呂文旭 段奇三

內(nèi)容摘要：作為文物的敦煌彩塑需要重點(diǎn)保護(hù)，不能隨意觸碰與移動(dòng)，但其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有不規(guī)則性，且所處空間狹小，測(cè)繪難度較大。數(shù)字化是文物保護(hù)工作的重要內(nèi)容與手段，如何利用數(shù)字化手段和成果精確繪制各種考古測(cè)繪圖需要在實(shí)踐中逐步探索。本文以莫高窟第275窟主尊（交腳菩薩）為例闡述了利用三維激光掃描測(cè)量手段，非接觸式測(cè)量與三維復(fù)制敦煌彩塑，并利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確繪制彩塑的圖紙。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；敦煌彩塑；數(shù)字化考古

中圖分類號(hào)：K879.3；K854 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2016）02-0055-05

Abstract： As cultural relics， the painted statues of Dunhuang should be regarded as a focus of cultural conservation efforts and should not be carelessly touched and moved. However， the complex structure and irregular shape of the statues make it hard to draw pictures in the narrow spaces in which they are confined. Digitization is an important method and aspect of cultural relic conservation， for which reason practical exploration of techniques for drawing accurate archaeological mappings by using digital technology and data is very important. Taking the central statue in Mogao Cave 275 as an example， this paper demonstrates how to measure and duplicate the painted statues of Dunhuang using 3D laser scanning data to accurately draw pictures of the statues in combination with 3D point cloud data， all without making physical contact with the relics.

Keywords： 3D laser scanning drawing； Dunhuang painted statues； digital archaeology

考古繪圖是在考古發(fā)掘人類及自然歷史文化遺跡所存留的專業(yè)考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)以線的形式繪制地形圖、地理位置圖、遺址規(guī)劃及地層堆積和遺跡現(xiàn)象的測(cè)繪。考古測(cè)量是將測(cè)量學(xué)應(yīng)用于考古學(xué)研究當(dāng)中，使用測(cè)量學(xué)的方法和技術(shù)記錄、說(shuō)明考古學(xué)資料，并直接服務(wù)于考古學(xué)研究，它所采用的技術(shù)也是在田野考古測(cè)繪的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的[1]。

《敦煌石窟全集·第一卷·莫高窟第266—275窟考古報(bào)告》）（以下簡(jiǎn)稱為《第一卷·考古報(bào)告》從項(xiàng)目啟動(dòng)到出版發(fā)行，歷時(shí)數(shù)年，以文字、測(cè)繪圖、攝影圖片等形式，詳細(xì)記錄和描繪了敦煌莫高窟早期11個(gè)洞窟。本次測(cè)繪采用了先進(jìn)的三維激光掃描測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件繪圖的方法，打破了傳統(tǒng)的純手工測(cè)繪制圖，避免了接觸式測(cè)量對(duì)洞窟文物的損壞，同時(shí)提高了繪圖的精度，又將洞窟所在的位置融入了大地坐標(biāo)系中。在此考古報(bào)告中除了建筑、壁畫、洞窟形制，涉及的彩塑有16尊。按照考古報(bào)告的測(cè)繪要求，對(duì)塑像做了正立面圖、側(cè)視圖及剖視圖，這些都是塑像正射投影圖。由于掃描儀所采集到的點(diǎn)云數(shù)量有限，加上三維激光掃描的盲區(qū)和彩塑的立體特性，繪制精確的線圖單靠掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是不行的，還得利用相機(jī)拍攝照片。普通相機(jī)拍攝的照片都會(huì)有透視。相對(duì)于立體的塑像來(lái)說(shuō)，繪圖過(guò)程中照片也就只能作為參考。敦煌莫高窟彩塑除了它的形體結(jié)構(gòu)，還有附著在塑像上的衣紋、裝飾和繪畫。相對(duì)壁畫立面圖而言，繪制塑像圖難度較大一些。為此，我們把繪制這些圖的做法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

一 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)的新突破。它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。其具有快速性、不接觸性、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化等特性[2]。

