吳邵明，梁曉娜

(大同市勘察測繪院，山西 大同 037000)

超大型石窟寺三維幾何重建技術(shù)的研究

吳邵明*，梁曉娜

(大同市勘察測繪院，山西 大同 037000)

石窟寺在歷史變遷中遭受了風(fēng)化、崩塌、溶蝕等，窟內(nèi)壁畫和高浮雕造像受到各種災(zāi)害的影響。為加強(qiáng)超大型石窟寺的保護(hù)和修復(fù)，需獲取石窟寺完整、高精度的三維幾何信息，為文物保護(hù)和修復(fù)提供真實(shí)、詳盡的科學(xué)依據(jù)。本文以云岡石窟18窟為例，采用多種三維激光掃描儀對文物本體進(jìn)行逐層交叉式掃描，以獲取最全面、最完整、最準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。該方法具有作業(yè)速度快，無須接觸文物本體，數(shù)據(jù)成果可靠性高，數(shù)據(jù)信息完整等特點(diǎn)，是一種高效可行的文物三維幾何數(shù)據(jù)采集方法。

三維激光掃描；數(shù)字化采集；點(diǎn)云配準(zhǔn)；三維幾何信息

1 引 言

文物是研究我國古代歷史文化發(fā)展的珍貴實(shí)物資料，是不可再生的文化資源，具有重要的科學(xué)、藝術(shù)和歷史價(jià)值。超大型石窟寺作為一種重要的歷史文化遺產(chǎn)，窟內(nèi)的繪畫、高浮雕造像是先民們智慧的結(jié)晶，具有重要的歷史研究價(jià)值。然而，隨著歷史的變遷，由于自然和人為的因素，大量的石窟寺遭到不同程度的破壞，亟須運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)手段對其原貌進(jìn)行保護(hù)和三維幾何信息留存，建立數(shù)字化檔案，為文物保護(hù)和修復(fù)提供完整準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

在超大型石窟寺的保護(hù)和修復(fù)的過程中，三維幾何重建方法主要包括傳統(tǒng)的文物測繪方法和信息化測繪技術(shù)手段。傳統(tǒng)的文物測繪方法是手工測繪和攝影結(jié)合的綜合手段，但該方法不僅花費(fèi)大量的人力物力，還極易受外界環(huán)境干擾，對文物保護(hù)和修復(fù)造成巨大困擾。鑒于傳統(tǒng)文物測繪方法在文物信息獲取方面的局限性，結(jié)合超大型石窟寺造像之間遮擋密集、空隙小等特點(diǎn)，本文提出了以地面三維激光掃描儀為主，結(jié)合手持掃描儀、全站儀等測繪儀器，利用三維激光掃描技術(shù)獲取超大型石窟寺的高精度三維幾何信息，通過對數(shù)據(jù)的處理，完成各種坐標(biāo)系的統(tǒng)一，以最全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋率實(shí)現(xiàn)完整的文物原貌還原，實(shí)現(xiàn)整個(gè)超大型石窟寺的完美拼接，保證文物信息的高度完整性。

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描(3D laser scanner)技術(shù)是一種快速直接獲取實(shí)體三維幾何數(shù)據(jù)的新技術(shù)，該技術(shù)能在計(jì)算機(jī)中快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)體的三維建模。該技術(shù)應(yīng)用在文物測繪中不僅能快速準(zhǔn)確獲取文物的三維數(shù)字化信息，而且在掃描過程中不需要接觸文物本體，不會對文物造成二次傷害，可為文物保護(hù)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。使用該技術(shù)可獲取文物的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理可獲得細(xì)節(jié)豐富的、帶紋理的三維網(wǎng)格模型，為建立文物保護(hù)和修復(fù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源庫提供全面、細(xì)致、準(zhǔn)確的空間信息數(shù)據(jù)。

3 超大型石窟寺完整三維幾何信息的采集方案與實(shí)施

3.1測區(qū)概況

本文以云岡石窟18窟為例，第18窟開鑿于文成帝和平年間(公元460～470)，窟形是橢圓形平面，穹隆頂。石窟位于云岡石窟中部窟群，東與第17窟相毗鄰，西側(cè)與第19窟相鄰。洞窟東西最寬處約 18.7 m，南北最長處約 7.7 m，主尊佛像是一大立像，高 15.5 m。佛像昂首挺立，身軀雄壯，氣勢宏偉。緊貼在本尊立佛兩側(cè)的脅侍是兩尊菩薩。在菩薩立像的外側(cè)，東西兩壁各雕一個(gè)脅侍佛。脅侍立佛頭頂上方均罩華蓋，赤腳踩踏蓮座。在本尊佛像的雙肩兩側(cè)，脅傳菩薩頭頂上方，左右各雕有五身弟子像，合為釋迦牟尼的十大弟子。從整體看，這一窟是曇耀五窟中最豪華、最講究的一窟。

