不可移動(dòng)文物保護(hù)數(shù)字化及虛擬展示
——以敦煌莫高窟96窟為例

李克恭, 汪萬福

(1.甘肅省測(cè)繪工程院, 蘭州 730000; 2.敦煌研究院, 甘肅 敦煌 736200)

不可移動(dòng)文物是指古文化遺址、古墓葬、古建筑、石窟寺、石刻、壁畫、近代現(xiàn)代重要史跡和代表性建筑等,是針對(duì)可移動(dòng)文物而言的,不可移動(dòng)文物是人類在社會(huì)活動(dòng)中遺留下來的具有歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值的遺物和遺跡[1],由于時(shí)代久遠(yuǎn),受自然環(huán)境侵蝕、極端氣候和城市化進(jìn)程的加快等因素影響,其保護(hù)面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn),通過文物數(shù)字化不僅可搶救性記錄文物現(xiàn)狀,而且還可實(shí)現(xiàn)文物資源由物質(zhì)資源向數(shù)字資源的轉(zhuǎn)化,為數(shù)字時(shí)代不可移動(dòng)文物及其承載的文化信息走向公眾,參與教育和價(jià)值觀建構(gòu)、走向世界參與文明互鑒奠定基礎(chǔ)[2]。本文通過對(duì)三維激光掃描和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不可移動(dòng)文物保護(hù)數(shù)字化及虛擬展示方面的應(yīng)用進(jìn)行研究,并以敦煌莫高窟96窟為例,對(duì)形成的技術(shù)路線和方法的科學(xué)性、合理性,以及可操作性進(jìn)行驗(yàn)證,該成果可為其他不可移動(dòng)文物保護(hù)數(shù)字化及虛擬展示提供參考和借鑒。

1 敦煌莫高窟96窟介紹

敦煌莫高窟96窟(簡(jiǎn)稱“96窟”)位于莫高窟上寺石窟群的正中,窟外的紅色木構(gòu)窟檐高達(dá)45 m,依靠山崖而建,氣勢(shì)恢宏,從遠(yuǎn)處觀看,是一座雄偉壯觀的九層樓閣,俗稱九層樓(圖1左圖),它是莫高窟最大的建筑物,也是莫高窟的標(biāo)志性建筑?？邇?nèi)有一尊依山崖而塑的巨型彌勒佛像,高35.5 m,是敦煌石窟中最大的塑像,在唐代時(shí)已稱為“北大像”(圖1右圖)。96窟的營(yíng)造和建成,是莫高窟歷史上的偉大創(chuàng)舉,也是唐代前期國(guó)家強(qiáng)盛、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)繁榮的象征。

圖1 窟外九層樓和窟內(nèi)大佛照片

2 96窟數(shù)字化思路與方法

2.1 總體技術(shù)思路

掃描前收集96窟相關(guān)資料,了解石窟周邊環(huán)境、建筑的結(jié)構(gòu)和大佛營(yíng)造基本情況等信息,接著實(shí)地察看現(xiàn)場(chǎng)情況,結(jié)合所采用的掃描儀性能和參數(shù)指標(biāo),制定具體的掃描實(shí)施方案,合理規(guī)劃設(shè)站點(diǎn)和標(biāo)靶位置。外業(yè)開始掃描前,首先完成儀器的架設(shè),并進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置,確定掃描范圍,掃描結(jié)束后,在內(nèi)業(yè)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理,包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、合并、消噪等工作[3],為三維立體模型重構(gòu)和紋理映射,提供精確可靠的點(diǎn)云模型,這樣也可以加快立體模型重構(gòu)的速度、降低立體模型重構(gòu)的難度,提高重構(gòu)后立體模型的準(zhǔn)確度,接著開展點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重采樣、修補(bǔ)、模型簡(jiǎn)化和紋理映射等工作,建立三維立體模型。同時(shí),對(duì)拍攝的照片飽和度、亮度、紋理細(xì)節(jié)、遮擋雜色等進(jìn)行處理,為后期模型紋理映射做準(zhǔn)備[4]。

