張文

摘 要：文物保護(hù)是社會(huì)研究和人類(lèi)歷史研究中的重點(diǎn)領(lǐng)域，近年來(lái)興起的三維掃描技術(shù)，在文物保護(hù)中有著積極的作用，逐漸成為數(shù)字化文物保護(hù)的重要手段。文章在研究分析三維掃描技術(shù)原理與核心設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)階段三維掃描技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討了該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)路線與關(guān)鍵流程。

關(guān)鍵詞：三維掃描技術(shù);文物保護(hù);點(diǎn)云;建模

我國(guó)是一個(gè)擁有著幾千年?duì)N爛文明的國(guó)家，留存至今的文物數(shù)不勝數(shù)，文物保護(hù)是國(guó)家歷史研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。歷史文物沉淀了一個(gè)國(guó)家的文化和共同記憶，通過(guò)文物研究可以探索過(guò)去的歷史。如何借由高效、準(zhǔn)確的方式，既保護(hù)文物本體，又實(shí)現(xiàn)文物的展出，是文物保護(hù)工作的一個(gè)重點(diǎn)研究課題。傳統(tǒng)的測(cè)量方式過(guò)于簡(jiǎn)陋和笨拙，同時(shí)呈現(xiàn)的方式單一，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)階段文物保護(hù)的需求。三維掃描技術(shù)是近年來(lái)文物保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用效果較好的一種技術(shù)，其以非接觸、高精度采樣和快速建模等特點(diǎn)，在數(shù)字化文物保護(hù)中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。

1 三維掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 三維掃描技術(shù)原理

在文物保護(hù)中應(yīng)用三維掃描技術(shù)，其基本原理是利用激光測(cè)距技術(shù)，并結(jié)合動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和建模再現(xiàn)。這里的儀器既包括激光掃描儀，又包括與之相關(guān)的組合測(cè)量裝置、相機(jī)、傳感器以及安裝有專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)等。

三維掃描技術(shù)基本原理是激光掃描儀向文物射出激光脈沖，在其表面產(chǎn)生漫反射，反射的光束由專(zhuān)業(yè)的觀測(cè)設(shè)備采集，通過(guò)計(jì)算兩者的時(shí)間差，求得掃描儀到物體的距離。借助于專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，應(yīng)用測(cè)角系統(tǒng)和三角高程原理，得到掃描對(duì)象的激光反射強(qiáng)度和三維坐標(biāo)，進(jìn)而建立起三維幾何模型。最終通過(guò)色彩和紋理貼圖，呈現(xiàn)出更加真實(shí)、生動(dòng)的文物模型。

1.2 三維掃描核心設(shè)備

作為三維掃描技術(shù)的核心設(shè)備，三維激光掃描儀按照掃描空間和搭載方式的不同，大體分為固定式、手持式、機(jī)載式和車(chē)載式等;按照測(cè)序原理不同，又可分為光學(xué)三角測(cè)量、脈沖式、相位差式等。其中脈沖式激光掃描出現(xiàn)時(shí)間最早，測(cè)量范圍在幾百至幾千米之間，但是精度較低，只能達(dá)到厘米級(jí);相位差式三維掃描儀可以掃描幾十米距離的物體，精度較高，可達(dá)毫米級(jí);光學(xué)三角測(cè)量?jī)x使用三角幾何關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，距離最近，精度最高達(dá)到亞毫米級(jí)。

2 三維掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 三維掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1.1 利用三維掃描可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)采集向批量采集的轉(zhuǎn)化

單點(diǎn)式采集不可避免地存在抗干擾能力弱，誤差大，工期長(zhǎng)，效率低等缺陷。在文物的測(cè)繪和保護(hù)過(guò)程中，需要工作人員開(kāi)展大量的高精度活動(dòng)，這也導(dǎo)致了傳統(tǒng)的單點(diǎn)式采集與文物保護(hù)需求之間的矛盾。傳統(tǒng)的測(cè)繪方式難以得到精確數(shù)據(jù)，進(jìn)而導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理的誤差，影響了文物考察和保護(hù)工作。另一方面，受采集模式的限制，單點(diǎn)式采集無(wú)法實(shí)現(xiàn)多角度數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)對(duì)比，難以建立可信的高精度三維立體模型。

