吳月琴(大同市勘察測繪院,山西大同 037006)

云岡石窟18窟數(shù)字化技術的應用

吳月琴?
(大同市勘察測繪院,山西大同 037006)

摘 要:云岡石窟是我國規(guī)模最大的古代石窟群之一,主要以高浮雕為主的石窟寺,普通的測量方法很難實現(xiàn)云岡石窟的數(shù)字化保護。三維激光掃描儀比較適用于古典建筑和佛像、雕塑、壁畫等的掃描。采用三維激光對云岡石窟18窟掃描,獲取高精度的文物數(shù)據(jù),通過模型優(yōu)化、紋理匹配等技術手段將文物逼真再現(xiàn),多角度、高清晰地展示參觀者在展柜旁無法觀賞的任意角度和精度的文物細節(jié)。

關鍵詞:數(shù)字化;三維激光掃描;點云;模型;紋理映射;三維GIS平臺

1 引 言

云岡石窟位于山西省大同市西郊武州山南麓,石窟依山開鑿,東西綿延1 km。現(xiàn)存主要洞窟45個,大小造像51 000余尊,為我國規(guī)模最大的古代石窟群之一。據(jù)有關文獻記載,云岡石窟18窟就是北魏和平年間(公元460年～公元471年)由著名和尚曇曜主持,在京城西郊武州塞開鑿的“曇曜五窟”之一。1500年來,云岡石窟由于受到風化、水蝕和地震等自然災害的影響,同時再加上人為的破壞,毀損較為嚴重,為更好地保護這一珍貴的歷史文化遺產(chǎn),云岡石窟研究院自上世紀60年代以來,應用現(xiàn)代科學技術對石窟實施了多種搶救和保護工程。然而,石窟的調查和測繪一直都是困擾文物工作者的難點,目前尚沒有全面系統(tǒng)的洞窟現(xiàn)狀調查和測繪報告,文物保護和修復工作面臨困難,三維激光掃描技術為解決這一難題提出新思路。如圖1所示:

圖1　石窟現(xiàn)狀照片

2 云岡石窟18窟概況

云岡石窟18窟是橢圓形平面,穹隆頂。洞窟東西最寬處約18．7 m,南北最長處約7．7 m,是一個非常高闊、寬敞的洞窟。主尊佛像是一大立像,高15．5 m,造型奇特而優(yōu)美。東西兩邊的脅侍佛和本尊像左右的緊身脅侍菩薩與中央主佛相互映襯,既有主題和義理上的昭示,又有造像層次上的過渡,顯得和諧、莊嚴和隆重。從整體看,這一窟是“曇耀五窟”中最豪華、最講究的一窟。18窟最為奇特之處便是主尊身上的那件“干佛袈裟”。據(jù)調查,在國內外的泥塑、彩繪、木刻、玉雕、銅鑄、石鑿的各類佛像中,迄今尚未發(fā)現(xiàn)有如此規(guī)模的千佛裝飾。日本學者關野貞、常盤大定在《山西云岡》中說:“此石窟,不僅規(guī)模宏壯,其內部的佛像也帶著雄大剛健的氣象,是全云岡石窟中的最雄偉者?！?/p>

3 對云岡石窟18窟的掃描技術應用

3．1采用的儀器設備

掃描儀:精度0．3 mm的Surphaser25HSX三維激光掃描儀,精度2 mm的FaroX330三維激光掃描儀,精度0．1 mm的Goscan手持式激光掃描儀

相機:EOS 5D MarkⅢ機身+EF紅圈(24-105mm)鏡頭(大場景照片),EF50/1．2(采集窟內紋理,基本無變形),EF100/2．8(死角),EF100-400(采集外立面紋理),世光測溫表(測量色溫),愛色麗色卡以及校色軟件(校準相片色彩,確保得到最準確的色彩)。

