靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

周國奎，張 帆，張慎滿，曾祥忠

(1.廣西壯族自治區(qū)地圖院，廣西南寧530023;2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079;3.武漢大學(xué)遙感學(xué)院，湖北武漢430079;4.桂林市靖江王陵文物管理處，廣西桂林541004)

一、概 述

數(shù)字化是文化遺產(chǎn)保護(hù)的重要手段，也是永久保護(hù)的唯一途徑。將測(cè)繪科學(xué)、信息科學(xué)與考古科學(xué)等學(xué)科進(jìn)行綜合集成進(jìn)行文化遺產(chǎn)的數(shù)字化復(fù)原是一個(gè)新興的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，是保護(hù)、修復(fù)和傳承文化遺產(chǎn)的現(xiàn)代化高科技手段，對(duì)傳承和弘揚(yáng)中華文化有十分重要的作用。

在文物三維數(shù)字化保護(hù)方面，目前的研究主要集中于精細(xì)幾何模型重建和高質(zhì)量紋理重建兩個(gè)方面。在三維幾何模型重建方面，立體視覺技術(shù)和激光測(cè)量技術(shù)使用最為廣泛。1999年，斯坦福大學(xué)開展的米開朗基羅計(jì)劃對(duì)意大利文藝復(fù)興時(shí)期的雕像進(jìn)行激光掃描，建立了精度達(dá)0.5 mm的三維數(shù)字化檔案［1］，在全球掀起了文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)熱潮［2-3］。在我國，武漢大學(xué)［4］、浙江大學(xué)［5］、北京建筑大學(xué)［6］等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)也利用激光掃描和立體視覺技術(shù)在敦煌、龍門、云岡、大足、故宮、頤和園、兵馬俑等多個(gè)文物單位進(jìn)行了三維幾何重建方面的工作，取得了一系列重要的理論與實(shí)踐成果，大力推動(dòng)了我國文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)工作。但是，針對(duì)大型遺址，結(jié)合高精度建模、高真實(shí)感展示、高效信息查詢等功能于一體的文物數(shù)字化系統(tǒng)由于涉及測(cè)繪、考古、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多領(lǐng)域的核心難題，在國內(nèi)外仍然鮮見。

靖江王陵是歷代靖江王的王陵，位于廣西桂林市區(qū)七星區(qū)東郊堯山西南麓，南北15 km，東西7 km，共有王親藩戚墓葬300多座，是現(xiàn)存最大、保存最完好的明代藩王墓群。然而，在自然和人類活動(dòng)的影響下，靖江王陵的文物正面臨加速破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

本文將以靖江王陵為對(duì)象，研究對(duì)大型文物遺址建立三維數(shù)字化系統(tǒng)中涉及的文物精細(xì)建模、多源數(shù)據(jù)融合三維場(chǎng)景重建、文物信息組織與查詢等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)，為靖江王陵文化遺產(chǎn)的保護(hù)和展示提供科技支撐。

二、技術(shù)路線

本文將靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)總體技術(shù)路線分解為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建庫、系統(tǒng)研發(fā)4個(gè)層次進(jìn)行，總體技術(shù)路線如圖1所示。

1.數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集層次是利用無人機(jī)航空攝影方法采集陵墓集中區(qū)域及重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域航空立體像對(duì);利用三維激光掃描和近景拍攝技術(shù)獲取文物的精細(xì)幾何與紋理數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)處理

對(duì)于無人機(jī)數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的商用軟件整體進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，解算高精度的航片外方位元素。利用航空測(cè)圖方法，生產(chǎn)較高精度的DEM和分辨率較高的DOM產(chǎn)品，嚴(yán)格按照國家測(cè)量技術(shù)規(guī)范及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制。

靖江王陵陵墓遺址包括石刻像、修復(fù)的古建筑、

3.數(shù)據(jù)建庫

數(shù)據(jù)庫是三維仿真和信息查詢的基礎(chǔ)，建立的數(shù)據(jù)庫需按應(yīng)用目的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)靖江王陵數(shù)據(jù)及組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組織編目方法，并建立文件數(shù)據(jù)庫。

4.系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

在三維模型與文物信息數(shù)據(jù)庫支持下，利用成熟的三維仿真渲染引擎，研發(fā)適合靖江王陵大型陵墓遺址場(chǎng)景的高真實(shí)感仿真系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中開發(fā)三維信息查詢用戶界面，研發(fā)信息查詢系統(tǒng)，并整合形成靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.激光點(diǎn)云球面投影的三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)