三維激光掃描在被測(cè)物體上進(jìn)行等間距數(shù)據(jù)采集，每個(gè)點(diǎn)含有坐標(biāo)X、Y、Z值及物體反射強(qiáng)度I，紋理信息R、G、B值。這些由三維激光掃描得到的眾多的點(diǎn)組成被測(cè)物體的三維模型。大量的懸浮在空中沒(méi)有屬性的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，形象地被稱為“點(diǎn)云”。

因?yàn)槿S激光掃描不可穿透被測(cè)物體，所以雕塑數(shù)據(jù)采集需要從多角度進(jìn)行。一尊塑像需要從多測(cè)站掃描數(shù)據(jù)，以“可見即可得”的原則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)三維激光掃描測(cè)距具有最小測(cè)程，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，儀器到塑像應(yīng)該保持最小不小于0.6米的距離。

二 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接及去噪

在外業(yè)多角度將雕塑的表面數(shù)據(jù)采集完整之后，需要針對(duì)這些不同測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，以形成一個(gè)完整的雕塑的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3]。

三維激光掃描系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)量非常大，需要特殊的專業(yè)軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，以形成一個(gè)完整的塑像的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在《第一卷·考古報(bào)告》測(cè)量過(guò)程中所用的三維激光掃描儀與點(diǎn)云處理軟件Leica Cyclone結(jié)合使用，在當(dāng)時(shí)該軟件是三維激光掃描領(lǐng)域內(nèi)的主流軟件系統(tǒng)，它也是HDS掃描儀的配套軟件。

利用標(biāo)靶特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，原理依據(jù)為：兩個(gè)不同的三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)的疊合，需要將空間的X、Y、Z軸進(jìn)行一一疊合，其充要條件是需要拼接的每?jī)烧緮?shù)據(jù)至少要三個(gè)空間坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行疊合。故在需要拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中尋求同名點(diǎn)，此時(shí)可以利用標(biāo)靶、空間特征點(diǎn)等進(jìn)行拼接。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)往往存在人、物在掃描儀前經(jīng)過(guò)的現(xiàn)象，以及物體反射面較為光滑，激光入射角較小的情況，這些因素均會(huì)帶來(lái)對(duì)三維塑像有影響的噪音數(shù)據(jù)。所以在拼接完成之后，需要針對(duì)整個(gè)塑像周邊的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，將干擾數(shù)據(jù)去掉，形成一個(gè)干凈的無(wú)噪音的塑像數(shù)據(jù)，方能方便后期處理及保障精度。

三 地方坐標(biāo)系統(tǒng)糾正

由于三維激光掃描采用極坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其原理為儀器內(nèi)置零點(diǎn)位置，利用激光測(cè)距進(jìn)行解算坐標(biāo)。實(shí)質(zhì)為極坐標(biāo)系統(tǒng)（polar coordinates）。極坐標(biāo)系統(tǒng)是指在平面內(nèi)由極點(diǎn)、極軸和極徑組成的坐標(biāo)系。在平面上取定一點(diǎn)O，稱為極點(diǎn)。從O出發(fā)引一條射線Ox，稱為極軸。再取定一個(gè)長(zhǎng)度單位，通常規(guī)定角度取逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。這樣，平面上任一點(diǎn)P的位置就可以用線段OP的長(zhǎng)度ρ以及從Ox到OP的角度θ來(lái)確定，有序數(shù)對(duì)（ρ，θ）就稱為P點(diǎn)的極坐標(biāo)，記為P（ρ，θ）；ρ稱為P點(diǎn)的極徑，θ稱為P點(diǎn)的極角。

掃描儀在極坐標(biāo)系統(tǒng)中測(cè)量數(shù)據(jù)，將平面極坐標(biāo)系統(tǒng)P1（ρ1，θ1）和鉛垂面上的極坐標(biāo)系統(tǒng)P2（ρ2，θ2）集合，再轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)（X，Y，Z）。此坐標(biāo)系統(tǒng)為獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，即以儀器中心為原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)。

