孫保燕，翁裕育，周賢君

(桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西桂林 541000)

0 引 言

摩崖石刻是中國(guó)古代的一種石刻藝術(shù)，指在山崖石壁上所刻的書法、造像或者巖畫。許多摩崖石刻為政治或文化名人所題，書法精美，所具有的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值是不可取代的[1]。然而由于其長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，摩崖石刻在日曬雨淋、風(fēng)沙磨蝕等多種因素作用下不斷風(fēng)化，前景堪憂。因此當(dāng)務(wù)之急是采取有效的措施保護(hù)和保存這類珍貴的文化遺產(chǎn)。數(shù)字化三維重建技術(shù)能夠完整地保存石刻現(xiàn)狀，為日后的維護(hù)、修復(fù)和學(xué)術(shù)研究提供真實(shí)、詳盡的科學(xué)依據(jù)。

近年來，隨著三維掃描技術(shù)迅速發(fā)展，在三維模型重建領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。文物掃描由于精度要求較高，目前普遍采用光柵式結(jié)構(gòu)光三維掃描，能夠快速獲取被測(cè)目標(biāo)的點(diǎn)云圖[2-3]。處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，最終得到高精度的模型數(shù)據(jù)。但由于三維掃描儀器架設(shè)高度的限制，無法掃描到較高位置的石刻，且點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性易受掃描角度的影響。儀器成本高且架設(shè)繁瑣，這些因素對(duì)利用該方法對(duì)摩崖石刻進(jìn)行數(shù)字化重建產(chǎn)生一定的局限性。

Autodesk公司于2016年5月發(fā)布了利用數(shù)字影像創(chuàng)建三維模型的軟件Remake。其主要功能是將一系列影像轉(zhuǎn)化為高分辨率的三維網(wǎng)格模型，且利用其提供的智能工具箱對(duì)模型進(jìn)行清理、修復(fù)和優(yōu)化，成果可用于設(shè)計(jì)開發(fā)、數(shù)字保存、虛擬現(xiàn)實(shí)以及工業(yè)制造等。本研究基于Remake軟件進(jìn)行摩崖石刻高精度數(shù)字化建模，并與同一石刻的三維掃描建立的三維模型進(jìn)行對(duì)比分析。

1 基于Remake三維建模方法概述

基于Remake的三維建模是根據(jù)所拍攝的物體多視角影像在Remake中進(jìn)行處理，獲取影像中被攝物體表面帶有空間信息和色彩信息的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重構(gòu)三維數(shù)字模型，是一種對(duì)三維物體進(jìn)行快速逆向建模的技術(shù)。與傳統(tǒng)的利用建模軟件或三維掃描儀得到立體模型的方法相比，基于影像建模的方法成本低廉，真實(shí)感強(qiáng)，簡(jiǎn)單快速，具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。

本研究利用數(shù)字相機(jī)對(duì)全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位桂林市“桂海碑林”內(nèi)的摩崖石刻進(jìn)行數(shù)字影像拍攝，并將篩選后的數(shù)字影像導(dǎo)入Remake軟件中，選取需要導(dǎo)出的精度和格式，經(jīng)過影像匹配處理后導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維建模，最終得到重建的摩崖石刻高精度三維模型。圖1為該方法的主要技術(shù)流程。

圖1 技術(shù)流程圖Fig.1 Technology flow chart

2 數(shù)據(jù)獲取

為保證重建模型的精度，本研究采用專業(yè)級(jí)的尼康D800E數(shù)字單反相機(jī)，對(duì)試驗(yàn)所選摩崖石刻進(jìn)行實(shí)地勘察后選擇最佳拍攝地點(diǎn)，根據(jù)摩崖石刻的外觀形狀進(jìn)行多角度拍攝。影像的拍攝是后期實(shí)現(xiàn)摩崖石刻三維數(shù)字化重建的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，每次拍攝的位置、光的條件、被攝物體表面的反射及任何相機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)，直接影響采集到的影像質(zhì)量，因此拍攝時(shí)需注意：1)相鄰影像要有一定程度的重疊，通過前期試驗(yàn)得出相鄰影像繞目標(biāo)石刻旋轉(zhuǎn)10°～15°能夠很好地還原物體的三維模型，且在光學(xué)變焦下將精細(xì)拍攝的細(xì)部與整體結(jié)合進(jìn)行建?？商岣吣Ｐ偷木?；2)對(duì)于拍攝環(huán)境光源的控制，優(yōu)選是人工持續(xù)光源，其次是自然光源，不可在陽光直射光下或閃光燈下拍攝，且光源必須是穩(wěn)定的漫射光，避免在石刻表面產(chǎn)生光斑；3)相機(jī)的參數(shù)應(yīng)保持恒定，特別是光圈和快門參數(shù)，拍攝時(shí)注意將被攝物體置于影像中心，以減小透視畸變；4)為了防止拍攝時(shí)鏡頭抖動(dòng)造成影像模糊，應(yīng)使用三腳架和快門線進(jìn)行拍攝。圖2為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集示意圖。