2.2 技術(shù)路線流程

96窟數(shù)字化技術(shù)路線流程分為前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理三個(gè)階段,如圖2所示。

圖2 數(shù)字化技術(shù)路線流程

2.3 數(shù)據(jù)采集

2.3.1 掃描儀選擇

96窟數(shù)字化掃描采用了美國(guó)Faro focus 3DX 130三維激光掃描儀,掃描距離0.5～130 m。掃描速度最大976 000 點(diǎn)/s,精度為0.6 mm(10 m處90%反射率),系統(tǒng)測(cè)距誤差±2 mm,角度分辨率為0.009°,集成了具有自動(dòng) 7 000萬像素?zé)o顏色疊加特性的攝像頭。該儀器具有操作簡(jiǎn)單、速度快、精度高、適用范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn),屬于無接觸式的測(cè)量,可以避免手工測(cè)量對(duì)文物造成的損害。

2.3.2 站點(diǎn)和標(biāo)靶設(shè)置

站點(diǎn)的設(shè)置要考慮掃描最佳范圍、站點(diǎn)間重疊度、掃描盲區(qū)、掃描傾角等影響采集精度的因素。為了保證拼接時(shí)的點(diǎn)云精度,兩個(gè)測(cè)站間要3個(gè)標(biāo)靶,標(biāo)靶不能放在一條直線上,在對(duì)同一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行掃描時(shí),每個(gè)公共標(biāo)靶應(yīng)盡可能多地和多個(gè)測(cè)站點(diǎn)保持通視,減少標(biāo)靶點(diǎn)的移動(dòng)次數(shù),96窟共布設(shè)了201站。圖3為一站點(diǎn)掃描現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。

圖3 掃描現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景

2.3.3 實(shí)地掃描

激光掃描儀所采用的工作方式是脈沖激光測(cè)距的方法,采用無接觸式高速激光測(cè)量,以點(diǎn)云的形式獲取掃描物體表面陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù),光斑大小是直接影響掃描儀精度的重要因素,激光具有發(fā)散性,距離儀器越近,激光光斑越小,所以實(shí)際掃描過程中要求掃描儀與目標(biāo)的距離不能太遠(yuǎn),96窟掃描時(shí)絕大多數(shù)站點(diǎn)都是設(shè)置在搭建的腳手架踏板上進(jìn)行的,距離不超過10 m。掃描分辨角度也是影響掃描精度的重要因素,掃描分辨角度決定掃描儀的激光點(diǎn)間距,如果間距太大,就會(huì)損失一些空間信息,96窟掃描分辨率設(shè)置為2 mm為宜。采用內(nèi)置相機(jī)獲取影像數(shù)據(jù),盡可能保留三維空間信息,建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)和所采集影像在空間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系,利于后期紋理映射。掃描過程中要盡量減少被掃描目標(biāo)的材質(zhì)、表面顏色及粗糙度、掃描入射角等造成的精度影響[5-6]。

2.3.4 實(shí)地拍照

由于后期的建模工作需要很多局部細(xì)節(jié)的影像,使用佳能G1X相機(jī)對(duì)佛像、立柱、屋檐、獸脊、地磚、雕紋等進(jìn)行了拍照,作為儀器內(nèi)置相機(jī)拍攝影像的補(bǔ)充,共補(bǔ)充拍影像約1 200張,采用的相機(jī)分辨率為4 352×3 264 dpi。拍攝時(shí)盡量水平方向拍攝,也要避免逆光拍攝,窟內(nèi)光線要充足,以獲取正射影像數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于標(biāo)靶位置,實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)站所處坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換,完成不同測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后合并為一整體,然后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)中掃描到非目標(biāo)物產(chǎn)生的多余數(shù)據(jù)去除、初始點(diǎn)云中的錯(cuò)誤點(diǎn)和誤差點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除工作,以便于后續(xù)的模型重構(gòu)[7]。數(shù)據(jù)預(yù)處理采用Faro Scene軟件,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、抽稀處理,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析,拼接的最大誤差為±12 mm,平均誤差為±5 mm。對(duì)拍攝影像的飽和度、亮度、紋理細(xì)節(jié)、遮擋雜色等進(jìn)行處理,滿足正射的要求。