在敦煌數(shù)字化考古工作中需要將洞窟的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為敦煌地方坐標(biāo)系統(tǒng)，故采用地方已知控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。地方已知控制點(diǎn)包括平面坐標(biāo)系統(tǒng)信息及高程系統(tǒng)信息。首先對(duì)此控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核工作，測(cè)定夾角、邊長(zhǎng)及水準(zhǔn)閉合。在復(fù)核無(wú)誤的情況下，在洞窟建立二級(jí)導(dǎo)線控制點(diǎn)，利用全站儀和水準(zhǔn)儀分別進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量及水準(zhǔn)測(cè)量，解算控制點(diǎn)坐標(biāo)。將此坐標(biāo)與掃描儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點(diǎn)配準(zhǔn)，此時(shí)就將洞窟的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)系統(tǒng)。

四 塑像正立面圖繪制

（1）坐標(biāo)系統(tǒng)的建立

按考古繪圖的實(shí)踐與研究后最初決定，洞窟點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的建立，是以一個(gè)洞窟的縱中軸線為準(zhǔn)的。一個(gè)洞窟主尊的鼻尖的中心到門兩側(cè)墻角的連線中點(diǎn)的連線為縱中軸線；沒(méi)有塑像的洞窟以后面兩墻角的中點(diǎn)到門兩側(cè)墻角的中點(diǎn)連線為縱中軸線。利用縱中軸線與自然鉛垂方向，建立一個(gè)洞窟的獨(dú)立坐標(biāo)系（以莫高窟第275窟為例）。由于洞窟的不規(guī)則性，洞窟的每壁、每披及每身塑像在制圖的過(guò)程中為了達(dá)到考古報(bào)告要求的正射影像圖，都要給它們做出一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系來(lái)。

步驟如下：縱中軸線的建立，確定為X（或者Y軸），與其在水平面成90°方向定為Y軸（或者X軸），兩條軸確定了平面坐標(biāo)系，然后以自然鉛垂方向作為空間Z軸（圖1）。

此時(shí)主尊的正立面就跟洞窟的主坐標(biāo)系形成了統(tǒng)一的坐標(biāo)。該項(xiàng)工作是整個(gè)塑像考古圖繪制的重心工作，其目的在于繪圖工作中雕塑的正立面與計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)的疊合，避免投影面與計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)系統(tǒng)的錯(cuò)誤出現(xiàn)，保證了雕塑能夠直面內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作者的視野。

（2）正立面圖繪制

前面說(shuō)到《第一卷·考古報(bào)告》測(cè)量所用的三維激光掃描儀與點(diǎn)云處理軟件Leica Cyclone相結(jié)合，Cyclone軟件的功能為：點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)輸出。后期操作具體的方法是將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Cyclone里打開，用選擇工具根據(jù)制圖需求選取所需要部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，右鍵點(diǎn)擊鼠標(biāo)拷貝到新建立的模型里，一般新拷貝的模型數(shù)據(jù)都會(huì)保存在該文件的最后，新拷貝的模型數(shù)據(jù)顯示在當(dāng)前。Cyclone軟件打開點(diǎn)云數(shù)據(jù)的默認(rèn)值為10萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，為了達(dá)到更清晰的目的，要在參數(shù)選擇里更改點(diǎn)云的參數(shù)值和顏色（圖2）。

為了后期工作的順利和精確，可以給要處理的塑像點(diǎn)云建立一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，并且保存和命名新建立的坐標(biāo)系，以便在制圖中精準(zhǔn)應(yīng)用。但像莫高窟第275窟主尊這樣的塑像，因?yàn)樗投纯叩闹髯鴺?biāo)系是一致的，就沒(méi)必要重新建獨(dú)立坐標(biāo)系了，其南北壁上的塑像運(yùn)用該壁面的坐標(biāo)系就可以了。

