三維激光掃描技術(shù)在云岡石窟數(shù)字化中的應(yīng)用

來源：職稱成果咨詢網(wǎng)作者：趙編輯時間：2019-09-25 09:25

　　摘要云岡石窟作為世界文化遺產(chǎn)，有著 1600 多年的歷史，經(jīng)過長期時間的洗禮風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重。為了更好地保存石窟文化，學(xué)者們應(yīng)用數(shù)字化的手段進(jìn)行研究，傳統(tǒng)的測量手段因在數(shù)字化研究方面存在著自身的缺陷而被現(xiàn)代測量手段所逐步替代。本文主要介紹和展示了三維激光掃描技術(shù)在云岡石窟數(shù)字化上的應(yīng)用及成果，并證明了該方法在洞窟內(nèi)研究的適用性，給云岡石窟的發(fā)展和研究提供了新方向。

　　關(guān)鍵詞云岡石窟;數(shù)字化;三維激光掃描技術(shù)

　　0.引言

　　云岡石窟坐落于山西大同城西 16 公里處，開鑿于北魏時期，依武周山開鑿，規(guī)模恢宏，氣勢雄渾，洞窟中的每一尊佛像都惟妙惟肖，讓每一位觀賞過的人無不感慨古人的智慧，這是先輩們給我們留下的無價瑰寶，(如圖 1 所示)。石窟石質(zhì)主要為砂巖，在距今 1600 多年的歷史長河中，經(jīng)過風(fēng)化、水蝕等自然的破壞和人為的損壞，洞窟存在不同程度上的損毀，因此對石窟的研究和保護(hù)工作迫在眉梢。

　　多年來國內(nèi)外的眾多學(xué)者們對云岡石窟進(jìn)行了多次的考察和研究。早在 1902 年和 1907 年日本學(xué)者伊東忠太和法國學(xué)者沙畹分別來云岡調(diào)查 [1] ;1938 年至 1940 年間，日本學(xué)者水野清一、長廣敏雄等人對云岡石窟進(jìn)行考察發(fā)掘[2]，[3] ;后來日本學(xué)者并用較為系統(tǒng)的手工測繪方法得到了云岡石窟相關(guān)圖件 122 幅;1960 年至 1963 年間，我國文化部建筑修整所楊玉柱等人對云岡石窟進(jìn)行了新中國成立后的首次系統(tǒng)測繪，并繪制了 8 個洞窟的實(shí)測圖 60 張[4] 。以上這些均屬于傳統(tǒng)的測繪手段，測繪工作存在測量周期長，速度慢，精度不高的缺點(diǎn)，同時二維表達(dá)方式不能滿足對石窟中立體佛像的細(xì)節(jié)描述，最致命的是在測量的過程中需要接觸石窟從而對石窟造成了二次破壞。隨著科技的進(jìn)步和測繪新技術(shù)的發(fā)展，3S 技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)，近景攝影測量技術(shù)，無人機(jī)等高科技的興起，在測繪數(shù)據(jù)采集中有著重要的作用，尤其是三維激光掃描技術(shù)更好地展示了石窟中的細(xì)節(jié)特征。

　　為了更好地傳承和展示云岡洞窟文化藝術(shù)，云岡石窟研究院近十幾年來投入了大量的人力物力致力于云岡石窟的修復(fù)和數(shù)字化，從不同的方面對石窟進(jìn)行研究、保護(hù)及存檔。

　　1.三維激光掃描技術(shù)

