石刻文物三維數(shù)字化技術(shù)探討與優(yōu)化應(yīng)用

摘 要：文章對(duì)近景攝影測(cè)量、三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，通過(guò)技術(shù)流程優(yōu)化，將兩者融合應(yīng)用于石刻文物數(shù)字化，以南京萬(wàn)安陵石刻為應(yīng)用案例，表明改進(jìn)后的技術(shù)流程彌補(bǔ)了單一技術(shù)存在的不足，提高了石刻文物數(shù)字化成果質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：石刻文物；三維數(shù)字化；近景攝影測(cè)量；三維激光掃描

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.14.031

0 引言

當(dāng)前，以近景攝影測(cè)量、三維激光掃描為代表的數(shù)字化技術(shù)，在石刻文物保護(hù)工作中不斷得到應(yīng)用，為石刻文物現(xiàn)狀記錄、病害調(diào)查與評(píng)估、保護(hù)修復(fù)等提供了技術(shù)條件①。在我國(guó)不可移動(dòng)文物的分類(lèi)中，石刻文物作為“石窟寺及石刻”的類(lèi)別，與古遺址、古墓葬、古建筑、近現(xiàn)代建筑及史跡并列②，是我國(guó)不可移動(dòng)文物中的一個(gè)大類(lèi)。第三次全國(guó)文物普查資料顯示，全國(guó)共有24422處石窟寺和石刻③。然而，受自然侵蝕、人為破壞等因素影響，石刻文物的保護(hù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近景攝影測(cè)量、三維激光掃描等數(shù)字化技術(shù)能夠準(zhǔn)確記錄石刻文物本體現(xiàn)狀信息，為石刻文物數(shù)字存檔、虛擬修復(fù)、病害監(jiān)測(cè)以及多樣化展示等提供三維數(shù)據(jù)。相關(guān)技術(shù)在石刻文物保護(hù)中已得到較多應(yīng)用，如莫高窟④、三峽庫(kù)區(qū)古文物存檔⑤，云岡石窟第一窟三維信息留存⑥，安岳圓覺(jué)洞10號(hào)龕數(shù)據(jù)采集⑦等。但單一的技術(shù)還存在不足，需要對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步研究，并改進(jìn)工藝，提高數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用能力，以面對(duì)石刻文物復(fù)雜的保存條件和豐富形制。

1 石刻文物三維數(shù)字化技術(shù)特點(diǎn)

1.1 近景攝影測(cè)量技術(shù)

近景攝影測(cè)量是通過(guò)攝取目標(biāo)物的多個(gè)不同位置和角度的像片，利用像片上的特征點(diǎn)進(jìn)行像點(diǎn)匹配，將匹配的像點(diǎn)轉(zhuǎn)化為真實(shí)世界中的三維坐標(biāo)，從而確定目標(biāo)物的大小、形狀和幾何位置（圖1）。

近景攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：非接觸測(cè)量，即無(wú)需接觸測(cè)量目標(biāo)，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生傷害，不會(huì)干擾被測(cè)物自然狀態(tài)；紋理細(xì)節(jié)豐富，基于像片生成的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維模型具有像片紋理信息，能夠直觀精細(xì)地反映測(cè)量目標(biāo)的外觀特點(diǎn)。

同時(shí)，近景攝影測(cè)量存在明顯的不足，即生成的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維模型的幾何精度直接受限于像片質(zhì)量。石刻文物通常保存環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)條件十分局限，導(dǎo)致像片采集的數(shù)量、重疊度不足，不能滿足高精度密集點(diǎn)云生成及三維建模需要，得到的石刻文物模型往往存在結(jié)構(gòu)缺失、變形等問(wèn)題，不利于后期對(duì)石刻文物進(jìn)行虛擬修復(fù)、病害調(diào)查、監(jiān)測(cè)評(píng)估等實(shí)際應(yīng)用。

1.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)發(fā)射激光束并接收從物體表面反射回來(lái)的光信號(hào)來(lái)獲取空間信息，根據(jù)測(cè)量距離和角度，解析計(jì)算出空間三維坐標(biāo)。計(jì)算公式如下：

式中X、Y、Z為被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)空間坐標(biāo)，S為掃描儀到被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的距離，α為橫向掃描角度，θ為縱向角度。

目前，三維激光掃描技術(shù)發(fā)展已相對(duì)成熟，三維激光掃描儀品牌、型號(hào)也較為豐富。根據(jù)測(cè)距原理不同、掃描儀架設(shè)方式不同，掃描儀具有不同分類(lèi)。根據(jù)測(cè)距原理不同，三維激光掃描儀可分為脈沖式和相位式兩種。根據(jù)儀器架設(shè)方式不同，三維激光掃描儀可分為移動(dòng)式（無(wú)人機(jī)載、車(chē)載、背包式）、地面架站式、手持式等不同類(lèi)型。

