田繼成，羅宏，吳邵明

(大同市勘察測(cè)繪院，山西大同 037000)

1 引言

云岡石窟是我國(guó)三大石窟藝術(shù)寶庫(kù)之一，全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，至今已有1500多年的歷史，2001年被列入世界文化遺產(chǎn)名錄?，F(xiàn)存洞窟40多個(gè)，佛龕1200多個(gè)，石雕造像5萬(wàn)多尊。在自然界不可抗力的作用下，石窟的崩塌、風(fēng)化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。為更好地保護(hù)這一珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，云岡石窟研究院自上世紀(jì)60年代以來(lái)，應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)石窟實(shí)施了多種搶救和保護(hù)工程。然而，石窟的調(diào)查和測(cè)繪一直都是困擾文物工作者的難點(diǎn)，目前尚沒有全面系統(tǒng)的洞窟現(xiàn)狀調(diào)查和測(cè)繪報(bào)告，文物保護(hù)和修復(fù)工作面臨困難，三維激光掃描技術(shù)為解決這一難題提出新思路。本文以云岡石窟13窟數(shù)字化為例，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行研究，為石窟寺的數(shù)字化提供有利參考。

2 云岡石窟13窟概況

云岡石窟13窟位于云岡窟群中區(qū)的最西端。這個(gè)洞窟屬云岡第二期工程，又名文殊菩薩洞。穹隆窟頂，主像為交腳彌勒菩薩，高 13 m，頭戴寶冠，頸部戴懸鈴項(xiàng)圈及瓔珞，胸佩蛇飾，雙首啣珠。右手臂肘下，一力士四臂奮力托舉，勢(shì)若拔山。該像經(jīng)后代包泥彩繪，原雕僅見雙足踏蓮。東壁龕像，殿堂飛閣，流蘇帷帳，神龍躍動(dòng)，盡顯漢風(fēng)。南壁明窗與窟門之間屋形大龕內(nèi)，七立佛造像氣韻高雅。

3 云岡石窟13窟數(shù)字化流程

3.1 云岡石窟三維數(shù)字化

云岡石窟三維數(shù)字化就是要利用各種先進(jìn)的硬件技術(shù)及軟件工具，以最精細(xì)、最合理的技術(shù)手段和方法采集并記錄下石窟的真實(shí)現(xiàn)狀，完整保留全面、準(zhǔn)確、細(xì)致的三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而還原出合理的、使參與者能近距離地觀察、直至互動(dòng)的虛擬世界，將云岡石窟清晰的展現(xiàn)出來(lái)，如圖1所示。

圖1 云岡石窟數(shù)字化流程圖

3.2 外業(yè)掃描以及紋理采集

(1)三維激光掃描

外業(yè)采用不同性能的三維激光掃描儀對(duì)文物采用多角度交叉式高精度掃描，以精度為 0.3 mm的探索者三維激光掃描儀對(duì)石窟內(nèi)壁部特征進(jìn)行采集;中間以中等精度掃描儀進(jìn)行普及掃描;石窟外圍整體立面采用Leica ScanStation C10三維激光掃描儀做大場(chǎng)景控制;以近距手持型掃描儀作為細(xì)部及空間不便掃描位置的數(shù)據(jù)補(bǔ)充，這樣可以采集文物最全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)以測(cè)量專業(yè)為背景，對(duì)石窟現(xiàn)場(chǎng)做控制點(diǎn)布設(shè)。測(cè)量基準(zhǔn)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集根據(jù)云岡石窟的特點(diǎn)應(yīng)該滿足下列要求:

①測(cè)量基準(zhǔn)