地面激光掃描儀是文化遺產(chǎn)三維建模中的常用技術(shù)手段。使用地面激光掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建對(duì)象模型時(shí)，需要對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行三角化，構(gòu)成三角網(wǎng)。傳統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)方法主要分為兩類:直接法和間接法。直接法可以用真三維TIN較真實(shí)地描述對(duì)象的表面，但是在點(diǎn)密度不均勻或存在噪聲的情況下，容易出現(xiàn)表面空洞、面片重疊、法向不一致等構(gòu)網(wǎng)錯(cuò)誤。間接法將復(fù)雜的三維問題簡(jiǎn)化為二維問題，具有較高的效率，但是其結(jié)果依賴于K鄰域大小的選取，而且將三維點(diǎn)集平行投影到平面上也容易導(dǎo)致點(diǎn)與點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系判斷錯(cuò)誤。而文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)往往點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、場(chǎng)景復(fù)雜、建模精度要求高。因此，如何快速、正確地構(gòu)網(wǎng)成為文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化建模的關(guān)鍵性問題之一。

本文使用了基于球面投影的點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)方法［7］，利用中心投影的方式將單站激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到一個(gè)球面上，在球面上進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，保證了點(diǎn)之間的正確連接關(guān)系。大致步驟為:先定義投影球面，將數(shù)據(jù)點(diǎn)以中心投影的方式投影到球面;然后構(gòu)建一個(gè)覆蓋整個(gè)球面的初始球面Delaunay三角網(wǎng);再將投影到球面上的數(shù)據(jù)點(diǎn)逐點(diǎn)插入三角網(wǎng)，并用球面局部優(yōu)化算法(local optimization procedure)保證生成的三角網(wǎng)符合球面Delaunay準(zhǔn)則，循環(huán)此步驟直到所有的點(diǎn)都被處理;刪除初始三角網(wǎng)的頂點(diǎn)，以及包含這些點(diǎn)的三角形，并局部修復(fù)三角網(wǎng);最后保持投影點(diǎn)球面的構(gòu)網(wǎng)關(guān)系，將其反投影到數(shù)據(jù)點(diǎn)原始位置，完成構(gòu)網(wǎng)。

2.高保真度紋理映射

重建對(duì)象表面紋理信息是三維重建的重要內(nèi)容，但是，激光掃描技術(shù)對(duì)色彩信息的獲取遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上其在幾何數(shù)據(jù)獲取上的性能。色彩信息需要將數(shù)碼相機(jī)獲取的高分辨率照片通過紋理映射技術(shù)正確綁定到三維模型表面來表現(xiàn)。高保真度紋理重建是將對(duì)象表面各角度高質(zhì)量的紋理影像映射到對(duì)象表面幾何模型上，涉及紋理影像與三維幾何模型的精確配準(zhǔn)、紋理影像的變形處理等一系列難題。本文通過文物復(fù)雜表面特性進(jìn)行研究，提出了基于非剛性變換的紋理影像與三維幾何模型的配準(zhǔn)方法和利用激光掃描強(qiáng)度的影像與三維模型匹配方法解決這些難題。

相機(jī)鏡頭的畸變、激光掃描儀器本身的誤差，以及處理中不可避免的精度損失，會(huì)使得剛性配準(zhǔn)后的模型和影像在局部細(xì)節(jié)上存在偏差。因此，需要采用基于非剛性變換的高精度紋理重建方法進(jìn)行解決。本文采用了一種基于非剛性變換的紋理映射方法，步驟為:首先利用直接線性變換進(jìn)行二維影像與三維模型的初始剛性配準(zhǔn);再將改進(jìn)后的薄板樣條作為非剛性變換準(zhǔn)則對(duì)二維影像與三維模型進(jìn)行非剛性配準(zhǔn)，并在非剛性配準(zhǔn)基礎(chǔ)上將二維影像映射至三維模型，完成紋理映射。本方法基于非剛性變換的紋理映射可使影像與模型在整體和細(xì)節(jié)上都精確對(duì)齊，具有較高的映射精度。

激光掃描系統(tǒng)能夠快速獲取目標(biāo)表面精確而密集的點(diǎn)集，大多數(shù)激光掃描系統(tǒng)在測(cè)定激光腳點(diǎn)三維坐標(biāo)的同時(shí)，也記錄了該激光腳點(diǎn)位置反射信號(hào)的強(qiáng)度值。激光數(shù)據(jù)強(qiáng)度大小與被測(cè)對(duì)象表面的材質(zhì)、顏色等因素密切相關(guān)，類似于光譜數(shù)據(jù)，其分辨率相對(duì)較低，為單譜段圖像，激光掃描數(shù)據(jù)相當(dāng)于將被測(cè)表面的光譜信息記錄在三維空間上。本文充分利用激光掃描的這一技術(shù)特點(diǎn)，在紋理影像與三維模型配準(zhǔn)中，將激光點(diǎn)云反投影到近似的影像平面，形成強(qiáng)度影像，通過強(qiáng)度影像與紋理影像的配準(zhǔn)，解決二維影像與三維幾何模型的配準(zhǔn)難題。