3.2技術(shù)路線

根據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)果，考慮精度要求和各方面因素，認(rèn)真、詳細(xì)的進(jìn)行儀器選擇、觀測計(jì)劃、測站及標(biāo)靶分布、點(diǎn)云拼接方案制定等，針對規(guī)模宏大的高浮雕石窟寺，需要在多層腳手架上面架設(shè)多站進(jìn)行三維激光掃描，獲得完整的360°無死角的石窟寺三維幾何數(shù)據(jù)。石窟寺三維幾何重建主要技術(shù)工作包括控制測量、點(diǎn)云配準(zhǔn)、幾何模型重建等，具體的技術(shù)路線圖如圖1所示：

圖1 三維激光掃描技術(shù)路線圖

3.3外業(yè)數(shù)據(jù)采集

(1)控制測量

通過對測區(qū)進(jìn)行踏勘選點(diǎn)，本項(xiàng)目利用已有的控制成果資料，與高等級控制點(diǎn)聯(lián)測，采用支導(dǎo)線方法對窟內(nèi)三維激光掃描控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測量和高差測量，實(shí)現(xiàn)與國家坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一。利用已有的新型全站儀索佳NET05X通過對導(dǎo)線邊長和轉(zhuǎn)角、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測，嚴(yán)格按照支導(dǎo)線要求控制數(shù)據(jù)精度。利用高精度電子水準(zhǔn)儀徠卡DNA03布設(shè)支水準(zhǔn)路線完成高程測量。標(biāo)靶與控制點(diǎn)坐標(biāo)聯(lián)測精度：平面 ≤5 mm，高程 ≤5 mm。通過對云岡石窟18窟的周邊地形地貌情況進(jìn)行分析，各控制點(diǎn)具體平面布設(shè)圖如圖2所示：

圖2 云岡石窟18窟各控制點(diǎn)平面布設(shè)圖

(2)三維激光掃描外業(yè)

外業(yè)采用不同性能的三維激光掃描儀對石窟進(jìn)行多角度交叉式高精度掃描，石窟外立面和窟頂采用點(diǎn)間距為 2 mm的Faro Focus3D X330地面三維激光掃描儀完成大場景控制；以點(diǎn)間距為 0.3 mm的Surphaser25HSX地面三維激光掃描儀對石窟內(nèi)壁特征進(jìn)行采集；以點(diǎn)間距為 0.1 mm的Go scan手持式激光掃描儀作為細(xì)部及空間不便掃描位置的數(shù)據(jù)補(bǔ)充，獲取石窟內(nèi)壁畫和浮雕造像高精度、高覆蓋率的點(diǎn)面數(shù)據(jù)。三種掃描儀具體參數(shù)表格如表1所示。同時(shí)在石窟外立面和窟內(nèi)做控制點(diǎn)布設(shè)，得到模型坐標(biāo)系與大地控制網(wǎng)中重合點(diǎn)的三維坐標(biāo)，便于后期模型相對坐標(biāo)系統(tǒng)與地方及國家坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一。

3種掃描儀參數(shù)表 表1

針對規(guī)模宏大的云岡石窟18窟，根據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)果、精度要求和各方面因素，需要搭設(shè)腳手架完成18窟的數(shù)據(jù)采集工作。為獲取造像不可見區(qū)域的三維幾何信息，要對佛龕以及塑像采用手持激光掃描儀進(jìn)行細(xì)節(jié)補(bǔ)充，考慮到手持激光掃描儀的作業(yè)范圍以及紋理影像的要求，每層腳手架高度 2 m左右時(shí)，可以采集最全面、最完整、最準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。因此將云岡石窟18窟整體工作分為8層，獲取三維數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集過程中，需注意以下事項(xiàng)：

①控制點(diǎn)均勻布設(shè)在被測區(qū)域的周圍，相鄰控制點(diǎn)間保持通視；

②標(biāo)靶均勻布設(shè)，避免在一條直線上，數(shù)量不少于四個(gè)，以保證數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度；

③掃描時(shí)測站間點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊度不低于30%；

④掃描儀置于腳手架上掃描過程中，避免腳手架晃動，降低后期數(shù)據(jù)處理的困難；

⑤在Go scan手持式激光掃描儀工作過程中，隨時(shí)檢查數(shù)據(jù)是否分層，剔除分層數(shù)據(jù)。

3.4內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

本文利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone、SCENE和Geomagic完成點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云優(yōu)化和坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的完美拼接和融合，以最全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋率實(shí)現(xiàn)完整的文物原貌還原，保證文物信息的高度完整性。

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

為得到超大型石窟寺真實(shí)的三維模型，需獲得文物表面的真實(shí)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建原始曲面。但受超大型石窟寺造像之間遮擋密集、空隙小等方面的限制，本文利用多站測量及不同測量設(shè)備的多角度交叉使用獲得文物表面完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

由于每次測量獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只覆蓋文物部分表面，并可能出現(xiàn)平移錯位和旋轉(zhuǎn)錯位，為得到文物表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需對多次測量得到的局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和配準(zhǔn)，即將不同位置得到的大容量三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，該技術(shù)稱為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。點(diǎn)云配準(zhǔn)作為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的第一步，是后續(xù)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，其精度直接影響后期建模精度。