　　三維掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，它是利用三維激光掃描儀獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)獲得的測量數(shù)據(jù)構(gòu)造出目標(biāo)物的三維模型的一種全自動測量技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[5] 。三維激光掃描技術(shù)推動了空間三維數(shù)據(jù)的獲取方式向著實(shí)時化、動態(tài)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。該技術(shù)的特點(diǎn)如下：快速性和采樣率高。激光掃描儀測量能夠快速地獲取大面積的目標(biāo)空間信息，可及時測定實(shí)體表面的三維立體信息，可以采集高分辨率的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù);實(shí)時動態(tài)性。三維激光掃描儀系統(tǒng)主動發(fā)出激光信號，經(jīng)反射后接收發(fā)射回來的信號，不受外界光照、溫度等天氣條件的影響，支持全天候?qū)崟r作業(yè);非接觸性。三維激光掃描原理是通過發(fā)射和接收的信號來采集數(shù)據(jù)，測量人員并不直接接觸目標(biāo)物，這一特點(diǎn)使得三維激光掃描技術(shù)特別適合于文物類目標(biāo)物的測量，不僅減少了對石窟文物的人為破壞，也更對測量人員無法到達(dá)的或較危險的地方可以進(jìn)行施測。[6]

　　基于以上特點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)更適用于云岡石窟內(nèi)的高浮雕的佛像和壁畫數(shù)據(jù)的采集，外業(yè)主要使用地面式的三維激光掃描儀對洞窟內(nèi)外的大場景進(jìn)行掃描，并配合手持式的掃描儀對佛像和壁面細(xì)節(jié)特征進(jìn)行補(bǔ)充掃描[7] 。

　　2.云岡石窟數(shù)字化流程及成果應(yīng)用

　　2.1 三維數(shù)字化流程

　　云岡石窟的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集中一方面采用三維激光掃描儀獲取三維模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，另一方面采用高分辨率的單反相機(jī)通過全景近景拍攝來獲取洞窟內(nèi)實(shí)物真實(shí)的紋理信息，用于后期模型紋理映射，從而得到真實(shí)的三維模型。(如圖 2 所示)描述了數(shù)字化過程中的主要流程。

　　整個階段包括以下幾點(diǎn)：

　　(1)控制測量。在進(jìn)行三維掃描和近景拍攝之前需要先對整個工作現(xiàn)場進(jìn)行布設(shè)，以確定控制點(diǎn)或者標(biāo)靶的位置，并對它們進(jìn)行控制測量，實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)定位;同時根據(jù)目標(biāo)物情況設(shè)計(jì)測量方案。

　　(2)外業(yè)數(shù)據(jù)獲取過程。在測量方案的指導(dǎo)下，一方面使用 Riegl VZ-400 地面高精度三維激光掃描儀 /METRASCAN 手持掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集;另一方面紋理照片采集，圖 3(a)是采集云岡石窟第 13 窟佛像的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　(3)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。首先是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要包括數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)縮減、坐標(biāo)匹配、加入地理參考等;然后是三維建模，模型數(shù)據(jù)的處理包括檢查漏洞、噪點(diǎn)刪除、模型拼接等，圖 3(b)是云岡石窟第 13 窟佛像生成的三維模型。

　　(4)紋理貼圖。在三維素模的基礎(chǔ)上根據(jù)采集的紋理照片對其添加紋理信息。圖 3(c)展示了在貼圖大師中通過映射紋理生成的云岡石窟第 13 窟佛像的三維彩色真實(shí)模型。

　　(5)三維 GIS 平臺管理。針對完成的三維成果數(shù)據(jù)，為了方便查詢、分析可以使用三維 GIS 平臺進(jìn)行管理，編輯目標(biāo)物的空間位置信息和屬性數(shù)據(jù)信息。

　　2.2 數(shù)字化成果應(yīng)用

　　2.2.1 數(shù)字化存檔

　　數(shù)字化成果中應(yīng)用之一就是對云岡石窟的科學(xué)記錄，不僅可以得到石窟的三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型，還有石窟對應(yīng)的立面圖、剖面圖、正射影像圖等等，這些不僅提供了洞窟的數(shù)字檔案，還可以從模型上準(zhǔn)確地測量出佛像的尺寸等信息，這種數(shù)字化形式長期有效方便保存，更好地保留了石窟真跡。