3．2測量基準

①平面基準:采用1980國家坐標系。②高程基準:采用1985國家高程基準。

③時間基準:采用公元紀年、北京時間。

3．3對數(shù)據(jù)的采集以及配準

(1)點云數(shù)據(jù)的采集

外業(yè)采用不同性能的三維激光掃描儀對石窟采用多角度交叉式高精度掃描,以精度為0．3 mm的Surphaser25HSX三維激光掃描儀對石窟內壁部特征進行采集;石窟外圍整體立面和窟頂采用精度2 mm的FaroX330三維激光掃描儀做大場景控制;以0．1 mm 的Goscan手持式激光掃描儀作為細部及空間不便掃描位置的數(shù)據(jù)補充,這樣可以采集文物最全面的點云數(shù)據(jù)。同時以測量專業(yè)為背景,對石窟現(xiàn)場做控制點布設。點云數(shù)據(jù)的采集根據(jù)云岡石窟的特點應該滿足下列要求:

①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”+“掃描站位置”的方式命名,掃描站位置用草圖簡要描述。

②掃描分辨率的設置視不同工程、不同精度要求而不同,應遵循表1的規(guī)定。

點云采樣等級分類 表1

③測站間點云數(shù)據(jù)的重疊度不低于30%。

④掃描過程中如果儀器工作中出現(xiàn)異常,如斷電、死機等原因、或者儀器位置出現(xiàn)變化,應重新開始掃描。

⑤首先進行三維掃描,先將標靶盡量按照不規(guī)律形式擺放,數(shù)量最好不少于4個,這樣能夠今后的數(shù)據(jù)配準過程中更加有保證,擺放好標靶后將掃描儀放置在第一站人員全部下架(如果在架子上會多少影響腳手架的晃動),利用掃描儀自身的無線控制功能進行遠程控制設定好掃描模式和距離后,開始掃描,當結束掃描后,獲取預先擺放好的標靶點坐標,這樣就可以搬到下一站了,以此類推。如圖2所示:

圖2　厚圖片與采集點云對比圖

(2)影像數(shù)據(jù)采集

對原始的彩色紋理的采集采用全角度近景拍攝,用于渲染展示模型的貼圖。在石窟內采集紋理過程中為保證色彩還原、分辨率、位置關系,在拍照之前,對相機和電腦進行校色,還原。然后采用佳能EOS 5D MarkⅢ機身+EF紅圈(24 mm～105 mm)鏡頭,EF50/ 1．2,EF100/2．8,EF100-400,世光測溫表,愛色麗色卡以及校色軟件,在特定的環(huán)境下做石窟做紋理采集。同時劃分區(qū)域,確保拍攝佛像紋理的完整性,細致,準確性。

①影像采集應使用滿足分辨率要求的單反相機,單張相片相幅設置到相機的最大分辨率。

②拍攝角度:盡可能保持鏡頭正對目標面。特殊情況導致無法正面拍攝全景時,先拍攝部分全景,再逐個正對拍攝,后期再進行合成。

③拍攝光線:應選擇光線較為柔和均勻的天氣,避免逆光拍攝。能見度過低或光線過暗時不宜拍攝。

④相鄰照片之間應保證有不小于30%的重疊區(qū)域。

⑤為了保證照片的細膩程度,感光iso設置在100左右,紋理照片采集精度:色溫根據(jù)測溫表實際測得,分辨率≥75 dpi。

(3)控制測量

控制測量是工程建設中各項測量工作的基礎?？刂茰y量的目的是精確測定控制點的三維位置。與三維激光掃描控制點聯(lián)測,保證三維激光掃描數(shù)據(jù)與控制測量坐標系保持一致。標靶與控制點坐標聯(lián)測精度:平面≤5 mm,高程≤5 mm。如圖3所示:

圖3　云岡石窟三維激光掃描數(shù)據(jù)采集方案

(4)點云數(shù)據(jù)配準

地面三維激光掃描儀每次掃描只能得到局部的數(shù)據(jù),為了得到洞窟完整的三維數(shù)據(jù),往往需要從不同的位置進行多次掃描,每次掃描得到的數(shù)據(jù)都在以當前測站為原點定義的一個局部坐標系中。因此,需要在掃描區(qū)域中設置一些控制標靶,從而使得相鄰的掃描點云圖中有3個或3個以上的同名控制標靶。點云數(shù)據(jù)的配準就是通過同名控制標靶將掃描點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標系下的過程。

