王順仁，王小偉，鞏一璞

（1.國家古代壁畫與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心，甘肅 敦煌 736200；2.敦煌研究院，甘肅 敦煌 736200；3.甘肅莫高窟文化遺產(chǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，甘肅 敦煌 736200）

1 背景介紹

我國現(xiàn)有大量的壁畫賦存于古建筑、石窟寺、墓葬[1]。受自然和社會因素的長期影響，古代壁畫出現(xiàn)了如起甲、空鼓、酥堿、皰疹等多種病害，古代壁畫的保護(hù)修復(fù)就是穩(wěn)定壁畫的現(xiàn)存狀態(tài)，減緩和制止壁畫褪變過程，消除安全隱患，保存其完整性[2]。如壁畫病害處于活動性狀態(tài)，就需要及時(shí)對壁畫進(jìn)行修復(fù)。判斷是否屬于活動性病害，目前現(xiàn)有的方法如觀察，文字記錄和平面拍攝都不能夠真實(shí)全面地反映病害變化，急需一種有效的監(jiān)測保護(hù)措施來實(shí)現(xiàn)。

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)的迅速發(fā)展、3D 掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于不同行業(yè)領(lǐng)域，其能在短時(shí)間內(nèi)快速獲取大量待測目標(biāo)空間點(diǎn)位信息，建立目標(biāo)的3D 模型并提取線、面、體等數(shù)據(jù)，以光反射的原理獲取靜態(tài)物體表面的海量3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用高精度逆向3D 建模及重構(gòu)技術(shù)，以同步獲取目標(biāo)范圍的3D 坐標(biāo)數(shù)據(jù)和數(shù)碼照片的方式快速獲取實(shí)體或?qū)嵕暗饶繕?biāo)的3D 立體信息，通過計(jì)算機(jī)重構(gòu)其3D 數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事物的實(shí)時(shí)的、變化的、真實(shí)的形態(tài)特性,可實(shí)現(xiàn)非接觸式的測量為物體快速建模和空間變化分析提供了一種新的工具。

2 在文物保護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D 掃描技術(shù)源于國外，國內(nèi)很多相關(guān)院校和科研院所開展了對3D 掃描技術(shù)的理論和應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了通過多傳感器對目標(biāo)斷面的數(shù)據(jù)匹配來獲取被測物表面特征[3-4]。目前3D 掃描設(shè)備種類較多，根據(jù)掃描儀使用方式和應(yīng)用領(lǐng)域又分為手持式、臺式、地面以及機(jī)載掃描儀等，被廣泛的應(yīng)用各個(gè)行業(yè)中，例如農(nóng)業(yè)、林業(yè)、工業(yè)、國土測繪、水利水電、設(shè)計(jì)制造、橋隧交通、醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)、建筑、地下空間等。在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用很廣泛，主要是對文物表面紋理信息進(jìn)行數(shù)字采集，建立數(shù)字檔案，文物修復(fù)建模[5],建筑測繪、3D 打印等。近年來國內(nèi)許多文物保護(hù)單位利用3D 掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化項(xiàng)目，文物數(shù)字化項(xiàng)目主要有：故宮博物院與日本凸版印刷株式會社合作的數(shù)字故宮項(xiàng)目[7]；浙江大學(xué)開發(fā)的敦煌石窟虛擬漫游與壁畫復(fù)原系統(tǒng)[8]；秦兵馬俑博物館與西安四維航測遙感中心合作的“秦俑博物館二號坑遺址三維數(shù)字建模”項(xiàng)目[9]等。

3 3D 掃描儀技術(shù)原理和使用方法分類

3.1 3D 掃描技術(shù)原理

3D 掃描技術(shù)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，利用不同的測距原理，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，創(chuàng)建密集“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，記錄現(xiàn)實(shí)世界中物體的幾何形狀、顏色、紋理信息，搜集到的數(shù)據(jù)被用來進(jìn)行3D 模型構(gòu)建，越密集的“點(diǎn)云”創(chuàng)建的模型精度越高。同時(shí)3D 掃描系統(tǒng)可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，直接將各種大型、復(fù)雜實(shí)體的3D 數(shù)據(jù)完整的采集到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)而快速重構(gòu)出被掃描物體的點(diǎn)、線、面、體等各種幾何數(shù)據(jù)并輸出3D 模型，而且它所采集到的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)還可以直接導(dǎo)入到多個(gè)后期制作軟件進(jìn)行多種處理工作。