三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)主要有非接觸測(cè)量、高精度、高效率、自動(dòng)化程度高、適用性強(qiáng)等。在面對(duì)不同作業(yè)環(huán)境、不同形態(tài)的被測(cè)物體時(shí)，可選擇不同類(lèi)型的掃描儀器開(kāi)展三維掃描作業(yè)。例如：移動(dòng)式三維激光掃描儀設(shè)站靈活、作業(yè)效率高，但精度相對(duì)較低，一般測(cè)量精度僅能達(dá)到厘米級(jí)；地面架站式三維激光掃描儀需要通過(guò)多次架站獲取整個(gè)被測(cè)物體的完整數(shù)據(jù)，作業(yè)效率較低，但測(cè)量精度高，可達(dá)毫米級(jí)；手持式三維激光掃描儀基于光柵測(cè)量原理，測(cè)距短（通常小于1米），測(cè)量速度慢，但測(cè)量精度極高，一般優(yōu)于亞毫米級(jí)，適用于石刻文物精細(xì)紋飾的掃描測(cè)量。

相較于近景攝影測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)的不足主要是對(duì)被測(cè)物體豐富紋理細(xì)節(jié)的獲取能力有限。雖然當(dāng)前三維激光掃描儀器多數(shù)內(nèi)置有CCD相機(jī)，可同步獲取被測(cè)物體的照片，通過(guò)后期處理，可賦予三維點(diǎn)云真實(shí)紋理色彩，但由于內(nèi)置相機(jī)分辨率通常不高，難以反映被測(cè)物體全部紋理細(xì)節(jié)。另外，三維激光掃描點(diǎn)云為離散點(diǎn)的集合，在數(shù)據(jù)分析、展示應(yīng)用時(shí)較為不便，需要構(gòu)建成由三角面組成的表面模型，而建模后紋理細(xì)節(jié)將進(jìn)一步損失。通?？衫眉y理映射軟件，對(duì)構(gòu)建的三維模型進(jìn)行紋理貼圖，以優(yōu)化模型紋理質(zhì)量，但該操作難度大、效率低。因此，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行石刻文物數(shù)字化時(shí)，一般成果僅以三維點(diǎn)云形式存在，限制了數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力。

2 石刻文物三維數(shù)字化技術(shù)流程優(yōu)化

通過(guò)對(duì)近景攝影測(cè)量、三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)的分析，結(jié)合其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行作業(yè)流程優(yōu)化（圖2）。

2.1 三維激光掃描測(cè)量

根據(jù)石刻文物所處環(huán)境、形態(tài)現(xiàn)狀，選擇適用的三維激光掃描設(shè)備采集高精度、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用標(biāo)靶或特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，對(duì)配準(zhǔn)后點(diǎn)云進(jìn)行去噪、濾波、采樣等預(yù)處理，消除數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤和冗余信息，增強(qiáng)點(diǎn)云特征，提高建模的準(zhǔn)確性和效率。

基于處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用三角剖分、泊松重建⑧等算法生成物體的表面模型。表面重建是點(diǎn)云建模的核心步驟之一，它通過(guò)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維曲面模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體形狀和結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確描述。

2.2 近景攝影測(cè)量

利用相機(jī)拍攝石刻文物的影像，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)有至少2幅影像，以獲得該目標(biāo)點(diǎn)的空間信息，使用3張以上的影像可以獲得更好的效果⑨。利用特征點(diǎn)進(jìn)行影像匹配，確定不同影像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。影像匹配是三維重建的關(guān)鍵步驟之一，其準(zhǔn)確性直接影響重建結(jié)果的精度。

利用影像密集匹配算法，從二維影像中恢復(fù)三維信息。通過(guò)比較同一場(chǎng)景的2張或多張影像之間的相似性，計(jì)算影像間的視差，從而重建出物體的三維點(diǎn)云?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)，重建出物體的表面模型。

2.3 融合建模

被測(cè)物體的三維幾何模型，可以通過(guò)三維激光掃描、近景攝影測(cè)量技術(shù)獲得。相較于近景攝影測(cè)量方法，基于激光掃描點(diǎn)云構(gòu)建的三維幾何模型具有更高精度和完整度。建模過(guò)程中，近景攝影測(cè)量幾何模型被以激光掃描點(diǎn)云構(gòu)建的3D幾何模型取代，后續(xù)紋理自動(dòng)映射基于攝影測(cè)量原理，在3D幾何模型上準(zhǔn)確地映射出真實(shí)的影像信息，從而生成具有真實(shí)感和逼真度的3D模型物體。

3 石刻文物三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用

萬(wàn)安陵是中國(guó)南北朝時(shí)期南朝陳高祖陳霸先的陵寢。今存天祿和麒麟各1。北獸似天祿，長(zhǎng)2.50米，高2.57米，比較完整；南獸似麒麟，長(zhǎng)2.72米，高2.28米，頸部斷裂，胸部碎裂，風(fēng)化嚴(yán)重。兩石獸體形較大，造型樸實(shí)、線條簡(jiǎn)潔。