2.5 三維建模

三維模型的構(gòu)建過程分為點(diǎn)階段、多邊形階段和曲面階段共三個(gè)階段。采用Geomagic軟件進(jìn)行處理,點(diǎn)階段主要進(jìn)行著色點(diǎn)、刪除體外孤點(diǎn)、刪除非鏈接項(xiàng)、補(bǔ)洞、曲率采樣、減少噪聲、刪除冗余點(diǎn)和封裝生成多邊形模型等工作,多邊形階段主要進(jìn)行填充孔、去除特征、光滑打磨、簡(jiǎn)化多邊形、多邊形修復(fù)、編輯邊界等工作,曲面階段主要進(jìn)行生成輪廓線、構(gòu)造曲面片、輪廓線處理、曲面生成等工作,得到光滑逼真的表面模型[8]。

2.6 紋理映射

采用Geomagic軟件,將佛像點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件,經(jīng)去噪、抽稀、封裝、生成三角網(wǎng)等過程進(jìn)行三維建模,采用基于3D Max平臺(tái)的M-cloud軟件進(jìn)行九層樓結(jié)構(gòu)化的建模[6],采用Photoshop軟件將拍攝的原始影像轉(zhuǎn)換為正射影像。對(duì)九層樓和大佛采用人工交互的方法,基于3D Max平臺(tái),進(jìn)行逐面精細(xì)映射,最后整體渲染生成三維立體模型,構(gòu)建的96窟九層樓和大佛三維立體模型如圖4所示。

圖4 96窟九層樓和大佛立體模型

2.7 精度評(píng)價(jià)

本次掃描精度檢測(cè)采用比較法,通過實(shí)地量測(cè)兩點(diǎn)距離,以此評(píng)價(jià)處理完的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度,本次精度檢測(cè)共抽查15處位置,其中10處位置的精度誤差在1 mm以內(nèi),占比為66.7%, 4處位置的精度誤差在1～2 mm,占比為26.7%, 1處位置的精度誤差在3 mm,占比為6.6%,檢測(cè)點(diǎn)情況分析如表1所示。

表1 檢測(cè)點(diǎn)情況分析

經(jīng)過檢查對(duì)比,處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度較高,完全滿足測(cè)量要求,符合預(yù)期不超過±3 mm的要求,達(dá)到了96窟數(shù)字化存檔的要求。對(duì)于數(shù)據(jù)處理過程出現(xiàn)的誤差,可以通過改善計(jì)算精度、降低點(diǎn)轉(zhuǎn)換誤差,以及優(yōu)化模型重構(gòu)精度等措施,減少精度損失。

3 圖件制作方法

采用Geomasic軟件,對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過平面投影處理,從而得到投影后的平面點(diǎn)云數(shù)據(jù),將平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入基于AutoCAD平臺(tái)的Pointcloud軟件,然后繪制二維線圖[7],同時(shí)將生成的正射影像圖導(dǎo)入CAD軟件作為背景,結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行立面圖的繪制,彌補(bǔ)點(diǎn)云空缺處。該方法應(yīng)用提高了圖件繪制的可靠性和靈活性[9]。圖5和圖6展示了繪制的部分圖件。

圖5 96窟九層樓和大佛正立面

圖6 96窟九層樓左、右剖面中線

4 虛擬展示系統(tǒng)研制

為進(jìn)一步探索三維掃描數(shù)字化成果的社會(huì)化應(yīng)用和共享服務(wù)模式和方法,在96窟三維掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,采用基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),實(shí)現(xiàn)96窟的虛擬展示系統(tǒng)研發(fā),該技術(shù)以三維全景概念為核心,通過對(duì)三維模型數(shù)據(jù)加工處理,制作成三維全景圖,再通過虛擬展示系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)96窟的360°瀏覽,基于鼠標(biāo)或鍵盤隨意轉(zhuǎn)動(dòng)圖景,或隨意改變視角,以此來獲得立體空間感覺。該技術(shù)手段能夠全面、生動(dòng)、逼真地展示96窟,使其脫離地域限制,有效地實(shí)現(xiàn)資源共享[10-11]。