3.2 3D 掃描儀使用方法分類

3D 掃描就是對被測物進(jìn)行全方位掃描，確定被測物的3D 坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)，其測量原理分為測距、角位移、掃描、定向四個(gè)方面。根據(jù)3D 掃描技術(shù)原理研發(fā)的儀器包括三坐標(biāo)測量機(jī)、激光3D 掃描儀和拍照式（結(jié)構(gòu)光）3D 掃描儀三種測量儀器等。3D掃描儀使用方法分類為接觸式與非接觸式兩種，后者又可分為主動掃描與被動掃描這些分類下又細(xì)分出眾多不同的技術(shù)方法 現(xiàn)在市面上用的最多的掃描儀是激光掃描儀和結(jié)構(gòu)光掃描儀，都能實(shí)現(xiàn)非接觸掃描，利用的測距原理有時(shí)差法測距、相位法測距、三角測量法三種。

手持激光掃描儀通過三角形測距法建構(gòu)出3D圖形，透過手持式設(shè)備對待測物發(fā)射出激光光點(diǎn)或線性激光，以兩個(gè)或兩個(gè)以上的偵測器（電偶組件或位置感測組件）測量待測物的表面到手持激光產(chǎn)品的距離，通常還需要借助特定標(biāo)記點(diǎn)，可反射的貼片用于掃描儀在空間中定位及校準(zhǔn)使用。

手持結(jié)構(gòu)光掃描儀由發(fā)光原件向被測表面投射光柵條紋圖像，從與投影方向成一定角度，光柵條紋受到被測物表面深度不同的調(diào)制，相位發(fā)生變化，變形的光柵攜帶了物體的3D 形狀信息，利用三角函數(shù)原理，根據(jù)相位與物體空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系求出物體的3D 坐標(biāo)，還可以獲取到待測物的色彩信息，利用其色彩特征點(diǎn)定位。

3.3 適用于壁畫的3D 掃描儀

從三種測距方法優(yōu)缺點(diǎn)來看，時(shí)差測量的距離最長，但精度隨著距離的增加而降低。相位法它是通過對兩個(gè)間接測量才得到距離值，但是精度最高，適合近距離、室內(nèi)的測量。三角測量法結(jié)構(gòu)簡單、測量距離大、抗干擾、測量點(diǎn)小（幾十微米）、測量準(zhǔn)確度高，但是會受到光學(xué)元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強(qiáng)和直徑大小以及被測物體的表面特征等因素的影響，為了提高掃描速度和精度，多數(shù)掃描儀需要在被測物體上貼參照標(biāo)記點(diǎn)，如果有些掃描物體表面有吸光性質(zhì)顏色、反光、透明都是無法直接掃描的，需要涂抹顯影劑，顯影劑不容易去除，壁畫是很珍貴的文物，在對壁畫掃描時(shí)，貼標(biāo)記點(diǎn)和涂抹顯影劑都是不容許的。此次試驗(yàn)采用了型號為Go!SCAN 50 手持式拍照結(jié)構(gòu)光掃描儀，如圖1 所示。

圖1 手持式結(jié)構(gòu)光掃描儀

GO！SCAN 50 手持結(jié)構(gòu)光拍照掃描儀，掃描儀通過向物體表面投射白光形成光柵圖案，結(jié)合上下兩個(gè)視覺攝像頭和一個(gè)彩色攝像頭，來記錄物體表面信息，采集在整個(gè)光圖案中完成。光柵圖案隨著掃描對象的曲面變形，該掃描儀最特別之處在于在掃描定位節(jié)點(diǎn)的時(shí)候可以選擇使用自然特征，通過顏色的自然信息創(chuàng)建虛擬目標(biāo)點(diǎn)，它可以提升幾何跟蹤能力（與那種貼的目標(biāo)點(diǎn)類似），這樣就避免了在壁畫表面貼標(biāo)記點(diǎn)。還能智能混合定位，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，內(nèi)置智能還會阻止采集定位不準(zhǔn)確框架。掃描儀還可以通過數(shù)碼彩色攝像頭采集和檢測對象紋理定位。同時(shí)采集過程中，采集圖像會隨著操作者的移動實(shí)時(shí)變化，獲得完整的3D 數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)包含紋理和網(wǎng)格。

