現(xiàn)代測繪技術在故宮景福宮彩畫現(xiàn)狀記錄中的應用

王 莫

(故宮博物院古建部，北京 100009)

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現(xiàn)代測繪技術在故宮景福宮彩畫現(xiàn)狀記錄中的應用

王 莫

(故宮博物院古建部，北京 100009)

在介紹景福宮彩畫現(xiàn)狀及其記錄重要性的基礎上，闡述了應用三維激光掃描技術和數(shù)字攝影測量技術進行景福宮彩畫現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集、處理的全過程，總結出了該方法較傳統(tǒng)彩畫記錄方法所具有的幾點優(yōu)勢。

景福宮，彩畫，三維激光掃描，數(shù)字攝影測量

1 景福宮彩畫現(xiàn)狀及其記錄意義

景福宮位于故宮內廷外東路寧壽宮區(qū)東北部，是寧壽宮東路的主體建筑。宮殿坐北朝南，平面近似正方形，面闊五間，進深三間，四周環(huán)以圍廊，采用三卷棚勾連搭歇山式屋頂，檐下飾蘇式彩畫，為清晚期遺跡。蘇式彩畫是清代官式彩畫的一個主要類別，多應用于裝飾皇家園林建筑，其基本構圖形式分為三種：方心式、包袱式、海墁式。景福宮的蘇式彩畫包含了全部三種形式，且以包袱式為主(見圖1)。位于建筑內檐和外檐內側的彩畫受外界環(huán)境、氣候等因素影響較小，因此大部分保存狀況良好，彩畫顏色、紋飾清晰，只是表面灰塵較厚；而在建筑外檐外側的彩畫由于直接經(jīng)受日曬雨淋，溫、濕度變化較大等原因，殘損情況則較為嚴重，表面出現(xiàn)了不同程度的開裂、起翹、剝落，特別是彩畫褪色明顯，并且局部有水漬痕跡，致使紋飾晦暗不清。

彩畫是中國傳統(tǒng)木構古建筑的重要組成部分，也是中國木構古建筑的主要特征之一。除了對木構的保護和美化兩大功能，彩畫還是明確顯示建筑用途和等級的一種形象“語言”。但由于自身原材料的耐老化性能比較低等原因，彩畫的存留時間比建筑上的木、石、磚瓦等構件要短得多。景福宮的蘇式彩畫具有明顯的時代特征，攜帶著大量工程技術和人文方面的歷史信息，為我們研究清晚期的官式蘇畫以及晚清社會形態(tài)與社會發(fā)展均提供了有力物證。所以，我們有責任把景福宮彩畫現(xiàn)狀真實、完整地記錄下來，并使之長久留存，這對于中國傳統(tǒng)文化的傳承具有重要意義。

鑒于景福宮彩畫現(xiàn)狀記錄的重要性，為了能夠完整記錄繪制于立體構件上的彩畫的幾何形態(tài)與色彩信息，最大限度地反映出彩畫的真實面貌，我們決定運用近些年在測量界快速發(fā)展起來的三維激光掃描技術和數(shù)字攝影測量技術開展此次彩畫現(xiàn)狀的記錄工作。我們將結合兩項新技術各自的優(yōu)點，把掃描儀獲取的彩畫空間位置信息，作為其攝影測量成果的定位及尺寸基準，以完成真實坐標三維模型和彩畫展開圖的制作。

2 景福宮彩畫現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的采集

2.1 使用設備

我們選用Surphaser 25HSX三維激光掃描儀(如表1所示)和佳能EOS 5D Mark Ⅲ數(shù)碼單反相機(如表2所示)進行景福宮彩畫現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的采集。

該設備是目前市場上速度最快、精度最高的地面型三維激光掃描儀，工作穩(wěn)定可靠；但缺點是設備的電源外置，集成度差，掃描時需要同計算機聯(lián)接操作。

表1 Surphaser 25HSX三維激光掃描儀的主要參數(shù)表

表2 佳能EOS 5D Mark Ⅲ數(shù)碼單反相機的主要參數(shù)表

在拍攝彩畫構件照片的過程中，為確保彩畫紋理的拍攝質量，我們選用了佳能24 mm～70 mm鏡頭。

2.2 三維激光掃描

我們首先在景福宮院內布設了6個控制點，并利用原有控制點將景福宮數(shù)據(jù)納入了故宮的整體坐標系當中，這樣做有利于景福宮數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與綜合利用。隨后，為了快速、準確拼接多站點云數(shù)據(jù)，我們還在景福宮院內粘貼了諸多平面標靶。標靶的布設以均勻分布，且保證相鄰測站間至少有3個同時可見為原則。當公共標靶被不同測站使用的次數(shù)越多時，這幾個測站間的拼接精度就會越高。

