文化遗产三维数字化保护应用规范化研究

2019-08-22 11:03:37

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本文刊登于:《遗产与保护研究》2016.03

摘要:以三维激光扫描为主的三维技术在文化遗产保护中得到了广泛应用,发挥了重要作用,但存在成果不实用和盲目滥用等问题,其主要原因在于缺乏一套用于指导文化遗产三维数字化保护应用的标准规范。基于三维扫描技术,初步提出了文物三维数据采集、文物三维建模与数据处理直至文物保护应用过程中的关键工作流程与操作规范,并指出需要三维技术人员与文物保护人员间良好的沟通合作而理解文物保护切实需求,方能为数字时代遗产的保护提供有力支持。

文化遗产作为一种不可再生的珍贵历史文化资源,由于自然与人为因素影响,不可避免地存在一定的病害与保存风险,首先需要采取科学的保护措施,使其带病延年,另一方面,为激发公众主动保护文化遗产的意识,需要加强遗产的合理利用。开展文化遗产的保护与利用工作,离不开文化遗产相关精确数据的支持,遗产的数字化就成为研究热点。国际文化遗产记录科学委员会(The International Committee for Documentation of Cultural Heritage,CIPA),旨在跟踪科技前沿利用先进的数字化技术进行遗产的保护、教育及宣传。其中,三维激光扫描技术作为被重点推荐的一项高新的数字化技术,因其独特优势在文化遗产保护中得到关注和广泛应用,发挥了重要作用[1-6]。然而,目前存在三维数字化工作不规范、技术低水平重复、数据利用率不高、成果不实用等问题。因此,有必要结合文化遗产保护的切实需求,探索一套从文物三维数据采集、数据处理,直至保护应用可遵循的工作流程与操作规范。

1 三维激光扫描技术与应用

1.1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是20世纪90年代中期开始出现的一项高新技术,它通过高速激光扫描测量的方法,快速、高精度、高密度地获取被测对象表面的三维坐标数据。根据三维数据可快速建立物体的三维模型及线、面、体等各种图件数据,因此也被称为实景复制技术。“三维”“激光”和“扫描”3个关键词高度概括了这项技术的基本特点:三维表明其立体特性,激光是其主要技术原理,而扫描标志其速度的迅速,习惯上简称为“三维扫描”。三维扫描设备的改良进步是三维扫描技术能成功应用的关键,其种类繁多,可按照承载平台、工作距离、精度及工作原理进行分类,主要有脉冲式、相位式和三角测量式3类。脉冲式设备测程相对较远;相位式设备扫描速度相对较快;三角测量式设备具有更高的扫描精度[7-8]。

1.2 应用优势与领域

1.2.1 主要优势

(1)安全性高:通过对文物进行非接触、无损方式测量,还能实现不可到达目标的远距离测量,所见即所得,有力地保障了文物与人员的安全性,符合文物保护中“最小干预”的基本原则。

(2)精密度高:三维扫描仪具有高精度和高密度特性,最高精度能达到几十个微米,最高密度也能达到几十个微米,因而能实现任何复杂异形文物的全方位信息采集。

(3)效率高:目前三维扫描仪每秒可测点数达几千到上百万,大大降低了野外数据采集强度,尤其在抢救性文物保护工程中能有力保障其时效性与安全性。

(4)应用前景宽广:三维扫描数据可作为一类珍贵资料予以永久存档,随着其他应用技术的逐渐提高,并根据文物保护具体需求而进一步对数据进行加工处理,可为文物保护工作提供有力支持。

1.2.2 应用领域

随着三维激光扫描技术的不断成熟,尤其是硬件设备性能的提高和商业化,已被广泛应用于文物保护、测绘工程、土木工程、灾害应急、医学治疗、数字动漫等领域,被称为“仅受想象力限制”的技术。

1.3 三维扫描工作流程

三维扫描一般包括前期准备、方案制订、外业数据采集、内业数据处理、成果应用等工作环节。

(1)前期准备。通过现场踏勘等方式了解相关需求:对象尺寸、结构等特点,所处环境状况,初步确定设备,核算工作量,并收集相关资料等。

(2)方案制订。根据需求及现场踏勘制订具体工作方案:工作目标和内容,工作依据,外业数据采集方案,内业数据处理方案,成果应用,质量检查,人员组织与安全保障,时间规划,经费预算等。