文物中存在大量的體積巨大、難以移動(dòng)的建筑類(lèi)文物，依靠傳統(tǒng)的測(cè)量方式，難以得到全面精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而無(wú)法反映建筑物外圍的空間關(guān)系。與此同時(shí)，作為一種難以移動(dòng)的文物，建筑物的測(cè)繪只能在室外進(jìn)行，受到外界條件的制約較多。引入三維掃描技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)批量式、連續(xù)性的數(shù)據(jù)采集，采集周期短，效率高，數(shù)據(jù)密度大，抗外界干擾能力強(qiáng)。三維掃描技術(shù)更加貼合文物的實(shí)際情況，保證了最終成果與文物實(shí)體的一致性。

2.1.2 利用三維掃描可以實(shí)現(xiàn)外業(yè)測(cè)量向內(nèi)業(yè)測(cè)量的轉(zhuǎn)化

大型雕塑和大型建筑都往往需要較多的人力投入室外測(cè)量工作，測(cè)量工作量大、誤差大。同時(shí)在攀爬和搭建腳手架的過(guò)程中，不僅存在一定的危險(xiǎn)性，還可能對(duì)文物的完整性造成損害。南方梅雨季節(jié)和西北的風(fēng)沙環(huán)境都可能影響測(cè)繪進(jìn)度，進(jìn)而影響工期。利用三維掃描技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高密度的測(cè)繪工作，結(jié)合計(jì)算機(jī)處理得到同比例的測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量工作的內(nèi)業(yè)化，大大改善了測(cè)量的工作環(huán)境，降低了工作強(qiáng)度。

2.2 三維掃描技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代發(fā)明了激光技術(shù)，隨著激光技術(shù)的不斷成熟，三維激光掃描技術(shù)逐漸應(yīng)用于建筑、采礦、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。美國(guó)、法國(guó)、瑞士等諸多海外國(guó)家均成立了規(guī)模較大的三維激光掃描系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)，在三維掃描技術(shù)的原理研究和關(guān)鍵設(shè)備生產(chǎn)中形成優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)在20世紀(jì)歐美國(guó)家中率先投入使用，相對(duì)的研究也更加深入，在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用案例更多。較為知名的項(xiàng)目是美國(guó)2003年數(shù)字化米開(kāi)朗琪羅項(xiàng)目，華盛頓大學(xué)和斯坦福大學(xué)選取了10件著名的雕像進(jìn)行掃描，得到了2億個(gè)面片及海量的照片，成功地對(duì)上述雕像進(jìn)行了三維復(fù)原。德國(guó)漢堡大學(xué)于2004年使用激光掃描技術(shù)，對(duì)兩座大廳進(jìn)行了全方位的掃描，得到數(shù)字化二維平面布局和三維模型。2015年有學(xué)者對(duì)LasCuevas遺址進(jìn)行了三維掃描，重點(diǎn)探討了相移變化。2016年，國(guó)外學(xué)者利用三維掃描技術(shù)對(duì)瑞士高山地區(qū)的石版畫(huà)進(jìn)行了侵蝕研究。

在數(shù)字化文物保護(hù)的浪潮下，國(guó)內(nèi)眾多的文物保護(hù)團(tuán)體和文物保護(hù)單位也紛紛采用三維掃描技術(shù)。故宮博物院與日本單位合作，建立了故宮數(shù)字模型，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維掃描技術(shù)，構(gòu)建了故宮建筑群數(shù)據(jù)庫(kù)。2007年，秦始皇陵兵馬俑博物館運(yùn)用三維掃描技術(shù)，對(duì)2號(hào)坑進(jìn)行了數(shù)字建模。首都博物館借助成立的文物保護(hù)分析實(shí)驗(yàn)室，對(duì)館藏的100余件文物進(jìn)行了三維掃描和數(shù)字建模。2010年，國(guó)家“指南針計(jì)劃”使用三維激光掃描和傳統(tǒng)手繪相結(jié)合的技術(shù)，對(duì)北京先農(nóng)壇太歲殿整體結(jié)構(gòu)和彩色裝飾等進(jìn)行三維數(shù)字化重現(xiàn)。

3 三維掃描技術(shù)在文物測(cè)繪中的應(yīng)用

3.1 技術(shù)路線與流程

應(yīng)用三維掃描技術(shù)輔助文物保護(hù)的常規(guī)路線分析如下：①掃描現(xiàn)場(chǎng)的勘測(cè)與分析。應(yīng)了解需保護(hù)文物周?chē)淖鳂I(yè)環(huán)境，大致描述掃描對(duì)象的空間分布及外在形態(tài)，確定掃描點(diǎn)的位置及標(biāo)靶等。②根據(jù)勘測(cè)信息確定掃描技術(shù)方案。三維掃描技術(shù)方案中應(yīng)包含二維掃描儀型號(hào)、數(shù)據(jù)采集方案、控制點(diǎn)空間布設(shè)、成果類(lèi)型、項(xiàng)目進(jìn)度控制方案和數(shù)據(jù)處理等。③開(kāi)展野外作業(yè)，獲取數(shù)據(jù)信息。④依據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、濾波、模型構(gòu)建等，最終形成所需的數(shù)字化成果。