掃描站點的布設需要考慮各個測站之間的互補性，相鄰測站的通視性，測站覆蓋的全面性等多個方面。在保證掃描精度的前提下，通常選取盡可能少的站點來覆蓋整體目標。因此，三維激光掃描宜從高、中、低角度結合進行。我們根據(jù)掃描站位的遠近及掃描精度要求將Surphaser掃描儀的參數(shù)設置為24×24或60×60，即橫、縱方向上每度分隔內均有24個或60個激光測距點(三維激光掃描儀實際都是按角度分辨率工作的)；儀器與目標的掃描距離基本控制在0.5 m～3 m范圍內。此次針對景福宮彩畫構件及其院落環(huán)境共布設了90個掃描站點，原始點云的數(shù)據(jù)量總計約為35.6 G。

2.3 數(shù)字攝影測量

我們在拍攝用于彩畫構件建模的照片(如圖2所示)時遵循以下原則：

1)根據(jù)成果影像輸出分辨率為150 dpi的要求，控制好拍攝距離，并盡可能拍攝較小范圍的照片；2)相機鏡頭應與被拍攝彩畫保持平行，且相鄰照片之間的覆蓋率為50%以上；對于非平面部位應適當變換拍攝角度，并確保該部位被拍攝到至少2次以上；3)要根據(jù)彩畫構件的具體情況布設閃光燈，通過調整輔助光源的位置和光照強度，以及增加局部反光面等方法進行補光拍攝；4)在相同的光線條件下，需拍攝一張色卡，用于照片處理過程中的色彩校正。

佳能EOS 5D Mark Ⅲ數(shù)碼單反相機的拍攝參數(shù)設置如下：

1)采用數(shù)碼相機的P檔進行拍攝；2)測光模式采用點測光，單點對焦和多點對焦結合使用；3)光圈范圍控制在8～16之間，一般情況下設置為16；4)選用24 mm～70 mm鏡頭，在拍攝環(huán)境允許的情況下，鏡頭焦距設置為50 mm左右；在環(huán)境不允許的情況下，要根據(jù)拍攝對象所處空間的可操作性確定焦距，但鏡頭焦距均控制在24 mm～50 mm之間；5)感光度設置在ISO100～IOS400之間，這樣能保證將照片的噪點控制在可接受范圍內。

此次，我們共拍攝了10 922張景福宮彩畫構件的照片，數(shù)據(jù)量總計約為375.8 G。

3 景福宮彩畫現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的處理與成果展示

3.1 點云拼接

利用全站儀控制網(wǎng)內的標靶坐標，我們將獲得的多站掃描數(shù)據(jù)拼接到一起，形成了完整的景福宮建筑點云。具體方法為：

1)直接將全站儀所測標靶數(shù)值導入點云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone中，并對每站點云數(shù)據(jù)中的標靶進行識別和命名，之后采用點云約束的方式執(zhí)行拼接；2)對誤差大于5 mm的拼接約束進行檢查，調整其權重，或刪除某些明顯錯誤的約束；3)如果拼接精度達不到要求，則要增加特征點匹配，直到所有站的拼接誤差均小于5 mm為止，且同時檢查拼接后點云的正確性。

此次，景福宮多站點云數(shù)據(jù)的拼接精度基本控制在1 mm～4 mm范圍內。

3.2 照片處理

我們要先利用色卡識別工具軟件，通過色卡照片制作出該條件下的色彩校正配置文件；再將彩畫照片的無損格式文件導入圖像處理軟件Lightroom中，調整好陰影和高光(即把照片中的暗處調亮、曝光過度部分調正常)后，用剛制作出的色彩校正配置文件對其進行色彩校正，與此同時，啟用軟件中的“鏡頭校正”功能對彩畫照片進行鏡頭畸變校正；最后，為保留照片細節(jié)，需將經(jīng)過色彩和鏡頭畸變校正的彩畫照片文件以不壓縮的TIFF格式導出。

3.3 彩色紋理模型構建

我們先在攝影測量軟件Photoscan中加載完成校正的TIFF格式彩畫照片，并在照片上設置控制點；再從拼接好的景福宮建筑點云中量取所需控制點的空間坐標；將控制點的坐標值輸入Photoscan后，軟件就能進行攝影測量的計算處理工作了，其主要步驟包括：

1)對齊照片。采用中等精度對齊，可生成稀疏的點云(見圖3)；2)生成密集的彩色點云。點云生成質量設置為高精度，此時點間距多數(shù)在0.6 mm左右；3)構建模型。構建的模型種類為三角網(wǎng)模型，網(wǎng)格面數(shù)設置為高；4)紋理貼圖。需要根據(jù)構件大小來確定貼圖用的紋理尺寸。通過攝影測量軟件計算生成的彩色紋理模型(見圖4)，其紋理與模型是完全吻合的。