(3)外业数据采集。外业数据采集主要包括:现场准备,设备选定,密度确定,人员组织,点云数据和纹理数据采集,数据检查与存储等。

(4)内业数据处理。内业数据处理主要包括:数据准备,点云预处理,点云拼接,三维建模,纹理贴图,质量检查与存档等。

(5)成果应用。根据具体需求,制作相关图件及专题模型。

2 文物三维数据采集

2.1 文物数据采集的需求

文物本身储存着大量的信息,历史、艺术和科学三大价值是其中最重要的信息。从物质形态而言,文物信息包括有形和无形2类。有形物质作为文物信息的基本载体,主要包括文物的外形几何信息和表面纹理信息。因此,文物数据采集的基本需求包括:①以能反映文物价值的信息为重点;②几何信息的精确性;③纹理信息的逼真性。

2.2 文物三维数据采集技术方法

2.2.1 几何信息采集

文物几何信息的采集方法与测绘技术设备的发展是息息相关的,传统的法式手工测绘到时下的精密设备测绘,测绘精度从低到高,测绘模式从点到面,测绘强度从高到低,测绘难度从难到易。总而言之,随着测绘技术的成熟发展,文物外形几何信息能更真实地被记录与存档。早期的文物几何信息采集主要依赖皮尺等简易的工具、手工绘图和记录,由于因人而异,详略不一,标准很难一致,成图精度也较低,几何变形严重。这种法式测绘通常适合于外形相对规则的目标,而文物基本为人们手工创造,多属于外形非规则的对象,且许多精美的文物局部雕刻细微,因此,在精度上往往有较高的要求。根据文物最小干预原则,全站仪、摄影测量、三维激光扫描等非接触式测绘技术成为文物几何信息采集的重要工具。

2.2.2 纹理信息采集

文物的纹理信息采集方法与摄影技术和设备的发展是紧密相关的,历经了传统的胶片式摄影到现代的数码摄影,摄影清晰度由低到高,色彩由黑白到彩色,逐步更加逼近文物的真实颜色。现代高清数码摄影技术为文物的纹理信息翔实采集提供了可能。

2.3 文物三维数据采集工作规范

文物三维数据采集中主要包括:前期预试验(仪器选型与精密度确定)、采集方案制订(测站与标靶布设)、仪器准备与人员培训、点云数据及纹理数据采集等环节。对于复杂文物对象的精细扫描,前期预试验尤为关键,如图1为针对某精细雕刻佛像所采用扫描设备与精密度效果图比选。

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(a) Faro密度2 mm (b) Z+F密度 1 mm (c) 关节臂密度0.15 mm

图1 不同设备扫描效果比选图

由图1可见,为了清晰地表现出细部特征,关节臂扫描效果显然最好。但对于关节臂设备而言,最高密度可达0.045mm,具体选定哪种密度更合理则需要进一步试验,如图2为关节臂设备在不同密度下的扫描效果比选。

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图2 关节臂不同密度扫描效果比选图

由图2可见:利用关节臂进行精细扫描时,密度采用0.15mm时,能够充分体现其细节,当小于0.15 mm时数据量过大且外业工作量也会成倍增加,当大于0.15mm时,则有些细节难以体现,因此可定此类文物的扫描最佳密度值为0.15mm。

3 文物三维数据建模与处理

3.1 文物三维数据处理流程

通过三维扫描及纹理拍摄,获取了海量的点云数据和纹理数据,这些数据作为文物原始的信息,在实际应用时,还需进一步进行数据处理,方能为文物保护工作发挥作用,如原始的点云数据仅能够进行基本尺寸的量取及浏览展示,因此还需要由点云构建三维模型,再贴上彩色纹理,从而更逼真地展现文物现状特征。

一般而言,文物三维扫描数据处理的流程内容主要包括以下4个方面。

(1)点云数据处理:点云预处理及点云拼接;

(2)三维建模:建立三维几何模型;

(3)纹理贴图:通过纹理映射原理及方法,构建彩色三维模型;

(4)基础图件制作:正射影像图、特征部位图件。

然而,目前普遍存在的一个问题是,对数据处理的深度把握,由于数据成果使用者的关注点不同而导致数据成果的要求有所差异,如文物保护规划人员对整体性要求较高,但尺寸精度要求较低;而考古研究人员注重细微雕艺术而强调较高精度,两者需要的模型和图件也都存在一定差异。

3.2 文物三维建模与处理关键技术

3.2.1 点云处理

理想的点云数据为一层、完整的、能反映对象表面形状特征的三维坐标点集,而原始点云往往含有多层冗余或局部缺失的数据,需要进行预处理与点云拼接工作。

点云预处理主要包括数据准备(单站或局部点云分割)、数据检核、粗差剔除及数据精简等步骤,最终形成单站优化后的点云模型。

点云拼接,即将多站点云进行数据配准或者坐标配准。主要有基于靶标、基于控制点、基于特征点等拼接技术。拼接后往往会形成多层冗余数据,需要反复进行处理。对于局部缺失较多的点云,宜先设法补充扫描获取点云后再进行拼接。

