三維掃描技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用探討

張文

摘 要：文物保護是社會研究和人類歷史研究中的重點領(lǐng)域，近年來興起的三維掃描技術(shù)，在文物保護中有著積極的作用，逐漸成為數(shù)字化文物保護的重要手段。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，重點探討了該項技術(shù)在應(yīng)用過程中的技術(shù)路線與關(guān)鍵流程。

關(guān)鍵詞：三維掃描技術(shù);文物保護;點云;建模

我國是一個擁有著幾千年燦爛文明的國家，留存至今的文物數(shù)不勝數(shù)，文物保護是國家歷史研究的重點領(lǐng)域之一。歷史文物沉淀了一個國家的文化和共同記憶，通過文物研究可以探索過去的歷史。如何借由高效、準(zhǔn)確的方式，既保護文物本體，又實現(xiàn)文物的展出，是文物保護工作的一個重點研究課題。傳統(tǒng)的測量方式過于簡陋和笨拙，同時呈現(xiàn)的方式單一，遠不能滿足現(xiàn)階段文物保護的需求。三維掃描技術(shù)是近年來文物保護領(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，在數(shù)字化文物保護中發(fā)揮了越來越重要的作用。

1 三維掃描技術(shù)簡介

1.1 三維掃描技術(shù)原理

在文物保護中應(yīng)用三維掃描技術(shù)，其基本原理是利用激光測距技術(shù)，并結(jié)合動態(tài)測量系統(tǒng)，實現(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)的組合測量裝置、相機、傳感器以及安裝有專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件的計算機等。

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，反射的光束由專業(yè)的觀測設(shè)備采集，通過計算兩者的時間差，求得掃描儀到物體的距離。借助于專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，應(yīng)用測角系統(tǒng)和三角高程原理，得到掃描對象的激光反射強度和三維坐標(biāo)，進而建立起三維幾何模型。最終通過色彩和紋理貼圖，呈現(xiàn)出更加真實、生動的文物模型。

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、機載式和車載式等;按照測序原理不同，又可分為光學(xué)三角測量、脈沖式、相位差式等。其中脈沖式激光掃描出現(xiàn)時間最早，測量范圍在幾百至幾千米之間，但是精度較低，只能達到厘米級;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，可達毫米級;光學(xué)三角測量儀使用三角幾何關(guān)系進行測量，距離最近，精度最高達到亞毫米級。

2 三維掃描技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 三維掃描技術(shù)優(yōu)勢

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

單點式采集不可避免地存在抗干擾能力弱，誤差大，工期長，效率低等缺陷。在文物的測繪和保護過程中，需要工作人員開展大量的高精度活動，這也導(dǎo)致了傳統(tǒng)的單點式采集與文物保護需求之間的矛盾。傳統(tǒng)的測繪方式難以得到精確數(shù)據(jù)，進而導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理的誤差，影響了文物考察和保護工作。另一方面，受采集模式的限制，單點式采集無法實現(xiàn)多角度數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)對比，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、難以移動的建筑類文物，依靠傳統(tǒng)的測量方式，難以得到全面精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而無法反映建筑物外圍的空間關(guān)系。與此同時，作為一種難以移動的文物，建筑物的測繪只能在室外進行，受到外界條件的制約較多。引入三維掃描技術(shù)后，可實現(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。三維掃描技術(shù)更加貼合文物的實際情況，保證了最終成果與文物實體的一致性。

2.1.2 利用三維掃描可以實現(xiàn)外業(yè)測量向內(nèi)業(yè)測量的轉(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量工作，測量工作量大、誤差大。同時在攀爬和搭建腳手架的過程中，不僅存在一定的危險性，還可能對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)境都可能影響測繪進度，進而影響工期。利用三維掃描技術(shù)，可以實現(xiàn)高密度的測繪工作，結(jié)合計算機處理得到同比例的測量模型，實現(xiàn)了測量工作的內(nèi)業(yè)化，大大改善了測量的工作環(huán)境，降低了工作強度。

2.2 三維掃描技術(shù)國內(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、法國、瑞士等諸多海外國家均成立了規(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。三維激光掃描技術(shù)在20世紀(jì)歐美國家中率先投入使用，相對的研究也更加深入，在文物保護領(lǐng)域的應(yīng)用案例更多。較為知名的項目是美國2003年數(shù)字化米開朗琪羅項目，華盛頓大學(xué)和斯坦福大學(xué)選取了10件著名的雕像進行掃描，得到了2億個面片及海量的照片，成功地對上述雕像進行了三維復(fù)原。德國漢堡大學(xué)于2004年使用激光掃描技術(shù)，對兩座大廳進行了全方位的掃描，得到數(shù)字化二維平面布局和三維模型。2015年有學(xué)者對LasCuevas遺址進行了三維掃描，重點探討了相移變化。2016年，國外學(xué)者利用三維掃描技術(shù)對瑞士高山地區(qū)的石版畫進行了侵蝕研究。

在數(shù)字化文物保護的浪潮下，國內(nèi)眾多的文物保護團體和文物保護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。2007年，秦始皇陵兵馬俑博物館運用三維掃描技術(shù)，對2號坑進行了數(shù)字建模。首都博物館借助成立的文物保護分析實驗室，對館藏的100余件文物進行了三維掃描和數(shù)字建模。2010年，國家“指南針計劃”使用三維激光掃描和傳統(tǒng)手繪相結(jié)合的技術(shù)，對北京先農(nóng)壇太歲殿整體結(jié)構(gòu)和彩色裝飾等進行三維數(shù)字化重現(xiàn)。