①點云數(shù)據(jù)的坐標系轉換:當掃描完后首先要把點云數(shù)據(jù)轉換為絕對坐標,全站儀與掃描儀控制點拼接精度不得高于5 mm。

②點云數(shù)據(jù)兩站之間的誤差:兩站數(shù)據(jù)配準精度不得高于2 mm,在標靶配準完后需在軟件里以多站點平差計算以得到更高精度。

(5)點云數(shù)據(jù)去噪與抽稀

當數(shù)據(jù)采集回來后點云數(shù)據(jù)會因多站點噪點的原因造成無用數(shù)據(jù)點過多,造成數(shù)據(jù)量成倍增長,這樣就需要把一些重疊點在軟件里進行去除工作,然后在經(jīng)過曲率抽吸,抽吸完每個壁面的數(shù)據(jù)量在2千萬點左右。

3．4三角網(wǎng)模型制作

如果直接通過點云模型進行數(shù)碼影像的紋理映射,分辨率低,不能滿足應用方面的要求,所以通常把點云擬合成三角網(wǎng)模型,然后通過數(shù)學模型,實現(xiàn)不規(guī)則三角網(wǎng)模型和數(shù)碼影像的紋理映射,實現(xiàn)三角網(wǎng)模型與影像紋理的數(shù)據(jù)融合,形成真彩色模型。生成三角網(wǎng)模型后噪點突起處不得高于10處,整個壁面數(shù)據(jù)量控制在2千萬左右。補洞時不能有明顯突起數(shù)據(jù),盡量以還原原始數(shù)據(jù)形態(tài)為準。如圖4所示:

圖4　原始照片與三角網(wǎng)模型對比圖

3．5成果質量檢查

(1)點云檢查

外業(yè)采集的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過內業(yè)處理后,得到洞窟整體的點云模型,通過切割點云,查看點云各站之間是否存在分層,如若存在分層現(xiàn)象,可將該站再進行配準,直至滿足精度需要。

(2)三角網(wǎng)模型檢查

①三角網(wǎng)模型精度檢查

根據(jù)制作正射影像圖的需要,三角網(wǎng)模型的精細程度能夠滿足影像配準選點要求即可。

②三角網(wǎng)模型缺漏檢查

由于洞窟點云數(shù)據(jù)構建三角網(wǎng)模型生成的數(shù)據(jù)量較大,三角網(wǎng)模型的構建采用分面單獨建立的方法,存在模型是否有缺漏的問題?？蓪⒏鞅诿娴母呔饶Ｐ秃喕癁榈途饶Ｐ?導入至相關軟件,查看洞窟整體模型情況。如若存在缺失,應補建該模型。

(3)正射影像圖的檢查

將彩色影像與模型影像在相關軟件中對比。

4 建立云岡石窟超大三維GIS平臺

4．1系統(tǒng)定義

超大三維模型瀏覽系統(tǒng)是集超大模型快速瀏覽與逼真三維交互展示為一體的三維虛擬瀏覽展示系統(tǒng),它以現(xiàn)實存在的文物為基礎,實現(xiàn)文物的信息化拓展和延伸,將現(xiàn)實中文物高保真度在三維虛擬瀏覽系統(tǒng)中展示,實現(xiàn)文物的高精度數(shù)字成果的高真實感展示和快速瀏覽功能。

4．2功能概述

(1)快速瀏覽

云岡石窟塑像結構極其結構,整個石窟的高精度高保真度三維模型由億級三角面組成。對現(xiàn)有的計算機硬件而言,三維渲染及瀏覽軟件帶來巨大挑戰(zhàn),本系統(tǒng)將實現(xiàn)數(shù)千萬甚至億級三角面模型瞬間加載,達到快速瀏覽的功能。