4.1 技術(shù)路線

首先根據(jù)前期已經(jīng)完成的三維模型通過渲染后,導(dǎo)出全景圖像,再導(dǎo)入研制的虛擬展示系統(tǒng)平臺(tái),基于系統(tǒng)平臺(tái)嵌入視覺效果、背景解說、Flash、視頻等多媒體元素,實(shí)現(xiàn)96窟的虛擬化展示和信息共享。展示效果如圖7所示。

圖7 虛擬展示平臺(tái)效果

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過對(duì)虛擬化技術(shù)特點(diǎn)和展示需求分析,設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能,主要包括96窟概覽、視圖漫游、導(dǎo)航地圖、虛擬導(dǎo)游和互動(dòng)交流等功能。

(1)96窟概覽:96窟基本情況介紹。

(2)視圖漫游:通過鍵盤、鼠標(biāo)或平臺(tái)界面功能按鈕,進(jìn)行視圖放大縮小、平移,旋轉(zhuǎn)等功能操作,進(jìn)行場(chǎng)景瀏覽。

(3)導(dǎo)航地圖:提供地圖導(dǎo)示功能,通過點(diǎn)擊地圖上興趣點(diǎn)標(biāo)志,跳轉(zhuǎn)到需要瀏覽的場(chǎng)景,進(jìn)行瀏覽。

(4)虛擬導(dǎo)游:根據(jù)虛擬解說員語音引導(dǎo),漫游到感興趣位置進(jìn)行瀏覽。

(5)互動(dòng)交流:提供不同文物點(diǎn)信息展示功能,提供點(diǎn)擊視圖中不同位置熱點(diǎn),顯示相關(guān)的文字、圖片、音頻、視頻等信息。

4.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

基于漫游大師軟件進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)96窟概覽、視圖漫游、導(dǎo)航地圖、虛擬導(dǎo)游和互動(dòng)交流等功能,系統(tǒng)功能界面及瀏覽效果場(chǎng)景如圖8～圖10所示。

圖8 場(chǎng)景切換導(dǎo)圖和功能按鈕

圖9 九層樓瀏覽效果場(chǎng)景

圖10 大佛瀏覽效果場(chǎng)景

5 結(jié)論

通過96窟數(shù)字化及虛擬展示應(yīng)用研究得到以下結(jié)論。

(1)驗(yàn)證了三維激光掃描和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不可移動(dòng)文物保護(hù)方面應(yīng)用的前景、應(yīng)用的可行性。研究認(rèn)為目前的三維激光掃描技術(shù)在精度上,完全能夠滿足不可移動(dòng)文物數(shù)字化的精度要求,本次掃描整體空間精度優(yōu)于±3 mm,模型拼接精度優(yōu)于±5 mm。

(2)對(duì)不可移動(dòng)文物保護(hù)實(shí)施三維激光掃描數(shù)字化,不僅可以真實(shí)地留取文物現(xiàn)狀信息,建立數(shù)字化檔案,為將來實(shí)施具體的保護(hù)工作提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ);也可以基于模型數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬修復(fù),為修復(fù)提供行之有效的建議,也可以通過3D打印虛擬修復(fù)結(jié)果,直接服務(wù)于修復(fù),同時(shí)記錄不同修復(fù)階段重要的文物修復(fù)信息數(shù)據(jù),為以后再次修復(fù)或者同類修復(fù)提供科學(xué)的參考。

(3)虛擬展示系統(tǒng)的研制不僅從不同方位、角度有效展示不可移動(dòng)文物全貌,豐富了不可移動(dòng)文物的展示途徑,給人帶來身臨其境的體驗(yàn)。同時(shí)也驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不可移動(dòng)文物保護(hù)展示、宣傳和共享方面的優(yōu)勢(shì),說明該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。