a.平面基準(zhǔn)采用1980國(guó)家坐標(biāo)系。

b.高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

c.時(shí)間基準(zhǔn)應(yīng)采用公元紀(jì)年、北京時(shí)間。

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

a.掃描文件宜采用“日期”+“工程名”的方式命名。掃描站宜采用“順序號(hào)”+“掃描站位置”的方式命名，掃描站位置用草圖簡(jiǎn)要描述。

b.掃描分辨率的設(shè)置視不同工程、不同精度要求而不同，應(yīng)遵循表1的規(guī)定。

點(diǎn)云采樣等級(jí)分類 表1

c.測(cè)站間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊度不低于30%。

d.掃描過(guò)程中如果儀器工作出現(xiàn)異常，如斷電、死機(jī)等原因、或者儀器位置出現(xiàn)變化，重新開始掃描。

(2)影像數(shù)據(jù)采集

對(duì)原始的彩色紋理采集采用兩種方式:一種是與掃描儀同軸的高清像機(jī)采集，用于高精模型的映射;另一種則是全角度的近景拍攝，用于渲染展示模型的貼圖。在石窟內(nèi)采集紋理過(guò)程中為保證色彩還原、分辨率、位置關(guān)系，采用佳能EOS 5D MarkⅢ機(jī)身+EF紅圈(24 mm～105 mm)鏡頭的套機(jī)，在特定的環(huán)境下做石窟做紋理采集。同時(shí)劃分區(qū)域，確保拍攝佛像的完整性，細(xì)致。

a.影像采集應(yīng)使用滿足分辨率要求的單反相機(jī)，單張相片相幅設(shè)置到相機(jī)的最大分辨率。

b.拍攝角度:盡可能保持鏡頭正對(duì)目標(biāo)面。特殊情況導(dǎo)致無(wú)法正面拍攝全景時(shí)，先拍攝部分全景，再逐個(gè)正對(duì)拍攝，后期再進(jìn)行合成。

c.拍攝光線:應(yīng)選擇光線較為柔和均勻的天氣，避免逆光拍攝。能見度過(guò)低或光線過(guò)暗時(shí)不宜拍攝。

d.相鄰照片之間應(yīng)保證有不小于30%的重疊區(qū)域。

(3)去除噪點(diǎn)以及點(diǎn)云拼接

在Cyclone(Cyclone是徠卡公司開發(fā)的一款點(diǎn)云處理軟件，主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的處理，拼接功能)里對(duì)掃描得到的點(diǎn)云進(jìn)行基本處理，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的情況和技術(shù)設(shè)計(jì)要求，我們手動(dòng)選取石窟內(nèi)的特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)拼接，得到13窟的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

各類項(xiàng)目的拼接精度 表2

圖2 拼接完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.3 高精彩色點(diǎn)云的制作

在PTGui軟件(PTGui可以快捷方便地制作出炫目的全景圖片，導(dǎo)入圖片之后配準(zhǔn)鏡頭參數(shù)然后就可以自動(dòng)的拼接和融合為全景圖像)中對(duì)將采集的多張同軸照片進(jìn)行校準(zhǔn)、拼接，形成360°全景照片。將處理完成的同軸360全景照片切成6塊與所對(duì)應(yīng)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)做映射，完成高精彩色點(diǎn)云的數(shù)據(jù)制作。高精彩色點(diǎn)云點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為 0.3 mm，同時(shí)還具有彩色信息。為文物的存檔，修復(fù)提供了準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 彩色點(diǎn)云

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的降噪和抽釋

采用濾波方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理去除存在脫離掃描對(duì)象的異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)。按空間區(qū)域劃分，實(shí)現(xiàn)單元數(shù)據(jù)編組的邏輯關(guān)系，達(dá)到大數(shù)據(jù)全面、小數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的綜合目的，從而避免出現(xiàn)因數(shù)據(jù)大而造成的處理困難和怕數(shù)據(jù)大而造成的缺失;同時(shí)根據(jù)文物的完整性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)在Cyclone中對(duì)整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切塊、抽希。

根據(jù)掃描對(duì)象的特點(diǎn)，我們采用保持特征的抽稀，根據(jù)法向量變化和曲率識(shí)別特征區(qū)域，自適應(yīng)進(jìn)行抽稀，抽稀后點(diǎn)云在比較平坦的地方(法向量近似平行)保留較少的點(diǎn)，在表面曲率較大的地方保留較多的點(diǎn)。這樣既能有效減少數(shù)據(jù)量，有助于軟件的應(yīng)用和操作，同時(shí)比較好的保證數(shù)據(jù)的完整性和輪廓，精度如表3所示。

各類項(xiàng)目的抽吸精度 表3

3.5 內(nèi)業(yè)建模貼圖

(1)將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格模型

將經(jīng)過(guò)處理的點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)。該步驟使用的是三維逆向工程軟件Geomagic，先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的平滑去噪再生成不規(guī)則三角網(wǎng)網(wǎng)格模型。使用軟件對(duì)生成的不規(guī)則三角網(wǎng)網(wǎng)格模型中的漏洞和重面的部分使用修復(fù)功能進(jìn)行修補(bǔ)。