3.多源數(shù)據(jù)融合的陵墓三維場(chǎng)景建模

通過激光掃描技術(shù)和精細(xì)建模方法，可以將石刻像、石臺(tái)、石階、柱礎(chǔ)等單體對(duì)象進(jìn)行高精度建模，但較難重建陵墓整體地形和整體空間結(jié)構(gòu);無人機(jī)航空攝影結(jié)合高精度的像控點(diǎn)和空三加密技術(shù)，生成的1∶2000數(shù)字高程模型和0.1～0.2 m 分辨率的數(shù)字正射影像能很好地表現(xiàn)陵墓整體地形和整理空間結(jié)構(gòu)。因此，重建高精度陵墓三維場(chǎng)景需融合無人機(jī)航空攝影與地面三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行。

無人機(jī)數(shù)據(jù)可以完整地獲取整個(gè)測(cè)區(qū)的地形地貌數(shù)據(jù)，而對(duì)于表達(dá)要求更高的石刻像、墓地遺址等精細(xì)特征卻無能為力，但可以提供大致位置。激光掃描可以對(duì)局部對(duì)象進(jìn)行高精度幾何建模，但結(jié)果數(shù)據(jù)是以掃描儀為中心的局部坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。如何有效地融合兩種不同的數(shù)據(jù)是本文需要解決的關(guān)鍵問題。

本文通過控制測(cè)量，將地面激光掃描數(shù)據(jù)納入到無人機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中以完成兩種數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)，如圖2所示。具體方法可以分為以下幾個(gè)步驟:

1)采用靜態(tài)基線的GPS測(cè)量技術(shù)，獲取測(cè)區(qū)中導(dǎo)線控制點(diǎn)高精度坐標(biāo)。

2)在測(cè)區(qū)中均勻布設(shè)標(biāo)靶點(diǎn)，布設(shè)規(guī)則為保證掃描儀每次掃描可觀測(cè)4個(gè)及以上的標(biāo)靶點(diǎn)數(shù)量。通過全站儀架站控制點(diǎn)，以碎部測(cè)量方式獲取標(biāo)靶點(diǎn)中心坐標(biāo)，解算后可得世界坐標(biāo)系中的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)。

3)用激光掃描儀掃描對(duì)象，保證激光掃描儀架站能完整觀測(cè)到4個(gè)及以上標(biāo)靶點(diǎn)。

4)激光掃描數(shù)據(jù)的絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。以單站為例，設(shè)觀測(cè)到標(biāo)靶點(diǎn)數(shù)為n，n≥4;觀測(cè)到的標(biāo)靶中心點(diǎn)在掃描坐標(biāo)系中的點(diǎn)坐標(biāo)集合s={pi}，i=1，2，…，n;對(duì)應(yīng)在世界坐標(biāo)系中的點(diǎn)坐標(biāo)集合t={p'i}，i=1，2，…，n。此時(shí)，需計(jì)算一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣和一個(gè)平移矩陣，建立掃描坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)聯(lián)，即

式中，R為3×3旋轉(zhuǎn)矩陣;T為3×1平移矩陣。求解以上問題可利用SVD分解快速求解R，T則為兩個(gè)坐標(biāo)系的中心點(diǎn)偏移量。

通過以上方法，可以將局部的激光掃描數(shù)據(jù)和區(qū)域的無人機(jī)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行精確配準(zhǔn)與融合建模。

圖2 控制測(cè)量與激光掃描示意圖

4.文物信息組織與查詢

文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理具有靈活、可移植性強(qiáng)、速度快等特點(diǎn)，有較強(qiáng)的通用性，對(duì)環(huán)境依賴程度較低。而且，目前大多數(shù)的應(yīng)用程序?qū)ξ募?shù)據(jù)系統(tǒng)提供了較好的支持，在某種意義上，此特點(diǎn)更加有利于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)據(jù)共享。同時(shí)，文件數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜程度低，對(duì)第三方軟件或產(chǎn)品的依賴程度低，降低了系統(tǒng)的耦合性，便于系統(tǒng)維護(hù)與集成。因此，本文確定利用文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫來組織與管理數(shù)據(jù)。

如圖3所示，靖江王陵文物信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立以文件夾為單位，采用樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織管理，并進(jìn)行統(tǒng)一編碼組織，為文物信息查詢提供基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)組織完成的基礎(chǔ)上，文物信息查詢通過正則表達(dá)式組合完成。

