利用三維激光掃描儀為古文物建立信息庫(kù)

齊文娟

(青島市勘察測(cè)繪研究院，山東青島266032)

一、引 言

柄靈寺最早叫“唐述窟”，在羌語(yǔ)中有“鬼窟”之意。炳靈寺創(chuàng)建于西秦，歷經(jīng)北魏、西魏、北周、隋、唐、元、明、清各代擴(kuò)建，距今已有1600多年歷史?，F(xiàn)存窟龕183個(gè)，造像近800身，分石胎泥塑和泥塑3種，壁畫約900 m2。其中169窟開鑿于一天然石洞中，規(guī)模最大。浮雕石塔25座。炳靈寺石窟雕像776軀，其中石像694軀，泥塑82軀，主要人物有釋迦牟尼、觀世音菩薩、無量壽佛、彌勒佛以及其他各種菩薩、佛等(如圖1所示)。

圖1 柄靈寺

二、建立古文物信息數(shù)據(jù)庫(kù)的意義

我國(guó)是一個(gè)古建筑保存較多的文物大國(guó)，不同時(shí)期的古建筑有其不同的風(fēng)格、特點(diǎn)。要長(zhǎng)期有效地保護(hù)這些古建筑，必須對(duì)其進(jìn)行精確的測(cè)繪，以獲取較完整的數(shù)據(jù)，為古建筑的保護(hù)和修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);同時(shí)還要對(duì)重要的古建筑進(jìn)行變形、損毀監(jiān)測(cè)，對(duì)已修復(fù)的古建筑進(jìn)行后期評(píng)價(jià)[1]。傳統(tǒng)的測(cè)繪方法采用單點(diǎn)測(cè)量設(shè)備。這種測(cè)量方法比較適合規(guī)則簡(jiǎn)單的古建筑和現(xiàn)代建筑。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則的古建筑，少量的離散的特征難以表現(xiàn)古建多樣的建筑風(fēng)格、建筑特點(diǎn)。目前，隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，古建筑的測(cè)繪也進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代，三維激光掃描技術(shù)在古建筑修復(fù)測(cè)繪中的運(yùn)用越來越廣。

三、工作流程

1．工作原理

應(yīng)用三維激光技術(shù)，可對(duì)古建筑的結(jié)構(gòu)、尺寸以及連續(xù)的表面信息進(jìn)行完整地測(cè)量[2]。三維掃描儀利用內(nèi)置掃描頭，不斷發(fā)射激光脈沖。將光速與每次激光發(fā)射和接收的時(shí)間差相乘除以二可得掃描儀與每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)間的距離，然后可通過公式計(jì)算點(diǎn)目標(biāo)的三維坐標(biāo)。同時(shí)，內(nèi)置的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)掃描發(fā)射裝置在豎直面內(nèi)以固定角度和速度進(jìn)行擺動(dòng)，根據(jù)使用者設(shè)定的掃描點(diǎn)間隔，掃描儀可以在每完成一次擺動(dòng)和一列點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描后，再向順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度，繼續(xù)下一次擺動(dòng)，完成下一列點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描。如此往復(fù)，直至完成測(cè)量范圍內(nèi)所有景物的掃描為止。

2．工作流程

對(duì)炳靈寺露天崖壁及壁畫的建庫(kù)工作共分為兩個(gè)部分：①外巖點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。炳靈寺的露天崖壁上遍布了古代工匠雕刻的各色雕刻、泥塑形象;在巖壁的下方，更有工匠們雕琢的上百個(gè)包含壁畫及泥塑佛像的石洞。本文在距離外巖150 m遠(yuǎn)的位置架設(shè)掃描儀，對(duì)整個(gè)巖壁進(jìn)行掃描。②進(jìn)入洞窟內(nèi)，對(duì)壁畫和雕塑進(jìn)行精細(xì)的掃描。

(1)洞外巖壁掃描

1)數(shù)據(jù)采集。炳靈寺位于山水間，為了更完整地采集巖壁數(shù)據(jù)，選擇了在巖壁對(duì)岸的小山上對(duì)其進(jìn)行掃描。掃描間隔為5mm，此密度屬于超高精細(xì)度測(cè)量。掃描完成后，得到了連續(xù)的影像及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

由于采集得到影像數(shù)據(jù)是連續(xù)的且在一定的重疊度的條件下拍攝的，每張相片的拍攝瞬間的拍攝中心的方位和方向參數(shù)已知，因此可以將這些影像在軟件中連接在一起，以一張完整的影像顯示出來。影像的顯示效果如圖2所示。另外，作為本文的數(shù)據(jù)采集主體，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置也被清晰地記錄了下來。整體的點(diǎn)云顯示效果如圖3所示。

圖2 影像拼合效果

圖3 巖壁整體點(diǎn)云

2)點(diǎn)云編輯與拼接。完成外業(yè)的巖壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)采集后，可以在室內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便于后期使用。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的編輯主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)中測(cè)區(qū)以外數(shù)據(jù)點(diǎn)的去除及點(diǎn)云賦色兩部分工作。作為文物保存的一項(xiàng)重要工作，文物色彩及目標(biāo)點(diǎn)位置信息不能表達(dá)的細(xì)微紋理都需要以顏色信息來表達(dá)。掃描儀具有照相機(jī)與掃描儀同軸的特點(diǎn)，因此可以直接給目標(biāo)點(diǎn)賦予真實(shí)色彩。此外，作為精確記錄文物原貌的初始數(shù)據(jù)，還要將不需要的、非文物上的目標(biāo)點(diǎn)刪除，僅保留有用數(shù)據(jù)(如圖4所示)。