3 三維掃描技術(shù)在文物測繪中的應(yīng)用

3.1 技術(shù)路線與流程

應(yīng)用三維掃描技術(shù)輔助文物保護的常規(guī)路線分析如下：①掃描現(xiàn)場的勘測與分析。應(yīng)了解需保護文物周圍的作業(yè)環(huán)境，大致描述掃描對象的空間分布及外在形態(tài)，確定掃描點的位置及標(biāo)靶等。②根據(jù)勘測信息確定掃描技術(shù)方案。三維掃描技術(shù)方案中應(yīng)包含二維掃描儀型號、數(shù)據(jù)采集方案、控制點空間布設(shè)、成果類型、項目進度控制方案和數(shù)據(jù)處理等。③開展野外作業(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 點云去噪

運用三維掃描技術(shù)對文物進行數(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、簡化處理、壓縮分割與三維模型建立。文章重點對點云去噪、簡化壓縮和模型建立三個環(huán)節(jié)進行分析。

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

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。

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

③介質(zhì)是否存在明顯干擾，主要包括抖動、遮擋和觸碰等。

如掃描的對象是可移動的小型文物，依照掃描過程的噪點分布，大體分為兩個類型：一種表現(xiàn)為噪點遠離文物本體，明顯偏離數(shù)據(jù)集，震動幅度大，可手動去除;另一種表現(xiàn)為混雜在數(shù)據(jù)集中，振動幅度小，需借助于專門的算法才能剔除。對于古建筑、雕塑等大型不可移動的文物，其三維掃描得到的點云數(shù)據(jù)相比前者明顯提升，應(yīng)將遠離目標(biāo)文物的點云去除，同時對于遮擋形成的障礙物也要去除。

通過三維掃描技術(shù)對得到的離散點進行濾波，首先需要操作人員手動框選，將遠離數(shù)據(jù)本體的外圍離群噪點去除，然后借助于網(wǎng)格化處理技術(shù)，對密集的點云進行濾波，這一過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行處理，主要是將異常的高頻噪聲集中起來，借助于多次迭代方式將這部分?jǐn)?shù)據(jù)點逐漸擴散，最終達到光滑去燥的目的。拉普拉斯算法最大的優(yōu)勢在于計算簡單，但是隨著迭代次數(shù)的吸收，點云的網(wǎng)格體積會快速下降，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)將點和數(shù)據(jù)進行圖像化處理。有國外學(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)勢是能夠在去除噪聲的同時保持模型的特征，不足之處在于雙邊濾波去噪算子過分依賴局部特征，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)格頂點按照平均曲率速度移動。該種方法能夠解決拉普拉斯算法中的頂點偏移現(xiàn)象，但是在網(wǎng)格頂點移動的過程中，會產(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 點云簡化與壓縮

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

近年來有國內(nèi)學(xué)者提出了一種新型的提取方法，可對簡化算法進行改進，改進的程度與點云大小的選取有關(guān)，簡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展的點均壓縮算法，并借助于數(shù)據(jù)處理軟件，對比了兩種算法的壓縮效果。于海霞通過大量的長方體區(qū)域壓縮算法計算，指出在點云密集的區(qū)域，可使用重心壓縮法。近年來，諸多學(xué)者研究了八叉樹法和k-d樹法，可進一步提升壓縮的效果。

3.4 建模方法

傳統(tǒng)的建模方式時間長、工作量大、精度低，測量過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)實現(xiàn)建模多借助專門的數(shù)據(jù)處理軟件。建模的過程屬于實物再現(xiàn)的過程，因此，上述軟件也可稱為逆向工程軟件。雖然建模軟件較多，處理過程基本相似，先是需要提取點云數(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，對點云數(shù)據(jù)進行簡化。上一步驟可以得到NURBS曲面，將得到的曲面借助于CAD等軟件進行數(shù)據(jù)導(dǎo)出。②

在實際對文物進行三維建模的過程中，由于構(gòu)造和結(jié)構(gòu)相差較大，需使用不同的方法進行構(gòu)建分離。索俊峰在處理蝴蝶廳模型的建立時，將現(xiàn)代測量技術(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)件進行單獨建模。化蕾以客家土樓為研究對象，將土樓內(nèi)外部的點云分開，并分別提取內(nèi)部和外部的輪廓線，進行內(nèi)部和外部的單獨建模。王金在利用三維掃描技術(shù)處理遺址墓葬陶器時，結(jié)合C++語言提取特征曲線，并借助于傅里葉系數(shù)完成了特征曲線的聚類分析。實現(xiàn)模型建立的最根本的問題是重構(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

三維掃描技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用，經(jīng)過了多年的實踐并取得了積極的效果。不少學(xué)者對于文物保護中的三維掃描技術(shù)、關(guān)鍵問題和關(guān)鍵技術(shù)做出了大量的研究，并制訂了多項基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，完善了工藝流程，在此基礎(chǔ)上，文物保護領(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)推動了文物保護工作的重大進步，尤其是大型古建筑群和石窟等不可移動的文物。對于小型可移動文物，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。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)等問題。