圖3 靖江王陵文物信息數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)與編碼

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在關(guān)鍵問題研究的基礎(chǔ)上，本文基于Unreal 3D三維渲染引擎進(jìn)行優(yōu)化和人機(jī)交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)的截圖如圖4—圖9所示。其中，圖4為系統(tǒng)主界面，圖5為文物信息查詢結(jié)果界面，圖6為各陵墓的三維空間分布圖，圖7、圖8和圖9為陵墓三維仿真場(chǎng)景。除如圖所示的渲染真實(shí)感外，本文實(shí)現(xiàn)的靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)擁有較高的渲染效率，如圖9所示的第三代靖江王莊簡(jiǎn)王陵場(chǎng)景(包含模型數(shù)量為1302個(gè)，包含約486萬個(gè)三角形和多邊形面片及1686張紋理貼圖)，在主要配置為 CPU/3.07 GHz的i3、內(nèi)存8 GB、顯卡650 Ti的臺(tái)式機(jī)上，平均渲染效率為35幀/s，可以達(dá)到實(shí)時(shí)渲染的要求(普通的視頻的幀率是24幀/s)。

圖4 靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)主界面

圖5 文物信息查詢結(jié)果

圖6 各陵墓的三維空間分布

圖7 三維虛擬仿真場(chǎng)景:第九代康僖王陵石刻儀仗

圖9 三維虛擬仿真場(chǎng)景:第三代莊簡(jiǎn)王陵神道、金水橋、石刻儀仗等

五、結(jié)論與展望

本文利用激光掃描、無人機(jī)航攝等測(cè)繪手段對(duì)陵墓遺址建立三維數(shù)字化信息系統(tǒng)，將數(shù)字化保護(hù)與考古研究有機(jī)結(jié)合，并采用高真實(shí)感仿真和高效信息查詢技術(shù)，逼真表現(xiàn)文化遺產(chǎn)場(chǎng)景、查詢文物信息。通過本文工作建立的靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)在靖江王陵文化遺產(chǎn)的保護(hù)、考古、旅游、文化傳播、信息化建設(shè)等方面有著重要的意義。

目前靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)的建設(shè)還只是處在文物數(shù)字化系統(tǒng)的初級(jí)階段，在本系統(tǒng)框架基礎(chǔ)上，可以從多個(gè)方向和領(lǐng)域進(jìn)行拓展:

1)結(jié)合考古工作流程，為數(shù)字化考古提供技術(shù)支持。將緊密結(jié)合考古工作流程的需求，為對(duì)考古方案輔助決策、考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的三維記錄和展示、考古報(bào)告的輔助生成提供技術(shù)手段，為數(shù)字化考古提供技術(shù)支撐。

2)考古發(fā)掘過程的三維記錄與展示。利用本文的關(guān)鍵技術(shù)，全方位、高精度、三維數(shù)字化記錄考古發(fā)掘過程，并通過本系統(tǒng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)展示，為考古發(fā)掘提供科學(xué)的全新視角。

3)陵墓遺址的虛擬修復(fù)。在陵墓現(xiàn)狀的三維模型基礎(chǔ)上，結(jié)合明代王陵建筑法式和考古資料的研究，對(duì)靖江王陵的陵墓進(jìn)行虛擬修復(fù)，動(dòng)態(tài)演繹靖江王陵的修建歷史和毀損過程。

4)更全面的陵區(qū)三維場(chǎng)景建設(shè)。繼續(xù)推動(dòng)陵區(qū)三維仿真場(chǎng)景的建設(shè)，為靖江王陵的全部遺址建立高精度和高逼真度的三維虛擬場(chǎng)景。

5)地理陵區(qū)監(jiān)測(cè)。通過無人機(jī)航攝技術(shù)，定期對(duì)陵區(qū)的私墳、建筑情況進(jìn)行檢測(cè)，并導(dǎo)入三維數(shù)字化系統(tǒng)，建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫，更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙?duì)陵區(qū)進(jìn)行保護(hù)。

6)環(huán)幕或球幕三維展示。通過本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與三維仿真技術(shù)，結(jié)合3D投影技術(shù)，在大型球幕或環(huán)幕上展示靖江王陵的現(xiàn)狀與歷史，使觀眾獲得沉浸感和融入感，讓觀眾能更清晰和直接地了解到靖江王陵相關(guān)信息。

7)基于移動(dòng)終端或觸摸屏的漫游與查詢。將靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)擴(kuò)展至移動(dòng)終端或觸屏終端上，使用戶通過互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)更方便地了解靖江王陵的信息和更個(gè)性化的景區(qū)導(dǎo)覽。

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