4 3D 掃描數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)通過3D 掃描儀對室內(nèi)壁畫病害起甲、酥堿，室外壁畫墻、莫高窟窟內(nèi)壁畫病害起甲、皰疹、空鼓，三處的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對掃描儀的精度和可行性進(jìn)行了證實(shí)。

4.1 室內(nèi)壁畫病害模擬實(shí)驗(yàn)

將模擬試塊放入恒溫箱，溫度控制恒定在58℃，每天對試塊進(jìn)行三次加濕，通過加濕烘干的方法，加快顏料層表面物理變化速度，在顏料層發(fā)生輕微變化時(shí)，用3D 掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

壁畫病害發(fā)生形變判斷依據(jù)是把掃描獲取的3D 網(wǎng)格數(shù)據(jù)運(yùn)用Geomagic Control 或是Geomagic Warp 這類具有3D 數(shù)據(jù)分析功能的軟件，對不同時(shí)間掃描采集到的壁畫面網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對比，形變部位會在3D 模型上以不同的色譜表示。數(shù)據(jù)模型可由軟件提供的N 點(diǎn)對齊，最佳擬合對齊，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等功能對齊，實(shí)驗(yàn)中為了確保數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，擬合時(shí)將參數(shù)設(shè)置為公差0.0mm,采樣大小100000，檢查對稱性、高精度擬合、將測試對象的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為參考對象的坐標(biāo)系，統(tǒng)一坐標(biāo)。壁畫的線條和顏色信息比較豐富，在統(tǒng)一坐標(biāo)后，也可使用N 點(diǎn)對齊功能，手動進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊。

分析結(jié)果，根據(jù)設(shè)定好的形變閾值±1mm 最小值±0.1m，軟件會在3D 模型上面以不同顏色顯現(xiàn)出來，綠色表示前后壁畫面形體沒有發(fā)生變化，黃色和紅色表示凸起，藍(lán)色或是淺藍(lán)色表示凹陷，灰色表明形變超過閾值，見表1，表2。

表1 起甲病害變化3D 網(wǎng)格數(shù)據(jù)表

表2 酥堿病害變化3D 網(wǎng)格數(shù)據(jù)表

圖2 起甲病害試塊3D 對比

圖3 酥堿病害試塊3D 對比

從圖2、圖3 起甲和酥堿病害模擬試塊第一次和最后一次3D 數(shù)據(jù)對比結(jié)果看出，兩試塊都發(fā)生了較為明顯的形變，起甲病害試塊下部黃色區(qū)域凸起，變化值在0.2～0.8mm 之間，上部藍(lán)色區(qū)域凹陷，變化值在0.1～0.8mm 之間，酥堿病害試塊黃-紅色中間部位凸起，變化值在0.2～1mm 之間，周邊藍(lán)色部位凹陷，變化值在0.2～1mm 之間。選用KEYENCE VHX-1000 型便攜式數(shù)碼顯微鏡對起甲病害表面微觀形貌觀察，利用其自帶的高畫質(zhì)深度合成功能進(jìn)行3D 合成，測的起翹高度約為1mm,與掃描獲取的3D 形變數(shù)據(jù)值相近。

4.2 壁畫模擬墻實(shí)驗(yàn)

試塊實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)完成相較于真實(shí)的壁畫來說，它的面積小，擬合精度高，為了進(jìn)一步驗(yàn)證選用室外壁畫模擬墻對掃描儀進(jìn)行了測試，如圖4所示。

圖4 壁畫模擬墻

利用壁畫起甲的原理，在顏料中加入濃度較高的膠，可人為制造壁畫起甲。對墻面進(jìn)行掃描時(shí)，墻面白色顏料較多，且3D 結(jié)構(gòu)光掃描儀投射出的也是白光，因光反射的原因，不能很好地測得墻面空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。晴天，太陽光會對儀器光感應(yīng)傳感器和攝像頭產(chǎn)生干擾，識別效果差。另外壁畫色彩信息單一，使得掃描儀無法精準(zhǔn)定位，會出現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)拼接錯(cuò)亂。為了提高儀器掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，選擇陰天，減弱外界光的干擾，對壁畫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖5 所示。

圖5 壁畫模擬墻起甲病害3D 色彩數(shù)據(jù)