3.4 展開圖制作

從攝影測量軟件中導出OBJ格式的彩色紋理模型后，我們先使用三維建模軟件Rhino中的“壓扁”命令把模型展開，并同樣以OBJ格式輸出；再在三維動畫渲染與制作軟件3D Max中打開該展開模型，執(zhí)行“渲染”命令，設置好輸出圖像的大小和JPG格式，即完成了彩色紋理模型的展開圖(如圖5所示，注：白色區(qū)域為木棍遮擋部位)制作。

展開圖按照150 dpi的分辨率輸出，其尺寸誤差在1 mm左右。

4 現(xiàn)代測繪技術用于彩畫現(xiàn)狀記錄的優(yōu)勢

徒手測量與拍照相結合的現(xiàn)狀記錄方法在古建界已被沿用了很長時間，較之這種傳統(tǒng)的彩畫記錄方法，現(xiàn)代測繪技術的應用具有以下幾點明顯優(yōu)勢：

第一，有利于彩畫遺跡的保護。徒手測量時使用的鋼卷尺容易把老彩畫酥松的瀝粉痕跡以及單皮灰地仗的起翹部位破壞。而無論是進行三維激光掃描還是數(shù)字攝影測量，操作人員及設備均不會與彩畫產(chǎn)生直接接觸，所以也就不會對彩畫遺跡造成任何損壞。

第二，數(shù)據(jù)的采集速度快。在徒手測量建筑構件和彩畫大線尺寸前要先搭建好大量靠近古建筑的腳手架。與之相比，三維激光掃描儀不但測量速度快，而且現(xiàn)場只需臨時搭建少量腳手架，這些都大大縮減了數(shù)據(jù)的采集時間，提高了工作效率。

第三，獲取信息豐富。除了彩畫的紋樣線條、色彩和殘損情況等常規(guī)信息外，應用現(xiàn)代測繪技術還能記錄下傳統(tǒng)方式無法獲取的構件空間形態(tài)與所有空間尺寸，繪制于立體構件上的彩畫將因此得到完整、直觀地展現(xiàn)。

第四，數(shù)據(jù)的準確性高。由于拍照時不能確保正視角度，且相機鏡頭存在畸變，所以照片(特別是邊緣處)變形明顯，而其中的彩畫紋樣也難免失真。但在經(jīng)過攝影測量軟件精確計算后，由糾正了鏡頭畸變的照片所構建出的彩色三維模型不存在變形，因此模型上的紋飾圖案也沒有任何變形，這就使彩畫的紋飾特征得以真實記錄。另外，在拍照過程中放置色卡，并利用軟件進行色彩校正的工作步驟，還有效解決了日常拍攝時照片色彩還原度差的問題。

第五，數(shù)據(jù)的利用價值高。真實坐標三維模型具有廣泛的應用性，設計人員可根據(jù)工程需要，利用其制作出各種形式的成果文件，如彩畫展開圖、正射影像圖等；亦可利用三維模型詳細統(tǒng)計出彩畫殘損部分的表面積等設計所需數(shù)值。

綜上所述，現(xiàn)代測繪技術能夠在不接觸彩畫的條件下快速、全面、準確地采集現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理成果以各種形式直觀展現(xiàn)，它比目前使用的傳統(tǒng)方法更加符合專業(yè)人員的實際需求，因此古建筑彩畫的現(xiàn)狀記錄工作應當逐漸改用現(xiàn)代測繪技術，這是大勢所趨，也是測繪技術進步帶來的必然結果。

[1] 劉 榕.靜怡軒的建筑淵源及其復原設計[J].故宮博物院院刊，2005(5)：172-189.

[2] 楊 紅.故宮建福宮區(qū)主軸線建筑油飾彩畫保護修復設計研究[A].中國文物保護技術協(xié)會第六次學術年會論文集[C].2010：196-215.

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

Application of modern surveying-mapping technology in colour painting status record of Gyeongbok Palace in the Imperial Palace

Wang Mo

(DepartmentofArchitecture,thePalaceMuseum,Beijing100009,China)

Based on introducing colour painting status and recording importance of Gyeongbok Palace, the paper describes whole data collecting and processing process of Gyeongbok Palace colour painting by applying three-dimension laser scanning technology and digital photometry technology, and summarizes its advantages comparing to traditional colour painting recording method.

Gyeongbok Palace, colour painting, three-dimension laser scanning, digital photometry

1009-6825(2017)14-0221-03

2017-03-02

王 莫(1980- )，女，館員

TU198

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