3)通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作各種類型的成果。

立面圖的繪制：傳統(tǒng)的文物保護(hù)工作中，一般采用將測(cè)量點(diǎn)相連接的方式來形成結(jié)構(gòu)圖。圖中難免缺少對(duì)建筑物細(xì)部結(jié)構(gòu)的表達(dá)。另外，還可采用近景攝影測(cè)量法，通過圖像定向生成立體圖像模型，繪制立面圖。但此法一般周期較長(zhǎng)，需要經(jīng)過圖像相對(duì)定向、絕對(duì)定向等步驟后，將符合精度標(biāo)準(zhǔn)的立體像對(duì)在立體成像儀上成圖，制作比較復(fù)雜。使用者還需要配置相應(yīng)的手輪腳盤及專業(yè)三維顯示器才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作立面圖，則可以省去這些步驟，直接在普通臺(tái)式機(jī)或筆記本上描點(diǎn)成圖。下面對(duì)繪圖過程進(jìn)行描述。

圖4 經(jīng)過編輯和賦色后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

制作步驟為：①在繪圖軟件中，導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖5所示);② 在不同的圖層上，根據(jù)點(diǎn)云的三維位置信息對(duì)明顯的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行勾繪，直至完成整個(gè)立面的特征提取(如圖6所示)。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件中

圖6 在點(diǎn)云上繪制的立面圖

相對(duì)于在立體相對(duì)或在正攝影像圖上繪制立面圖，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上繪制立面圖可實(shí)時(shí)查看結(jié)構(gòu)線位置是否正確。方法是通過旋轉(zhuǎn)三維視圖來從不同角度查看線條與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的貼合程度(如圖7所示)。

圖7 從不同角度觀察點(diǎn)云與線條的貼合度

使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的立面圖中，等高線是通過點(diǎn)云處理軟件自動(dòng)生成的：由于每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)都已記錄在系統(tǒng)中，軟件可以自動(dòng)搜索并連接指定高程的點(diǎn)，完成等高線的繪制。在圖中，把等高線和結(jié)構(gòu)線分成不同的圖層和顏色顯示，便于修改。

TIN網(wǎng)的創(chuàng)建：使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成巖壁的表面模型時(shí)，只需要在點(diǎn)云處理軟件中選擇相對(duì)應(yīng)的命令，并指定最大的三角網(wǎng)邊長(zhǎng)和最多的三角網(wǎng)個(gè)數(shù)，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)需求完成三角網(wǎng)的構(gòu)建。不同于近景攝影測(cè)量軟件通過圖像點(diǎn)生成DEM內(nèi)插點(diǎn)來生成TIN模型，點(diǎn)云處理軟件直接使用測(cè)量得到的目標(biāo)點(diǎn)來構(gòu)建TIN，無需內(nèi)插，精度更高。

(2)洞內(nèi)掃描

本文在炳靈寺的上百個(gè)石窟中，選擇了其中的一個(gè)洞窟進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集和編輯的步驟類似于上述洞外巖壁采集步驟，因此僅描述了主要的處理過程。

1)點(diǎn)云掃描。不同于在洞外對(duì)巖壁進(jìn)行掃描，洞窟內(nèi)的壁畫遍布洞四周的墻壁以及洞頂。因此在掃描時(shí)，要保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集360°無缺漏。

GLS-1500掃描儀具有一個(gè)特點(diǎn)：豎直放置時(shí)掃描角度為水平向上35°，水平向下35°。如果以豎直放置的方式進(jìn)行掃描，則無法完成洞窟內(nèi)頂部壁畫的掃描，必然會(huì)在掃描數(shù)據(jù)中留下空洞。因此，在采集過程中，配置了傾斜云臺(tái)，使掃描儀可以以任意的角度旋轉(zhuǎn)，這樣就可以完成360°無死角的掃描工作了。

2)洞內(nèi)數(shù)據(jù)模型制作。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)是非連續(xù)的離散點(diǎn)，為了更好地展示壁畫，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作生成表面連續(xù)的模型。根據(jù)高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作的TIN模型可以最大程度地詳細(xì)表達(dá)壁畫的紋理、結(jié)構(gòu)和凹凸(如圖8所示)，可以更加清晰具體地保存這些古老而精美的壁畫。

圖8 各個(gè)方向的壁畫模型

四、結(jié)束語(yǔ)

完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、立面圖和TIN模型的制作后，便可將其打印成圖或以電子形式歸入信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣，數(shù)據(jù)庫(kù)中不僅包含每個(gè)古建筑維護(hù)項(xiàng)目的影像數(shù)據(jù)和立面圖圖紙，還有精確反映文物坐標(biāo)信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、精確且連續(xù)的文物表面信息(TIN模型)。從而實(shí)現(xiàn)了文物在尺寸、顏色、位置、結(jié)構(gòu)等方面長(zhǎng)久保存的目的，且保存的數(shù)據(jù)可方便地和未來的新測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，便于工作人員對(duì)文物的風(fēng)蝕、水蝕及其他自然現(xiàn)象所引起的變化及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并快速高效地進(jìn)行分析和修繕。

[1]冉啟兵．古建筑修復(fù)測(cè)繪方法的研究[J]．福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，7(1)：19-21．

[2]王莫 ．三維激光掃描技術(shù)在故宮古建修繕工程中的應(yīng)用研究[J]．世界建筑，2010(9)：146-147．