(2)點(diǎn)云優(yōu)化和坐標(biāo)統(tǒng)一

本文中主要利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone和Geomagic完成點(diǎn)云優(yōu)化。點(diǎn)云數(shù)據(jù)因大量噪點(diǎn)造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層、無用點(diǎn)過多、數(shù)據(jù)量成倍增長等情況，需將噪點(diǎn)、重疊點(diǎn)在軟件里去除，進(jìn)行點(diǎn)云降噪，再經(jīng)過曲率抽稀簡化點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與控制測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一，便于日常測量和成果的相互應(yīng)用。

3.5技術(shù)成果分析

云岡石窟18窟東西最寬處約 18.7 m，南北最長處約 7.7 m，主尊佛像是一大立像，高 15.5 m。針對如此規(guī)模的超大型石窟，技術(shù)重難點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面：

(1)獲取高覆蓋率、完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

通過遠(yuǎn)中近三種不同性能的三維激光掃描儀對文物本體進(jìn)行逐層交叉式掃描，以獲取最全面、最完整、最準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 云岡石窟18窟北壁完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

(2)實(shí)現(xiàn)高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。利用Cyclone點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)Surphaser和Faro數(shù)據(jù)的多站數(shù)據(jù)拼接，其誤差均不超過 3 mm，滿足石窟寺數(shù)字化精度要求。比重圖如圖4所示。

圖4 云岡石窟18窟Surphaser和Faro數(shù)據(jù)拼接誤差比重圖

(3)利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone完成石窟寺大數(shù)據(jù)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與控制測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一(以云岡石窟18窟一層數(shù)據(jù)配準(zhǔn)為例)，如圖5所示。

圖5 云岡石窟18窟統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)精度圖

由圖5得出，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與控制測量數(shù)據(jù)拼接誤差在 3 mm以內(nèi)，滿足工程精度要求。

(4)以云岡石窟18窟東壁脅侍佛點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果為例，利用數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic實(shí)際完成的云岡石窟18窟點(diǎn)云優(yōu)化，點(diǎn)云優(yōu)化誤差均控制在 0.001 mm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足項(xiàng)目技術(shù)要求，具體點(diǎn)云偏差如圖6所示：

圖6 云岡石窟18窟東壁脅侍佛點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化偏差圖

(5)以18窟東壁脅侍佛佛頭為例，如圖7所示，利用數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic對統(tǒng)一坐標(biāo)后的模型數(shù)據(jù)與Go scan數(shù)據(jù)進(jìn)行全局注冊，全局注冊結(jié)果如下：經(jīng)過10次迭代計(jì)算，形成的三角面片最大偏差為 1.7 mm，滿足項(xiàng)目精度要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了地面三維激光掃描儀模型數(shù)據(jù)與手持式激光掃描儀模型數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一。

圖7 云岡石窟18窟東壁脅侍佛佛頭全局注冊示意圖

(6)利用Geomagic對多種數(shù)據(jù)相融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，完成云岡石窟18窟東壁脅侍佛佛頭高精度三維幾何模型重建，如圖8所示。

圖8 岡石窟18窟東壁脅侍佛佛頭三維模型

4 結(jié) 論

本文以云岡石窟18窟數(shù)字化項(xiàng)目為例，采用不同性能的三維激光掃描儀對石窟進(jìn)行多角度交叉式高精度掃描，將三維激光掃描方法應(yīng)用于超大型石窟寺三維幾何信息的獲取和模型重建，該方法具有快速準(zhǔn)確、無須接觸文物本體等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)突破石窟寺造像之間遮擋密集、空隙小等方面的限制，解決大數(shù)據(jù)量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的技術(shù)難題，獲取最全面的超大型石窟寺的三維幾何信息，所采用的技術(shù)和獲得的成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足相關(guān)文物保護(hù)和修復(fù)部門對超大型石窟寺三維信息數(shù)據(jù)的要求，應(yīng)用前景廣泛。

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VeryLargeCaveTemplesThree-dimensionalGeometryReconstructionTechnologyResearch

Wu Shaoming，Liang Xiaona

(Datong Institute of Survey and Investigation，Datong 037000，China)

Cave temples suffered weathering，collapse in the historical vicissitude，corrosion，etc.，grottoes murals and high relief sculpture is affected by the various disasters. To strengthen the protection and repair of large cave temples，shall obtain grottoes and full，high precision of 3d geometry information，for the protection of cultural relics and fix true，detailed scientific basis. In this paper，18 holes of Yungang Grottoes as an example，using a variety of three-dimensional laser scanner on the cultural relics on-line cross-scan，in order to obtain the most comprehensive，most complete and accurate three-dimensional data. This method has a operation speed，no need contact ontology of cultural relics，high reliability data results，the characteristics of data integrity，is a kind of efficient and feasible method of three-dimensional geometry data collection of cultural relics.

3d laser scanning；digital collection；point cloud registration；3d geometry information

1672-8262(2017)05-164-04

P234

A

2016—10—29

吳邵明(1987—)，男，工程師，主要從事文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化和無人機(jī)測繪工作。