運(yùn)用三維激光掃描和近景攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)天祿、麒麟石刻進(jìn)行三維數(shù)字化建模。操作流程如下：

①采用Trimble TX8三維激光掃描儀，在石刻周?chē)苷静杉c(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整掃描儀位置及掃描高低角度，以完整覆蓋石刻文物。利用Realworks點(diǎn)云處理軟件，進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)、去噪、采樣處理，獲取石刻點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖3）。利用Geomagic Studio反向建模軟件，利用網(wǎng)格醫(yī)生和特征增強(qiáng)功能，在建模時(shí)優(yōu)化幾何模型，構(gòu)建石刻高精度3D幾何模型（圖4）。

②采用Canon EOS 5DS相機(jī)開(kāi)展近景攝影測(cè)量，該相機(jī)有效像素約5300萬(wàn)，能夠滿足高精度攝影要求。圖像拍攝時(shí)，相鄰圖像重疊度保持大于70%，保證每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)至少有3張圖像。采用Mateshape攝影測(cè)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)像點(diǎn)匹配、空三計(jì)算、密集點(diǎn)云匹配、三維幾何建模、紋理映射，完成近景攝影測(cè)量全流程處理。其中，空三計(jì)算時(shí)以三維激光掃描點(diǎn)云的特征點(diǎn)坐標(biāo)作為像控點(diǎn)，保證近景攝影測(cè)量與三維激光掃描處于同一坐標(biāo)系下，便于進(jìn)行兩者的融合建模。

③將三維激光掃描獲取的石刻三維幾何模型導(dǎo)入Mateshape攝影測(cè)量軟件，替換基于近景攝影圖像生成的3D幾何模型，重新提交紋理映射處理，得到附有圖像紋理信息的三維模型。紋理映射時(shí)，自定義紋理映射分辨率，保持原圖像分辨率進(jìn)行映射貼圖，并開(kāi)啟色彩自動(dòng)校正，以提高紋理映射質(zhì)量（圖5）。

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，完成萬(wàn)安陵石刻文物的三維數(shù)字化，獲取了石刻三維激光點(diǎn)云、三維幾何模型、真實(shí)三維模型數(shù)字化成果。其中，三維幾何模型完整、精細(xì)，準(zhǔn)確地還原了石刻文物的幾何形態(tài)，包括細(xì)小的缺損、裂縫等病害。同時(shí)，紋理映射三維模型附有真實(shí)的影像信息，真實(shí)感強(qiáng)，清晰記錄了石刻存在的風(fēng)化侵蝕痕跡。數(shù)字化成果不僅能夠滿足萬(wàn)安陵石刻文物現(xiàn)狀信息留存保護(hù)，同時(shí)能夠較好地滿足文物病害調(diào)查評(píng)估、虛擬修復(fù)、文物展示等不同應(yīng)用需求。

4 總結(jié)

本文從石刻文物數(shù)字化保護(hù)需求出發(fā)，對(duì)以三維激光掃描、近景攝影測(cè)量為代表的數(shù)字化技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。通過(guò)優(yōu)化技術(shù)流程，將兩者技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)石刻文物的高精度、高真實(shí)感三維建模，為今后開(kāi)展石刻文物的數(shù)字化保護(hù)提供了新的技術(shù)路徑。

注釋

①李樹(shù)坤，侯妙樂(lè)，吳育華，等.石質(zhì)文物三維信息留存與應(yīng)用[J].城市勘測(cè)，2013（2）：85-88.

②姜宇辰，安逸飛，王子駿，等.基于數(shù)字化三維建模技術(shù)對(duì)西山永定河文化帶數(shù)字化石碑石刻資料庫(kù)建設(shè)研究[J].文物鑒定與鑒賞，2022（8）：124-127.

③劉世錦.中國(guó)文化遺產(chǎn)事業(yè)發(fā)展報(bào)告[M].北京：社科文獻(xiàn)出版社，2010：278.

④劉剛，張俊，刁常宇.敦煌莫高窟石窟三維數(shù)字化技術(shù)研究[J].敦煌研究，2005，92（4）：104-108．

⑤朱宜萱，周月琴，李?lèi)?ài)勤.三峽庫(kù)區(qū)古文物古建筑的攝影測(cè)量與數(shù)字化存檔研究[J].測(cè)繪通報(bào)，1998（2）：27-28．

⑥吳育華，侯妙樂(lè)，張玉敏.三維激光掃描技術(shù)在巖土文物保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)展與方向[J].地理信息世界，2011，9（2）：53-57.

⑦楊盛，吳育華，F(xiàn)elix Horn，等.三維激光掃描技術(shù)在安岳圓覺(jué)洞10號(hào)龕保護(hù)中的應(yīng)用[J].文物科技保護(hù)，2012（2）：74-77.

⑧宋宏戈.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維重建算法研究[D].太原：中北大學(xué)，2024.

⑨成果.近景攝影測(cè)量在結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2024（S2）：107-109，114.