　　2.2.2 VR 展示和洞窟復(fù)制

　　我們通過將三維激光掃描得到的模型加入 VR 展示系統(tǒng)，通過 VR 設(shè)備參觀云岡石窟可以讓更多人在異地感受到身臨其境的感覺，這也將打破時間地點(diǎn)的限制給游客提供了觀賞景區(qū)的另一種方式，讓遠(yuǎn)方的游客乃至全球的同胞一起感受云岡石窟的宏偉。現(xiàn)階段我們正在努力突破技術(shù)壁壘后期將會提供十幾人同時體驗(yàn)并且可以互動的 VR 展示系統(tǒng)。

　　隨著 3D 打印技術(shù)的發(fā)展，2017 年我們對第 3 窟后室進(jìn)行了 1∶1 的復(fù)制還原(如圖 4 所示)。復(fù)制過程歷時兩年，完成了對第 3 窟后室的高保真還原，并在青島文化傳媒集團(tuán)廣場亮相，這是世界上首次實(shí)現(xiàn)的大體量文物的 3D 復(fù)制工程，這一工程的完成標(biāo)志著我國大型石質(zhì)文物的數(shù)字化已達(dá)到復(fù)制水平，同時也預(yù)示著可移動的云岡石窟將逐步走向世界[8] 。

　　2.2.3 文物監(jiān)測和保護(hù)

　　三維激光掃描技術(shù)基于其精度高的特點(diǎn)，近幾年來已用于測繪方面精度要求較高的監(jiān)測領(lǐng)域，如建筑的沉降觀測，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測儀器只用于規(guī)整建筑的這一缺點(diǎn)。云岡石窟于 2012 年使用三維激光掃描技術(shù)對 9、10 窟新建窟檐進(jìn)行監(jiān)測，通過每期數(shù)據(jù)的對比分析窟檐的穩(wěn)定性。此外，對于石窟壁面上出現(xiàn)了裂縫等病害時，我們還可以從三維模型中準(zhǔn)確地找到病害對象的位置所在和量取其尺寸，為后期的保護(hù)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

　　2.2.4 文物修復(fù)

　　眾所周知的云岡石窟第 20 窟露天大佛由于窟頂崩塌，西立佛像的原形態(tài)一直不為人知，1992 年聯(lián)合考古隊(duì)考古時發(fā)現(xiàn)了大量的西立佛石塊，約 130 多塊，經(jīng)云岡石窟研究院人員研究將這些石塊進(jìn)行拼接，大致可見西立佛的佛身容貌[9] 。近幾年來隨著新技術(shù)的發(fā)展，西立佛的修復(fù)工程正在開展，我們與北京建工建方科技公司一起合作利用關(guān)節(jié)臂高于毫米級精度三維激光掃描儀對這些石塊進(jìn)行掃描，并在計(jì)算機(jī)中對掃描成果進(jìn)行數(shù)據(jù)量測，無縫拼接以復(fù)原西立佛的真容。因此，利用三維激光掃描技術(shù)得到的數(shù)字化成果對文物的修復(fù)工作有著一定的指導(dǎo)作用。

　　3.結(jié)束語

　　本文主要講述了三維激光掃描技術(shù)在云岡石窟數(shù)字化中的應(yīng)用，在數(shù)字化過程中體現(xiàn)了這一技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，從三維模型到成果展示均說明了這些技術(shù)在云岡石窟文物研究和保護(hù)上的可行性和適用性，也對我國其他古文物和古建筑的研究保護(hù)具有一定的借鑒作用。

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　　【8】付潔，王雁翔.大佛東來—云岡石窟第 3 窟原比例復(fù)制項(xiàng)目落成揭幕儀式在青島舉行[Z]，2017-12-16.

　　【9】劉俊卿,梁有福.歷經(jīng) 1600 余年滄桑歲月云岡 20 窟西立佛將獲重生[N].山西晚報，2017-03-29.

　　《三維激光掃描技術(shù)在云岡石窟數(shù)字化中的應(yīng)用》來源：《經(jīng)緯天地》2018年12期，作者：李麗紅。

《三維激光掃描技術(shù)在云岡石窟數(shù)字化中的應(yīng)用》