3.2.2 三维建模

三维建模是三维数据处理的关键,三维模型是一类重要的基础成果,三维建模主要包括三角网格建模,NURBS曲面建模和深度图像建模等3种方法。文物多为不规则的形态,其建模方法宜采用三角网格建模,主要流程如图3所示,主要包括建模区域划分、点云降噪、数据简化、三角网建模、模型处理、模型合并处理等环节。

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图3 三维建模流程

由图3可见,前面所述点云数据的处理不可能一劳永逸,在三维建模中往往会发现异常的点云数据,即建模阶段和点云处理阶段需要交互进行,以获得最逼真的三维模型。

3.2.3 纹理贴图

如图4纹理贴图流程所示,根据建立的三维模型及拍摄的纹理数据,经模型简化、光照调整、色彩还原、影像纠正等基本步骤,依据纹理映射原理,将纹理赋予三维模型,从而建成三维彩色模型。其中:数据准备主要包括用于贴图的三维模型的格式,以及多角度正射照片的图像处理,模型处理主要是对模型的分区和精简,贴图颜色处理则主要是对贴图后的整体模型色彩进行接缝消除。

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图4 纹理贴图流程

3.3 基础图件制作

从点云到建模,所形成的点云与三维模型均为最基础的成果,多由三维扫描技术人员独立完成。如果就此交付文物保护人员使用,难以达到理想效果,为此,需进一步加强文物保护所需的基础图件制作。

3.3.1 正射影像图

正射影像图是利用数字高程模型,经过对逐像元进行投影差改正、镶嵌、剪裁生成的影像数据,是一种既具有直观影像特征,又具有几何可量测特征的图件,已成为文物保护工程中最重要的一类基础图件,正射影像图制作流程如图5所示。

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图5 正射影像图制作流程

3.3.2 特征部位图

文物保护工程中常常关注文物关键特征部位的形态及相关尺寸数据,而传统测绘方式又难以表达特征部位相关信息,依据三维模型和正射影像图,可方便生成准确而直观的特征部位图件。其中,剖面图和线划图是文物保护工程中最常用的2类基础图件。

图6为保护工程中所需要的某佛像的基础模型与图件。

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(a)点云模型

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(b)三维模型

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(c)正射影像

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(d)线划图

图6 基础模型与图件

4.文物保护应用

三维扫描技术在文物保护中的应用逐步深入,随着与不同文物保护需求结合紧密性的提高,已逐渐被视为文物保护工作中不可或缺的一项实用技术。根据文物保护的不同需求,其应用方向主要包括以下几个方面。

(1)文物信息记录与存档:最为常见的一项基础应用,即实现文物信息的翔实留存。

(2)现状病害的调查:实现文物现状病害的精细调查。

(3)辅助保护工程设计:作为工程设计底图或效果图。

(4)虚拟修复:根据三维扫描数据建立文物的逼真数字模型,在此模型上进行修复或复原,供修复专家比选,降低修复风险。

(5)考古研究:提供考古所需的线划图、剖视图及相关数据。

(6)数字展示:建立更逼真的文物三维模型,通过相关技术能实现互动性操作,使文物“活”起来。

(7)文物监测:通过多期扫描数据对比,掌握文物病变趋势。

5.总结

通过对三维扫描技术在文化遗产保护中应用规范化的研究,有如下主要结论:

(1)建立文物三维扫描的技术流程与工作规范势在必行;

(2)文物的三维数据采集应基于文物价值的分析,并注重设备与密度比选等前期试验,避免数据采集的盲目性;

(3)文物三维数据处理应注重文物保护工程共性需要的基础模型与图件成果;

(4)文物保护的应用需要针对具体的需求,设计工作内容与流程规范。

总之,三维扫描技术在文化遗产保护中的应用是势不可挡的,但好技术又是双刃剑,用得好,事半功倍,反之,则易造成人财物的浪费,因此既需文物保护工作者提升对文物三维空间数据利用的认识深度,也需数据采集人员(三维技术人员)更加切实地了解文物保护工作的具体需求。只有在实践中更加明晰文物保护工作的真实需求,文物三维空间信息的采集技术才会有更大的发展,采集的数据才会真正有用,解决这个问题,需要双方的共同努力,尽快形成一套成熟的工作标准规范。

参考文献

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