3.2 點(diǎn)云去噪

運(yùn)用三維掃描技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行數(shù)字化處理，主要的環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)去噪、簡(jiǎn)化處理、壓縮分割與三維模型建立。文章重點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云去噪、簡(jiǎn)化壓縮和模型建立三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照點(diǎn)云的空間位置分布，可以分為掃描線點(diǎn)云、陣列式點(diǎn)云、三角化點(diǎn)云和散亂點(diǎn)云四類(lèi)。采集文物時(shí)獲得的三維激光掃描數(shù)據(jù)為散亂點(diǎn)云，通常掃描之后的原始數(shù)據(jù)存在大量噪點(diǎn)。如果不對(duì)其進(jìn)行有效剔除，將會(huì)影響后續(xù)體征點(diǎn)的提取和模型曲面的光滑度。噪點(diǎn)產(chǎn)生的主要有以下三個(gè)原因。

①文物本身的特性：文物的材質(zhì)、外形、顏色、平滑度及反光度等。

②三維掃描觀測(cè)系統(tǒng)：掃描過(guò)程中的微小震動(dòng)、三維掃描儀工作特性、相機(jī)的分辨率等。

③介質(zhì)是否存在明顯干擾，主要包括抖動(dòng)、遮擋和觸碰等。

如掃描的對(duì)象是可移動(dòng)的小型文物，依照掃描過(guò)程的噪點(diǎn)分布，大體分為兩個(gè)類(lèi)型：一種表現(xiàn)為噪點(diǎn)遠(yuǎn)離文物本體，明顯偏離數(shù)據(jù)集，震動(dòng)幅度大，可手動(dòng)去除;另一種表現(xiàn)為混雜在數(shù)據(jù)集中，振動(dòng)幅度小，需借助于專(zhuān)門(mén)的算法才能剔除。對(duì)于古建筑、雕塑等大型不可移動(dòng)的文物，其三維掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)相比前者明顯提升，應(yīng)將遠(yuǎn)離目標(biāo)文物的點(diǎn)云去除，同時(shí)對(duì)于遮擋形成的障礙物也要去除。

通過(guò)三維掃描技術(shù)對(duì)得到的離散點(diǎn)進(jìn)行濾波，首先需要操作人員手動(dòng)框選，將遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)本體的外圍離群噪點(diǎn)去除，然后借助于網(wǎng)格化處理技術(shù)，對(duì)密集的點(diǎn)云進(jìn)行濾波，這一過(guò)程中常用的算法包括平均曲率流算法、雙邊濾波法、鄰域平均濾波法和拉普拉斯算法等。①

使用拉普拉斯算法進(jìn)行處理，主要是將異常的高頻噪聲集中起來(lái)，借助于多次迭代方式將這部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)逐漸擴(kuò)散，最終達(dá)到光滑去燥的目的。拉普拉斯算法最大的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)單，但是隨著迭代次數(shù)的吸收，點(diǎn)云的網(wǎng)格體積會(huì)快速下降，最終導(dǎo)致三維模型模糊化。

使用雙邊濾波算法處理，核心原理依然是高斯函數(shù)，利用空間分布的非線性濾波函數(shù)將點(diǎn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化處理。有國(guó)外學(xué)者分析了非線性濾波的特征，并總結(jié)歸納得到基于網(wǎng)格模型的雙邊濾波算法、算子，該種方式的優(yōu)勢(shì)是能夠在去除噪聲的同時(shí)保持模型的特征，不足之處在于雙邊濾波去噪算子過(guò)分依賴(lài)局部特征，去除嚴(yán)重干擾噪聲的效果較差，主要表現(xiàn)在多次迭代后去除效果難以控制，可能出現(xiàn)紋理丟失的現(xiàn)象。

平均曲率流算法最早由Desbrun提出，使用該方法需要先估算曲率，然后讓網(wǎng)格頂點(diǎn)按照平均曲率速度移動(dòng)。該種方法能夠解決拉普拉斯算法中的頂點(diǎn)偏移現(xiàn)象，但是在網(wǎng)格頂點(diǎn)移動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的不規(guī)則三角面片，影響整體的采樣率和模型建立。