從實(shí)際獲取的3D 模型數(shù)據(jù)紋理信息圖上發(fā)現(xiàn)，兩次掃描采集的壁畫面分辨率大小是不同的，在擬合對比時(shí)出現(xiàn)了圖6 所示的情況，發(fā)生形變的部位較多，兩次數(shù)據(jù)都是同一天內(nèi)采集完成，從分析結(jié)果來看形變過大，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

圖6 兩次壁畫模擬墻掃描3D 數(shù)據(jù)1mm 偏差值對比

為了驗(yàn)證其問題，在模擬墻面上粘貼了多個(gè)參照標(biāo)記點(diǎn)，通過導(dǎo)出兩次標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)值，發(fā)現(xiàn)3D 掃描儀在采集數(shù)據(jù)的過程中是移動的，掃描的起始位置和機(jī)器的視角不同。計(jì)算控制器通過參考點(diǎn)坐標(biāo)值和顏色信息的坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算識別拼接，每次光柵圖案返回的距離值因儀器角度的不同，得到的壁畫面3D空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)也會因?yàn)閮x器角度的影響而不同[16]，同時(shí)掃描儀獲取的世界坐標(biāo)點(diǎn)，在到數(shù)據(jù)處理軟件中，會將世界坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為全局坐標(biāo)，從數(shù)據(jù)分析結(jié)果得出，移動狀態(tài)下采集到的3D 數(shù)據(jù)擬合偏差較大。

把貼標(biāo)記點(diǎn)獲取的3D 數(shù)據(jù)利用N 點(diǎn)對齊和最佳擬合對齊功能多次對齊后，將偏差臨界值設(shè)置為±1mm,最小值設(shè)置為±0.1mm，分析結(jié)果如圖7 所示，兩次3D 模型數(shù)據(jù)擬合較好大小相同，沒有明顯的形變，如圖7 所示。

圖7 墻面貼標(biāo)記點(diǎn)后3D 數(shù)據(jù)對比

在壁畫表面貼標(biāo)記點(diǎn)能提高掃描精度，但在實(shí)際壁畫數(shù)據(jù)掃描采集時(shí)，參考標(biāo)記點(diǎn)是不能在壁畫面粘貼的，因該點(diǎn)具有粘性，取下時(shí)會對壁畫造成人為破壞。為減小儀器掃描角度所產(chǎn)生的誤差因素，考慮將儀器固定在三腳架上面，利用激光測距儀測得支架的高度，離墻距離、旋轉(zhuǎn)度然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。固定之后只能掃描儀器視角范圍內(nèi)的壁畫，大范圍的壁畫需要移動位置來完成采集，這樣可能會增大誤差，如圖8 所示，固定采集的3D 數(shù)據(jù)擬合度要高于移動狀況下。

圖8 固定狀態(tài)下3D 掃描數(shù)據(jù)對比

4.3 洞窟壁畫掃描實(shí)驗(yàn)

完成室內(nèi)、室外測試實(shí)驗(yàn)后，對設(shè)備的性能以及軟件操作都有了清楚的認(rèn)識。在實(shí)際應(yīng)用中選取了莫高窟第12 窟壁畫起甲、皰疹和第354 窟空鼓病害進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的探索研究。洞窟內(nèi)的環(huán)境光線暗，掃描時(shí)避免了外界的光源對掃描儀鏡頭的干擾，掃描發(fā)出的是白光，能清晰的照亮壁畫表面，儀器可以根據(jù)壁畫表面視覺信息反饋，自動快門調(diào)節(jié)，對壁畫色彩和紋理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如圖9所示。

圖9 莫高窟第12 窟南壁起甲病害局部

將3D 偏差閾值設(shè)置為±1mm,將兩種操作方式下掃描到的洞窟壁畫病害3D 數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。移動掃描時(shí)，掃描的范圍較大，其數(shù)據(jù)受儀器視角的影響，不能完美的擬合，兩次數(shù)據(jù)擬合形成了夾角。三角架固定掃描儀時(shí)，因采集的位置固定，儀器視野下的掃描畫面大小相對固定，儀器視角影響減小，數(shù)據(jù)擬合分析速度快，準(zhǔn)確度高，如圖10 所示。