圖2 數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.2 Sketch map of data acquisition

3 數(shù)據(jù)處理

3．1 數(shù)字化重建

將外業(yè)拍攝的影像進(jìn)行篩選，去掉對(duì)焦模糊的不合格影像，調(diào)整曝光不準(zhǔn)確的影像，將整理后的影像導(dǎo)入Autodesk Remake軟件，設(shè)置要?jiǎng)?chuàng)建的點(diǎn)云或模型的質(zhì)量、是否進(jìn)行紋理映射等參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)化影像匹配和影像處理。Remake軟件本地模式下對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置要求較高，為提高效率使用圖形工作站進(jìn)行處理；同時(shí)該軟件具備在線服務(wù)模式，將影像傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)處理后把成果返回給用戶。這種通過云服務(wù)計(jì)算的方法優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約時(shí)間和不受計(jì)算機(jī)硬件配置的限制[5]。在本次試驗(yàn)中，對(duì)摩崖石刻分別從下往上依次進(jìn)行三組180度的拍攝，，篩選后共有54張數(shù)字影像用于重構(gòu)建模，生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)除了具有空間屬性外，還具有與影像像素對(duì)應(yīng)的色彩屬性(紅/綠/藍(lán)，RGB值)。

3．2 模型修整

由Remake導(dǎo)出的文件分為兩種格式，一種是帶有色彩、空間信息的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，一種是帶有紋理的網(wǎng)格模型(圖3)。將導(dǎo)出的模型或點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件通過Remake的編輯模式進(jìn)行修整：1)對(duì)于模型文件，首先仔細(xì)檢查模型的完整度，記錄下缺漏或不清晰的位置進(jìn)行局部補(bǔ)充拍攝，若局部拍攝不能消除該缺陷，為保證模型的精確性，應(yīng)全部重新拍攝；再通過編輯工具去除目標(biāo)石刻之外的其他物體，裁切出所需逆向的石刻部分；最后通過標(biāo)識(shí)點(diǎn)等比例縮放到實(shí)際尺寸后進(jìn)行保存。2)對(duì)于點(diǎn)云文件，同樣應(yīng)進(jìn)行完整度檢查和刪除目標(biāo)石刻外的其他物體，再導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、采樣、封裝，得到修整后的模型[6](圖4)。通過以上兩種方式均可導(dǎo)出帶有紋理的摩崖石刻數(shù)字化模型數(shù)據(jù)文件。

圖3 帶紋理信息的石刻三維模型Fig.3 3D model of cliff carving with texture information

圖4 Geomagic Studio封裝的三維網(wǎng)格模型Fig.4 3D mesh model created by Geomagic Studio

4 數(shù)據(jù)精度分析

數(shù)據(jù)精度是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)，本研究將基于Remake的三維建模技術(shù)得出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與用結(jié)構(gòu)光三維掃描同一石刻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，利用兩類點(diǎn)云之間的垂直偏差評(píng)估本研究方法獲得數(shù)據(jù)的精度。

參考試驗(yàn)組的儀器采用EaScan-Q結(jié)構(gòu)光三維掃描儀，主要技術(shù)指標(biāo)為：點(diǎn)距0.08～0.31mm，精度為0.02～0.05mm。該精度遠(yuǎn)超出摩崖石刻模型精度要求，作為參考對(duì)象誤差可忽略不計(jì)。圖5為該儀器獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖5 三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.5 Point cloud data of 3D scanning