(2)無極縮放

本系統(tǒng)利用了高速渲染技術,多線程調度技術、緩存管理、渲染隊列、多細節(jié)層次和可視域剔除等動態(tài)調度技術,實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的無極縮放功能。

(3)構建剖面線

剖面線是利用所選的剖面與文物的三角網(wǎng)模型的交點來反映剖面的輪廓線。本系統(tǒng)提供了基于文物的三角網(wǎng)模型構建剖面線功能。

(4)點屬性標注

對于文物的屬性數(shù)據(jù),可通過以關鍵點位的方式標注在系統(tǒng)中。如:考古信息、類型信息,編碼信息,命名信息等屬性數(shù)據(jù),可實現(xiàn)手動錄入或鏈接綁定,并構建信息數(shù)據(jù)庫來對屬性數(shù)據(jù)進行查詢、添加、刪除、存儲、更新。

(5)信息統(tǒng)計

大同石窟墻壁多為佛像浮雕鑲嵌的墻面,通過點屬性標注實現(xiàn)對佛像的標注。提供基于點標注的屬性信息的查詢功能和統(tǒng)計功能,如:統(tǒng)計某一種佛像的個數(shù)等。

(6)體積統(tǒng)計

本系統(tǒng)提供模型體積計算功能。勾取或指定佛像或者洞窟,本系統(tǒng)可快速獲得興趣文物的體積。

4．3關鍵技術

(1)自主底層研發(fā)

考慮到系統(tǒng)功能對時間效率要求高的特性,本團隊將使用C/ C++自主研發(fā)瀏覽系統(tǒng)底層平臺開發(fā),從而做到系統(tǒng)的輕量化,不依賴第三方商業(yè)平臺,從而降低推廣和應用的成本。

(2)構建模型數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是超大三維模型數(shù)據(jù)組織、管理、調度的基礎,是瀏覽系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)文物模型數(shù)據(jù)的組織結構特點,利用成熟的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行存儲,并根據(jù)LOD的數(shù)據(jù)結構建立空間索引。

(3)大規(guī)模數(shù)據(jù)動態(tài)調度技術

大規(guī)模數(shù)據(jù)動態(tài)調度技術是實現(xiàn)超大三維模型瀏覽的最關鍵技術。本系統(tǒng)利用多線程調度、緩存管理、渲染隊列、多細節(jié)層次和可視域剔除等方法動態(tài)調度大規(guī)模數(shù)據(jù),實現(xiàn)高真實渲染的實時性。

①多線程調度

當前個人計算機系統(tǒng)中,存儲處理設備大多數(shù)為磁盤。磁盤相對于內存,呈現(xiàn)容量大、時間延遲長以及序列訪問的特征,存儲對象以文件為單位存儲于磁盤設備中。磁盤處理設備任務可表達為磁盤I/ O操作,將存儲于磁盤中的數(shù)據(jù),加載到系統(tǒng)內存中去。由于磁盤處理設備的序列訪問限制,使用多個線程時,線程的切換代價將在一定程度上影響加載的效率,因為不同的線程進行數(shù)據(jù)加載時,需要交換磁盤加載控制,需要一定的時間。因此,要建立多線程機制時,針對每一個磁盤建立一個I/ O線程,將每一種類型數(shù)據(jù)建立緩存列表以支持多處理磁盤環(huán)境多數(shù)據(jù)類型的加載I/ O操作。

CPU主要來管理用戶I/ O交互獲取當前視點的位置;管理內存緩存區(qū),存儲磁盤加載數(shù)據(jù),并傳輸?shù)斤@示緩存區(qū);進行可見性計算,遍歷場景,計算當前視點下可見的節(jié)點,判斷節(jié)點所處數(shù)據(jù)文件,發(fā)送傳輸命令,將數(shù)據(jù)與指令傳入GPU幀緩存中。通過對任務進行分析,設立三個類型的線程。分別為:繪制線程,加載線程以及預測線程。多個線程以并行的方式獨立進行工作以實現(xiàn)對場景的實時繪制。