圖10 莫高窟第12 窟南壁起甲固定狀態(tài)下3D 掃描數(shù)據(jù)分析

圖11 莫高窟第12 窟南壁起甲固定狀態(tài)下相隔半年采集的3D 掃描數(shù)據(jù)對比

對比莫高窟第12 窟南壁起甲間隔半年數(shù)據(jù)，從圖11 中可看到，下部淺藍(lán)色部位的壁畫面要低于原始畫面，有輕微的形變，形變值在0.1mm 范圍內(nèi)，如圖12 所示。

圖12 莫高窟第12 窟前室西壁北側(cè)皰疹病害

在對皰疹病害進(jìn)行掃描時(shí)，由于壁畫面凹凸不平，每個(gè)凸起的皰疹點(diǎn)都會形成零散的面，移動狀態(tài)掃描時(shí)，因儀器角度的不同，皰疹點(diǎn)的遮擋，對數(shù)據(jù)采集造成較大干擾。固定狀態(tài)下，數(shù)據(jù)擬合也出現(xiàn)了錯(cuò)誤，最終的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖13、圖14所示，變化的點(diǎn)太多，該掃描儀不適用于這類面變化多的病害。

圖13 莫高窟第12 窟前室西壁北側(cè)皰疹病害移動狀態(tài)下3D 掃描數(shù)據(jù)分析

圖14 莫高窟第12 窟前室西壁北側(cè)皰疹病害固定狀態(tài)下3D 掃描數(shù)據(jù)分析

莫高窟第354 窟空鼓壁畫病害3D 數(shù)據(jù)分析結(jié)果和莫高窟第12 窟一樣。移動狀態(tài)下，前后兩次數(shù)據(jù)擬合度較低，固定狀態(tài)下擬合度較高。如圖15，圖16 所示。

圖15 莫高窟第354 窟東壁北側(cè)壁畫空鼓

圖16 莫高窟第354 窟東壁北側(cè)壁畫空鼓病害固定狀態(tài)下3D 掃描數(shù)據(jù)分析

圖17 莫高窟354 窟東壁北側(cè)空鼓壁畫病害固定狀態(tài)下相隔半年采集的3D 掃描

對比間隔半年采集到的3D 數(shù)據(jù)，從圖17 中可以看到，壁畫面中間位置黃色部位有凸起，左側(cè)藍(lán)色位置向內(nèi)凹陷，右側(cè)靠近甬道門部位凸起，變化值在0.1mm,說明該壁畫墻面有輕微的形變。

5 結(jié)論

通過模擬實(shí)驗(yàn)及洞窟內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的效果來看，使用3D 掃描設(shè)備可以初步實(shí)現(xiàn)部分病害監(jiān)測的要求，設(shè)計(jì)思路是正確的，但是由于受設(shè)備精度等影響，沒有完全達(dá)到理想的效果，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）結(jié)構(gòu)光掃描儀采用數(shù)碼相機(jī)對光柵進(jìn)行跟蹤，壁畫表面粗糙程度對儀器視覺的干擾較大，使得光信號反射回儀器的時(shí)間出現(xiàn)一定差異，掃描距離產(chǎn)生一定的誤差，目前精度的儀器不適合用于酥堿（皰疹）壁畫病害監(jiān)測。

2）便捷手持式掃描儀雖然使用方便，但在移動的過程中，由于壁畫表面不能貼標(biāo)記點(diǎn)，儀器視角只能通過壁畫色彩以及自然特征作為參考獲取密集“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)形成3D 網(wǎng)格模型，當(dāng)色彩信息類似的情況下，掃描的準(zhǔn)確性會下降。數(shù)據(jù)記錄主要是由攝像頭來感知，攝像頭的精度問題也會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。掃描儀的角度是實(shí)時(shí)變化的，得到的3D 數(shù)據(jù)模型在后期分析時(shí)，由于空點(diǎn)坐標(biāo)的不一致，數(shù)據(jù)擬合分析有一定的難度，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

此次3D 掃描技術(shù)的精度理論可以精確到0.1mm，隨著3D 掃描設(shè)備的精度不斷提高、價(jià)格逐步下降，處理速度的加快，如果使用專門定制的掃描設(shè)備并結(jié)合其他方式的監(jiān)測方法，將會將壁畫病害發(fā)展監(jiān)測引到一個(gè)新的方向，壁畫監(jiān)測的水平能夠提升到一個(gè)新的高度。