在Cyclone軟件里處理好了點(diǎn)云參數(shù)后，利用配合點(diǎn)云數(shù)據(jù)的繪圖軟件MicroStation進(jìn)行繪制線圖?！兜谝痪怼た脊艌?bào)告》用的是Micro StationV8，其操作步驟是：打開軟件，新建文件名（例：第275窟主尊塑像正立面圖），選擇項(xiàng)中種子選擇“3D”，選擇存儲(chǔ)路徑后點(diǎn)擊確定，這樣就先建立起立面圖的一個(gè)三維.dgn文件。在文件菜單欄的“實(shí)用工具”下點(diǎn)擊“MDL工作程序”，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)裝載應(yīng)用程序欄，在可用的程序欄中點(diǎn)擊MicroStation和Cyclone之間連接的一個(gè)插件CloudWorx，然后裝載點(diǎn)云數(shù)據(jù)。裝載點(diǎn)云的過(guò)程中一定要選對(duì)裝載對(duì)象的坐標(biāo)系。

在一套點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，軟件可以保存多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，并可以直接進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的切換。

在MicroStation V8中載入交腳菩薩的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，首先需要將之前建立的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行與計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)系統(tǒng)的疊和工作。MicroStation V8中載入三維種子工具，此時(shí)軟件成為三維制圖模式，可以編輯視圖有頂視圖、左側(cè)視圖、右側(cè)視圖、前視圖、后視圖、軸測(cè)視圖等。同時(shí)軟件支持多視圖共同作業(yè)模式。步驟為：第一步，將之前建立的坐標(biāo)系統(tǒng)中XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)與MicroStation V8中XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)疊合；第二步，再將坐標(biāo)系統(tǒng)中的XZ（或者YZ）平面與計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)系統(tǒng)XY平面疊合。此時(shí)交腳菩薩的正立面調(diào)整為計(jì)算機(jī)正視圖。

鎖定該視角，利用MicroStation V8中繪圖工具進(jìn)行繪圖。在繪制過(guò)程中加載的點(diǎn)云數(shù)據(jù)既可以作為底圖參考，也可以作為矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行捕抓（圖3）。為了防止計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度減慢，此時(shí)可以進(jìn)行加載點(diǎn)云數(shù)量設(shè)置。

在塑像結(jié)構(gòu)圖的繪制中關(guān)閉點(diǎn)云捕抓功能，沿塑像外輪廓進(jìn)行完整結(jié)構(gòu)繪制；在塑像正面紋理繪制工作中，打開點(diǎn)云捕抓功能，此時(shí)發(fā)揮軟件的功能，捕抓塑像的紋理及線形走向。這步工作中存在計(jì)算機(jī)繪圖進(jìn)深的控制，即從正面看是繪制在一個(gè)平面上，從左側(cè)視圖觀察，所繪制線段不在一個(gè)平面上。可以在繪制工作開始前進(jìn)行軟件進(jìn)深“Z”設(shè)置。定義正視圖中所繪制的線段在同一進(jìn)深的合理的平面位置。當(dāng)繪制工作在誤操作的情況下，丟失此項(xiàng)設(shè)置，可以在繪制工作完成后將三維圖紙首先壓縮為二維圖紙，此刻再次將軟件進(jìn)深“Z”設(shè)置為一個(gè)平面。這里三維圖紙可以壓縮為二維圖紙。二維圖紙也可以通過(guò)原三維圖紙把二維轉(zhuǎn)為三維，轉(zhuǎn)為三維圖紙必須要有一個(gè)原始的三維文件存在。二維轉(zhuǎn)三維的方法是：復(fù)制一個(gè)原始三維文件后打開，視圖窗口打開為四個(gè)，軟件默認(rèn)的1、2、3、4，分別為頂視圖、軸測(cè)視圖、前視圖、右視圖，根據(jù)圖紙的要求可以在動(dòng)態(tài)視圖中選擇對(duì)應(yīng)的視圖窗口。用參考工具連接要轉(zhuǎn)換的二維文件，分別在四個(gè)不同視圖窗口按點(diǎn)或按角度旋轉(zhuǎn)參考文件至與三維圖紙完全吻合，刪除原文件，在工具菜單里點(diǎn)擊“合并到主文件”后確定，這樣二維圖就成了三維圖，此時(shí)的文件里又可以加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