②緩存管理

緩存管理是采用基于數(shù)據(jù)內容的自適應多級緩存管理機制,根據(jù)空間數(shù)據(jù)的內容分別建立不同的數(shù)據(jù)緩存池,并在服務器/客戶端、硬盤/內存等多個層次建立高效的數(shù)據(jù)緩存和應用緩存,對應用及其相關數(shù)據(jù)進行高速緩存,提高海量空間數(shù)據(jù)的調度能力以及并發(fā)訪問能力。

③渲染隊列

渲染隊列主要有兩個作用,一是確保正確的繪制順序,比如先繪制背景再繪制一般物體,最后繪制界面;二是提高渲染效率,將具有相同材質的物體放在一起進行繪制,減少渲染狀態(tài)的切換。

④多細節(jié)層次

多細節(jié)層次(Lever of Detail,簡稱LOD)即當渲染時,它采用較少細節(jié)表達那些體量小的、距離視點遠的以及場景中不重要的對象。LOD的基本原則是采用較少的多邊形來渲染那些在屏幕上占據(jù)像素較少的對象。LOD分為靜態(tài)LOD及動態(tài)LOD,靜態(tài)LOD用事先建好的模型來進行替換,而動態(tài)LOD則根據(jù)視點對模型細節(jié)層次的要求來進行實時構建。動態(tài)LOD技術運算量大,對系統(tǒng)的要求比較高,而靜態(tài)LOD通常只需要建立多套不同分辨率的模型,實行簡單的替換即可。本系統(tǒng)采用的是靜態(tài)LOD技術,對石窟文物建立LOD模型,當視點與觀察對象較遠時,調用粗細節(jié)層次的模型,這樣以較小的繪制效果的犧牲,可以大大提高繪制的效率。

⑤可視域剔除

可視域剔除包括兩部分內容:一是在可視域外對象的剔除;二是對于可視域內過于微小的對象的繪制剔除。

可視域外對象剔除采用保守的剔除方法,即將對象的包圍盒與視景體的6個面逐個求交,剔除相離的對象,保存在視景體內部以及與視景體相交的對象。采用這種方法,計算量小,且與空間索引結構相結合,可以很快地剔除大部分不需要繪制的對象,減輕繪制的負擔。

過于微小的對象是指繪制時對屏幕像素貢獻較小的對象,在繪制時反映到屏幕可能僅占一到兩個像素,剔除這樣的一些對象,對于繪制效果影響不大,而且還能提高繪制的效率。

5 結 語

從云岡石窟18窟的三維掃描制作過程,認識到三維激光掃描技術作為一種先進的測量方法,在精度、速度、操作等多個方面表現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢,是傳統(tǒng)手工測繪方式不能比擬的。其中很多圖件成果,傳統(tǒng)測繪方法幾乎無法完成,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管理現(xiàn)代化進程,同時也為石窟調查報告的編寫創(chuàng)造了條件,對于文物的保護和修復具有重要意義,在文物數(shù)字化方面具有廣闊的前景。

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The Application of Digital Technology in Yungang Grottoes Eighteen Cave

Wu Yueqin
(Datong Institute of Surveying and Mapping,Datong 037006,China)

Abstract:Yungang grottoes is the largest ancient cave groups．Digital protection is difficult by normal measuring method in the Cave Temple with large part high relief．3D laser scanner can be used in classical architecture,Buddha, sculpture and frescoes．In Yungang Grottoes Eighteen cave,get high precision data by using 3D laser scanner,Using model optimization,texture matching,etc．,reappear the Cultural relic,and show details to the visitor in multi-perspective、high definition that they can’t appreciate across the showcase．

Key words:cave;digital technology;three-dimensional laser scanner;point cloud;model;texture mapping;3D GIS platform

文章編號:1672-8262(2015)06-89-05中圖分類號:P237

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—11—10

作者簡介:吳月琴(1967—),女,高級工程師,注冊測繪師,主要從事測繪技術管理工作。