兩類點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是離散的點(diǎn)，很難找到具有相同平面坐標(biāo)的點(diǎn)計(jì)算垂直偏差。使用Geomagic Studio軟件使點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)齊，將結(jié)構(gòu)光三維掃描的點(diǎn)云設(shè)定為參考點(diǎn)云，基于Remake三維建模獲得的點(diǎn)云設(shè)定為比較點(diǎn)云。然后以比較點(diǎn)云中選取的特征點(diǎn)為圓心，不斷擴(kuò)大搜索半徑，直到在參考點(diǎn)云中尋找到距離最近的參考點(diǎn)(圖6箭頭所示)，然后計(jì)算點(diǎn)對(duì)之間的垂直分量(圖6中的v1，v2，…)，以最近點(diǎn)對(duì)之間的垂直分量作為數(shù)據(jù)的垂直偏差[7]。為了保證偏差最小化，數(shù)據(jù)掃描時(shí)參考點(diǎn)云密度應(yīng)高于比較點(diǎn)云。利用上述方法計(jì)算得到抽樣選取的42個(gè)特征點(diǎn)的對(duì)比結(jié)果(表1)，分析可知兩組數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)之間平均偏差為0．93mm，說明平均擬合精度高， 93．7%的偏差小于1．4mm，小偏差范圍分布面大。在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上，還可添加大量的細(xì)部影像以提高三維模型的精度。依據(jù)此擬合分析說明基于Remake三維建模技術(shù)生成的點(diǎn)云在單點(diǎn)及整體精度上都達(dá)到了較高的水準(zhǔn)，完全可以滿足大型摩崖石刻數(shù)字化重建要求。

圖6 計(jì)算數(shù)據(jù)垂直偏差示意圖Fig.6 Schematic diagram of calculating vertical deviation表1 特征點(diǎn)精度對(duì)比Table 1 Accuracy comparison of feature points (mm)

5 結(jié)果與討論

本研究基于Remake照片三維建模技術(shù)重建的摩崖石刻三維模型，作為摩崖石刻完整、準(zhǔn)確的數(shù)字檔案。通過本試驗(yàn)可總結(jié)其所具備的優(yōu)勢(shì)：

1) 本技術(shù)能夠迅速精確地完成石刻數(shù)字化重建，這對(duì)于表面復(fù)雜的石刻來說，用傳統(tǒng)測(cè)量方法幾乎是無法完成的。非接觸式測(cè)量能夠最大限度地防止測(cè)量時(shí)對(duì)石刻等文物的干預(yù)；數(shù)據(jù)采集過程簡(jiǎn)單，降低了外業(yè)工作強(qiáng)度，且設(shè)備成本低，能夠大規(guī)模推廣應(yīng)用；基于Remake軟件的自動(dòng)影像匹配技術(shù)解決了以往照片建模需要通過復(fù)雜標(biāo)定等后期處理的技術(shù)難關(guān)。

2) 本技術(shù)解決了三維掃描儀等測(cè)量設(shè)備受到地面作業(yè)限制無法獲取摩崖石刻立面上半部分細(xì)部的問題。為三維掃描儀角度受限的問題提供了解決的方法，對(duì)于石刻頂部高度較低(不大于6m)的目標(biāo)，可以將相機(jī)安裝在帶有四軸遠(yuǎn)程操控云臺(tái)的可伸縮腳架上進(jìn)行拍攝。對(duì)于離地面高度較高的目標(biāo)，可以采用帶有高清攝影的微型無人航拍器在空中獲取高角度的影像，與地面拍攝數(shù)據(jù)合成使數(shù)字化成果更加完善。

3) 利用本方法進(jìn)行逆向建模能夠構(gòu)造出具有真實(shí)紋理的三維模型，在視覺上與目標(biāo)石刻沒有明顯的差異，滿足真實(shí)感視覺的要求。因此，除作為文物數(shù)字檔案庫(kù)儲(chǔ)存外，還可直接運(yùn)用于沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)中。成果可通過Remake云服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上提供摩崖石刻三維模型的平移與放縮，多角度自由場(chǎng)景漫游等可視化展示，加入石刻相關(guān)屬性信息，為摩崖石刻的保護(hù)性修繕及旅游宣傳提供了新途徑。

6 結(jié) 論

本研究利用基于Remake三維建模技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例，對(duì)摩崖石刻的數(shù)字化重建進(jìn)行了研究，提出了一種迅速精確對(duì)石刻逆向建模的方法。較傳統(tǒng)的三維掃描方法具有速度快、外業(yè)強(qiáng)度低、細(xì)部效果完善、成本低廉、真實(shí)感強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)對(duì)比分析顯示，本研究采用的技術(shù)方法具有良好的可行性，為復(fù)雜的摩崖石刻數(shù)字化重建工作提供了新的便捷通道，具有很好的推廣應(yīng)用前景。