由于采用多種不同性能的三維掃描儀對(duì)佛像進(jìn)行多角度交叉式掃描，佛像缺失的點(diǎn)云數(shù)據(jù)很少，所以生成的三角網(wǎng)模型漏洞很少，只需要在Geomagic里面逐個(gè)進(jìn)行曲率填充單個(gè)孔，就能生成很完好的模型。最終建好的三角網(wǎng)格模型能很好地逼近對(duì)象表面形狀，為后期模型紋理映射做好了準(zhǔn)備，如圖4所示。

圖4 大佛素模

(2)紋理映射

把經(jīng)過(guò)前面步驟得到的三維模型，它已經(jīng)具有很好的幾何準(zhǔn)確性，但是我們?yōu)榱四軡M足可視化的需要，還原真實(shí)的三維景觀，就需要對(duì)三維模型添加真實(shí)的色彩，達(dá)到紋理映射的目的。

為了更好地實(shí)現(xiàn)佛像的紋理映射，我們?cè)?ds Max中將模型先做優(yōu)化、uvw展開和uvw貼圖處理，再將棋盤格附在模型上，根據(jù)棋盤格的拉伸情況，把模型切成比較平整的小塊，然后編輯uvw，渲染貼圖。最后在Photoshop里將多張照片對(duì)應(yīng)到渲染出來(lái)的相對(duì)應(yīng)的三角網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)模型的紋理映射，如圖5所示。

圖5 展uwv貼圖

3.6 開發(fā)完善三維數(shù)字平臺(tái)以及成果展示

將帶有紋理的模型導(dǎo)入Toplite平臺(tái)，使其能在系統(tǒng)中瀏覽，量測(cè)，剖圖，屬性等功能。從而實(shí)現(xiàn)建立石窟三維數(shù)字檔案的目的，如圖6所示。

圖6 成果展示平臺(tái)

4 結(jié)語(yǔ)

云岡石窟13窟的三維掃描制作過(guò)程，在總體的技術(shù)路線上很正確，制作過(guò)程中針對(duì)具體出現(xiàn)的問題和不合理或者繁瑣的步驟不斷進(jìn)行探索嘗試，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而改進(jìn)工作流程，提高工作效率，最終總結(jié)出石窟三維測(cè)量比較標(biāo)準(zhǔn)及合理的工藝流程。并且通過(guò)該項(xiàng)目的制作過(guò)程，使我院三維項(xiàng)目組的工作人員對(duì)于三維建模、三維貼圖等工作得到鍛煉。

在云岡石窟的數(shù)字化過(guò)程中，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)作為一種先進(jìn)的測(cè)量方法，在精度、速度、操作等多個(gè)方面表現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)手工測(cè)繪方式不能比擬的。其中很多圖件成果，傳統(tǒng)測(cè)繪方法幾乎無(wú)法完成，完全能夠滿足石窟的存檔和數(shù)字化，加快了云岡石窟保護(hù)管理現(xiàn)代化進(jìn)程，同時(shí)也為石窟調(diào)查報(bào)告的編寫創(chuàng)造了條件，對(duì)于文物的保護(hù)和修復(fù)具有重要意義，在文物數(shù)字化方面具有廣闊的前景。

［1］臧春雨.三維激光掃描技術(shù)在文保研究中的應(yīng)用［J］.建筑學(xué)報(bào)，2006(12).

［2］徐源強(qiáng)，高井祥，王堅(jiān).三維激光掃描技術(shù)［J］.測(cè)繪信息與工程 ，2010，35(4).

［3］王恒.云岡石窟測(cè)繪方法的新嘗試——三維激光掃描技術(shù)在石窟測(cè)繪中的應(yīng)用［J］.文物，2011(1).

［4］馮梅，呂水生.三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用［J］.河南科技，2011(19).

［5］冉磊.三維激光掃描儀及其在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2009.

［6］鄭小寧，劉軍平.三維激光掃描的應(yīng)用與精度分析［J］.地理空間信息，2008.

［7］張遠(yuǎn)智，胡廣洋，劉玉彤等.基于工程應(yīng)用的三維激光掃描系統(tǒng)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2002.

［8］吳育華，王金華，候妙樂等.三維激光掃描技術(shù)在巖土文物保護(hù)中的應(yīng)用［J］.文物保護(hù)與考古科學(xué)，2011，11.