3.3 點(diǎn)云簡(jiǎn)化與壓縮

點(diǎn)云簡(jiǎn)化與壓縮主要針對(duì)難以移動(dòng)的大型古建筑群和雕塑群，站點(diǎn)掃描得到的數(shù)據(jù)太大。結(jié)合大量的處理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)并非所有的數(shù)據(jù)都對(duì)后期的三維模型建立有用，同時(shí)大量集中分布的點(diǎn)云中存在較多的冗余信息，導(dǎo)致后期三維建模過(guò)程組織困難、數(shù)據(jù)處理量大、處理時(shí)間長(zhǎng)，這就要求在保證三維建模精度和紋理特征的前提下，盡可能地對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行簡(jiǎn)化和壓縮，減少數(shù)據(jù)量，降低后期三維建模過(guò)程中的處理難度，常用的方法包括包圍盒算法、簡(jiǎn)化算法、區(qū)域重心法、坐標(biāo)增量法等。①

近年來(lái)有國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了一種新型的提取方法，可對(duì)簡(jiǎn)化算法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的程度與點(diǎn)云大小的選取有關(guān)，簡(jiǎn)化效果決定于提取的K鄰域。藺小虎基于傳統(tǒng)的坐標(biāo)增量法，提出了一種將掃描線從一維向二維擴(kuò)展的點(diǎn)均壓縮算法，并借助于數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)比了兩種算法的壓縮效果。于海霞通過(guò)大量的長(zhǎng)方體區(qū)域壓縮算法計(jì)算，指出在點(diǎn)云密集的區(qū)域，可使用重心壓縮法。近年來(lái)，諸多學(xué)者研究了八叉樹(shù)法和k-d樹(shù)法，可進(jìn)一步提升壓縮的效果。

3.4 建模方法

傳統(tǒng)的建模方式時(shí)間長(zhǎng)、工作量大、精度低，測(cè)量過(guò)程不可避免地需要與文物本體接觸，可能導(dǎo)致文物損壞。借助于三維掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)建模多借助專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理軟件。建模的過(guò)程屬于實(shí)物再現(xiàn)的過(guò)程，因此，上述軟件也可稱(chēng)為逆向工程軟件。雖然建模軟件較多，處理過(guò)程基本相似，先是需要提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為多邊形;然后依據(jù)數(shù)據(jù)壓縮方法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。上一步驟可以得到NURBS曲面，將得到的曲面借助于CAD等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出。②

在實(shí)際對(duì)文物進(jìn)行三維建模的過(guò)程中，由于構(gòu)造和結(jié)構(gòu)相差較大，需使用不同的方法進(jìn)行構(gòu)建分離。索俊峰在處理蝴蝶廳模型的建立時(shí)，將現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)結(jié)合在一起，提出了一種室內(nèi)外一體化處理方式，將古建筑分為不同的構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)建模?；僖钥图彝翗菫檠芯繉?duì)象，將土樓內(nèi)外部的點(diǎn)云分開(kāi)，并分別提取內(nèi)部和外部的輪廓線，進(jìn)行內(nèi)部和外部的單獨(dú)建模。王金在利用三維掃描技術(shù)處理遺址墓葬陶器時(shí)，結(jié)合C++語(yǔ)言提取特征曲線，并借助于傅里葉系數(shù)完成了特征曲線的聚類(lèi)分析。實(shí)現(xiàn)模型建立的最根本的問(wèn)題是重構(gòu)自由曲面，常用的曲面重建方法包括變形曲面重建、隱式曲面重建、分片線性曲面重建等。③

4 結(jié)語(yǔ)

三維掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)了多年的實(shí)踐并取得了積極的效果。不少學(xué)者對(duì)于文物保護(hù)中的三維掃描技術(shù)、關(guān)鍵問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)做出了大量的研究，并制訂了多項(xiàng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，完善了工藝流程，在此基礎(chǔ)上，文物保護(hù)領(lǐng)域的三維掃描系統(tǒng)逐漸構(gòu)建并成熟。以數(shù)字化為基礎(chǔ)的三維掃描技術(shù)推動(dòng)了文物保護(hù)工作的重大進(jìn)步，尤其是大型古建筑群和石窟等不可移動(dòng)的文物。對(duì)于小型可移動(dòng)文物，三維掃描技術(shù)在數(shù)字修復(fù)和數(shù)字呈現(xiàn)方面也有重大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是也有注意到現(xiàn)階段的三維掃描技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，還存在儀器成本高、處理數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、文物難以呈現(xiàn)等問(wèn)題。