五 紋理細(xì)節(jié)的繪制

在三維文件里加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)后按點(diǎn)云來(lái)畫圖。因點(diǎn)云數(shù)據(jù)被加載在計(jì)算機(jī)軟件中會(huì)存在一定限制，數(shù)據(jù)的加載限制造成了點(diǎn)云在細(xì)節(jié)上不及照片反映真實(shí)。如果點(diǎn)云加載不密集，那么在畫圖軟件里只能看到一些結(jié)構(gòu)比較明顯的地方，彩塑的細(xì)節(jié)部分就會(huì)模糊不清，這樣在畫圖的過(guò)程中會(huì)有一些誤判或丟失細(xì)節(jié)部分。這時(shí)候可在專業(yè)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟件中，生成正射影像圖片或是在Cyclone軟件里直接做出點(diǎn)云影像圖來(lái)。不過(guò)在Cyclone軟件里，如果掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)少或點(diǎn)云處理不好也是不會(huì)顯示出一些細(xì)節(jié)來(lái)的。通過(guò)軟件做出的點(diǎn)云影像圖片，再次將此圖片加載在MicroStation V8中（Cyclone軟件里制作的點(diǎn)云影像圖）（圖4）。此時(shí)的正射影像圖片集合了照片與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的功能，更能真實(shí)地反映塑像細(xì)節(jié)，依據(jù)此圖片清晰地繪制塑像的紋理細(xì)節(jié)。

六 塑像側(cè)立面圖及剖面繪制

在MicroStation V8中將工作視圖切換至左側(cè)（或右側(cè)）視圖，此時(shí)塑像的側(cè)面完全分布在圖形工作界面中，繪制工作如上。需要注意的是：利用點(diǎn)云切片功能將塑像的最外輪廓數(shù)據(jù)或剖面數(shù)據(jù)保留在視圖中，方便工作者能夠清晰地提取塑像的外輪廓或剖線。

因三維激光掃描技術(shù)將塑像三維復(fù)制在電腦中，此時(shí)塑像在計(jì)算機(jī)中可以任意被切割。沿中軸線切割點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將塑像的剖面圖完整地提取出，再利用繪圖工具進(jìn)行繪制。

三維激光掃描數(shù)據(jù)存在盲區(qū)，我們無(wú)法在軟件里精確定位盲區(qū)里的結(jié)構(gòu)和紋理部分?！兜谝痪怼た脊艌?bào)告》中圖的繪制也只是一個(gè)探索和研究的過(guò)程，采取補(bǔ)救的措施是利用以前手工測(cè)繪的工具（卡鉗、卡尺、鋼卷尺等），測(cè)得其結(jié)構(gòu)和紋理部分，再在MicroStation V8制圖軟件中找到相應(yīng)位置進(jìn)行繪制。

七 成 圖

MicroStation V8與AutoCAD同為矢量繪圖軟件，但MicroStation V8沒(méi)有AutoCAD功能那么強(qiáng)大，在出圖打印時(shí)沒(méi)有AutoCAD那樣完美。所以我們?cè)诔鰣D打印時(shí)都會(huì)將.dgn格式轉(zhuǎn)換

成.dwg格式。還可利用Adobe Illustrator軟件將轉(zhuǎn)換的.dwg矢量圖導(dǎo)出為.jpg或.tif等其他格式，方便將圖片插入文本文件。

在AutoCAD軟件里編輯好線形、線寬、顏色、比例等后打印，參照實(shí)物校對(duì)、修改，如此多稿直至精確完美。

八 總 結(jié)

三維激光掃描技術(shù)將塑像三維復(fù)制在計(jì)算機(jī)中，利用軟件可以進(jìn)行虛擬切割、繪制，為數(shù)字化考古工作帶來(lái)了極大的便利，同時(shí)其優(yōu)越性體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集時(shí)間短、數(shù)據(jù)采集精度與繪圖工作精度的提升等方面。制圖的過(guò)程中結(jié)合實(shí)物照片，精準(zhǔn)繪圖，探索研究，更盡可能地結(jié)合攝影測(cè)量技術(shù)繪制塑像，使考古測(cè)繪達(dá)到更先進(jìn)的水平。

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