基于三維激光掃描方式進行了系統(tǒng)論述，并對其原理、處理流程、優(yōu)缺點進行了對比，結(jié)合實際工程實例給出石質(zhì)文物三維信息留存的主要應用，并對未來發(fā)展趨勢進行了展望。

石質(zhì)文物；三維信息留存；近景攝影測量；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害的破壞，損壞嚴重；人為破壞也是造成文物損壞的一個重要原因。為了能使這些珍貴的文化遺產(chǎn)永續(xù)傳承下去，在保護性修復之前需要對其現(xiàn)狀進行三維信息留存[2]，因此，對石質(zhì)文物進行三維信息的留存具有重大意義:

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

(2)輔助進行石質(zhì)文物保存狀況的全面調(diào)查與評估。通過獲取的三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對其進行病害調(diào)查、數(shù)據(jù)分析等定量調(diào)查與全面評估。

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

2 三維信息留存

我國石質(zhì)文物保護工作開展較晚，在20世紀60年代初才投入較大的力量[2]。對于石質(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: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。隨著測量技術的不斷進步，新的測量手段、測量儀器的不斷涌現(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)測量儀器的測量方法，近景攝影測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量技術，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，并且由此使得基于三維信息的應用領域也越來越廣闊。

2.1 傳統(tǒng)測量方式

傳統(tǒng)的測量方式包括人工丈量，利用傳統(tǒng)的測量儀器，如水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀等儀器進行的三維數(shù)據(jù)的留存。在很長一段時間內(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，一般的文物保護工作者都可以掌握，但該方法的缺點也是顯而易見的，如工作量大，測量工作往往要到實地進行測量，具有一定的危險性，測量的結(jié)果只能得到一些特征點的數(shù)據(jù)，信息量較為有限，測量的結(jié)果精度也不是很高。

2.2 近景攝影測量方法

近景攝影測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-前方交會的方法求取內(nèi)外方位元素，并解析計算出像點在實際位置的地面坐標[4]。

近景攝影測量的特點概括起來主要有[3]:不接觸被測量的物體，有利于保護珍貴的文物；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)手工測量方法相比，提高工效5倍以上。

近景攝影測量方法在石質(zhì)文物保護領域應用廣泛，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目中得到了成功應用。借助數(shù)字近景攝影測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]，對于具有規(guī)則紋理的物體，該方法具有獨特的優(yōu)勢，且外業(yè)成本低較低。在重慶大足千手觀音搶救性保護修復工程中，正是借助于近景攝影技術獲得了千手觀音首張數(shù)字正攝影像圖?；诮皵z影測量的石質(zhì)文物三維信息留存滿足文物保護基本信息留存的要求，但是存在著解析過程復雜，解析誤差大等缺點。

圖1 基于近景攝影技術的數(shù)字正攝影像圖

2.3 三維激光掃描方法

三維激光掃描技術起源于激光測距技術，在20世紀90年代中期出現(xiàn)了第一臺三維激光掃描儀。三維激光掃描儀的主要組成部分為激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器、馬達控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡?？刂齐娐?、微電腦、CCD相機以及軟件等組成。根據(jù)測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，則被測的空間三維坐標可由空間三維幾何關系通過一個線元素和兩個角元素計算空間點位X、Y、Z坐標，空間點位的計算模型如下:

三維激光掃描測量的作業(yè)方式一般要通過多站的掃描才能獲得整個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，選擇合適的設站點；標靶點的布設；點云數(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位的三維坐標來記錄物體的三維形態(tài)，相比其他方法有諸多優(yōu)勢[10，11]。

(1)精度高

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

(2)自動化程度高

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

(3)非接觸

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

(4)直觀性及現(xiàn)勢性強

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

(5)對環(huán)境適應性強

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

三維激光掃描技術出現(xiàn)之后在石質(zhì)文物三維信息留存領域得到了廣泛應用，與其他方法相比留存信息更加豐富，視覺效果更加逼真，對于形狀復雜、外形不規(guī)則物體三維信息的留存具有獨特優(yōu)勢[16]。國內(nèi)外學者對該技術進行了諸多應用，如斯坦福大學研究小組進行的“數(shù)字化米開朗基羅”項目，約旦沙漠宮殿三維信息留存項目[17]。我國利用該技術先后開展了多項具有影響的石質(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，獲取的點云數(shù)據(jù)精度高、密度大、物體形狀清晰直觀。利用點云數(shù)據(jù)可以建立真三維模型、制作線畫圖、進行三維量算、虛擬修復和變化檢測等，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備昂貴，幾何數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)采集相分離等缺點。

圖2 千手觀音整龕造像三維模型圖

3 主要應用

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，還有以下主要應用。

3.1 精確三維量算

在石質(zhì)文物的修復工作中，往往需要對重點部位進行精確的三維量算[7]。因此，在三維建模成果的基礎上，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，在實際修復中就需要獲取了發(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)、真實修復發(fā)髻的體積、眉心與發(fā)髻中心對比數(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

虛擬現(xiàn)實及相關信息技術為石質(zhì)文物的修復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，在文物保護修復師的指導下，利用相關軟件進行虛擬修復，提供若干修復效果，供專家比選，完善真實修復方案。如下圖4所示的為根據(jù)歷史資料進行的潼南大佛頭部發(fā)髻左立面和右立面虛擬修復效果圖，此效果圖為現(xiàn)場實際修復提供了有效保障。

圖4 潼南大佛頭部發(fā)髻虛擬修復效果圖

3.3 變化檢測

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

隨著三維激光掃描精度不斷提高，點云處理方法的不斷優(yōu)化，對于病害檢測能力也會不斷提高。通過所獲取的三維點云數(shù)據(jù)進行石質(zhì)文物病害檢測不但可以對明顯的病害結(jié)果進行標記展示和量算，可以為后續(xù)的病害統(tǒng)計和修復工作提供依據(jù)，如下圖5所示。

圖5 觀音手的變化檢測

3.4 其他

除了上述三個主要應用外，利用所獲取的三維信息還可以進行石質(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)文物的保護工作正在蓬勃的開展，作為石質(zhì)文物保護的基礎性工作，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?？梢灶A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量技術從出現(xiàn)至今不過短短十幾年的時間，但其以巨大的技術優(yōu)勢迅速的稱為石質(zhì)文物三維信息留存的主流方法。但是三維激光掃描設備價格較高，原理較為復雜，數(shù)據(jù)處理周期較長，需要專業(yè)的人員進行處理等等，這些都是制約三維激光掃描測量技術進一步發(fā)展的因素。因此，降低設備的成本、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)處理的復雜性與周期長度，這些勢必成為未來的一個重要趨勢。

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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，研究方向為:激光雷達技術及大型工程和復雜建筑精密測量。

973項目(2012cb725301)；國家自然科學基金(41171304)；北京市自然科學基金(8111003)