遺址類石質(zhì)文物三維數(shù)字化探索

張沛沛　劉歡　侯琛琛　李鑫

摘 要：石質(zhì)文物的數(shù)字化工作面臨著保護(hù)、研究、展示等多方面的應(yīng)用需求，其中所涉及的技術(shù)手段和技術(shù)路線也復(fù)雜繁多，如何綜合運(yùn)用各種技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)滿足石質(zhì)文物三維數(shù)字化需求，成為文博工作者在工作中普遍面臨的問題。文章以“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中國(guó)-希臘文物保護(hù)技術(shù)‘一帶一路’聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與聯(lián)合研究”項(xiàng)目中的子課題“石質(zhì)文物超高清三維數(shù)字化采集和加工研究與示范”中的遺址類石質(zhì)文物靈沼軒為例，分析遺址類石質(zhì)文物在三維數(shù)字化采集加工中面臨的問題，綜合考慮三維掃描、近景攝影測(cè)量等各項(xiàng)數(shù)字化技術(shù)在成果精度和表達(dá)特點(diǎn)上的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)文物基礎(chǔ)空間與紋理信息的采集技術(shù)方法、硬件配置及工藝流程進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：遺址類石質(zhì)文物；靈沼軒；“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；文物三維數(shù)字化

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.07.025

我國(guó)石質(zhì)文物眾多，據(jù)第三次全國(guó)文物普查顯示，我國(guó)擁有石窟寺及石刻共24422處，其中不乏像敦煌石刻、云岡石窟、大足石刻等藝術(shù)精品①。這些石刻文物，多數(shù)因體量巨大，而無法同其他文物一樣被收藏于博物館里。尤其是石質(zhì)建筑，長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，不可避免地遭到各種因素的破壞，面臨成百上千年的歲月侵蝕，很多已無法保持原有的狀態(tài)。

為了讓這些石質(zhì)文物得到更好的保護(hù)，專家們采取不同的方式研究、修復(fù)這些文物。但長(zhǎng)期處在自然環(huán)境中的石質(zhì)文物難免發(fā)生自然損壞。因此，真實(shí)性地記錄下文物的現(xiàn)狀，成了文物保護(hù)中不可或缺的一環(huán)。真實(shí)記錄下文物的數(shù)字信息，不僅可以以數(shù)字的形式將文物永續(xù)保存，而且可以為病害監(jiān)測(cè)、虛擬修復(fù)等文物保護(hù)提供幫助，或是為未來的文物復(fù)原提供參考。相較傳統(tǒng)測(cè)繪、照片、視頻，三維數(shù)字化手段可以更加豐富、全面、準(zhǔn)確地記錄下文物信息。這不僅能實(shí)現(xiàn)文物的數(shù)字化存檔，而且為文物保護(hù)、研究、展示等方面提供了更大的便利和更豐富的手段。

1 背景

2020年12月，由故宮博物院牽頭申請(qǐng)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——戰(zhàn)略性科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中國(guó)-希臘文物保護(hù)技術(shù)‘一帶一路’聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與聯(lián)合研究”獲批立項(xiàng)?！皣?guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中國(guó)-希臘文物保護(hù)技術(shù)‘一帶一路’聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與聯(lián)合研究”項(xiàng)目，圍繞中希兩國(guó)在激光清洗、大幅面高光譜掃描、激光全息散斑干涉與超高清三維數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)光學(xué)與數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用需求，構(gòu)建文物保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域裝備研發(fā)、應(yīng)用創(chuàng)新與培訓(xùn)交流的文物保護(hù)技術(shù)“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。其中，子課題四“石質(zhì)文物超高清三維數(shù)字化采集和加工研究與示范”主要針對(duì)中希兩國(guó)遺址類石質(zhì)文物的三維數(shù)字化工作開展研究，研究文物基礎(chǔ)空間與紋理全信息的采集技術(shù)方法、硬件配置及規(guī)范化操作流程。

子課題以故宮博物院靈沼軒建筑石質(zhì)構(gòu)件為對(duì)象，探索文物全信息數(shù)據(jù)分類、分級(jí)深度加工體系與具體要求，研究文物超高清三維數(shù)據(jù)采集和加工的特殊性與差異性，建立具有成果一致性好、人工干預(yù)低、過程與結(jié)果可量化評(píng)價(jià)、便于工程化實(shí)施的文物三維數(shù)據(jù)采集和加工流程規(guī)范與技術(shù)解決方案，形成基于文物數(shù)據(jù)價(jià)值、面向文物保護(hù)需求以及前瞻性展示利用的文物數(shù)字化成果體系與采集加工規(guī)程。

2 靈沼軒三維數(shù)字化保護(hù)

2.1 靈沼軒概述與保存現(xiàn)狀

靈沼軒位于故宮博物院延禧宮院內(nèi)，是一座1909年始建的金屬玻璃磚石結(jié)構(gòu)建筑②，又名“水晶宮”，是紫禁城內(nèi)少有的西洋式建筑③。出于防火等原因，靈沼軒未采用中國(guó)傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)，而是以石質(zhì)與金屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式建立而成，造型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)特殊，具有典型的西式建筑風(fēng)格，是我國(guó)最早建造的鋼鐵-砌體組合的結(jié)構(gòu)之一，具有重要的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值和科學(xué)價(jià)值④。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，靈沼軒的砌體結(jié)構(gòu)部分外觀較為完整，但部分墻體和門窗拱券上部出現(xiàn)石塊碎裂或開裂現(xiàn)象；金屬結(jié)構(gòu)部分，鋼梁雖整體外觀較完整，但基本都已出現(xiàn)不同程度的銹蝕現(xiàn)象⑤。

2.2 三維數(shù)字化方案

文物三維數(shù)字化的方法不是一成不變的，需要根據(jù)文物的體量、結(jié)構(gòu)特征、病害情況等綜合判定，選擇適宜的方法進(jìn)行全信息采集，其中常見的有三維激光掃描、結(jié)構(gòu)光掃描、多圖像攝影測(cè)量建模等技術(shù)手段。針對(duì)石質(zhì)文物，為了達(dá)到更好的采集效果，還可以對(duì)石質(zhì)文物表面進(jìn)行獨(dú)立的超高清影像采集以及病害超高清特寫影像采集。通過上述工作，獲得文物超高清、高精度空間與紋理全信息數(shù)據(jù)。

在采集文物全信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于石質(zhì)文物數(shù)字化保護(hù)理念，分析文物的數(shù)字化保存與展示利用的需求以及石質(zhì)文物預(yù)防性保護(hù)專業(yè)需求，并根據(jù)這兩方面的專業(yè)需求，采用點(diǎn)云逆向建模、攝影測(cè)量建模、虛擬實(shí)體建模、數(shù)碼影像處理、二維矢量圖形提取等技術(shù)方法，完成文物多類別、多級(jí)別數(shù)據(jù)成果，從而形成石質(zhì)文物數(shù)字化保護(hù)成果體系。

石質(zhì)文物超高清三維數(shù)字化的技術(shù)路線如圖1所示，工作路線如圖2所示。

2.3 三維數(shù)字化技術(shù)方法研究

2.3.1 數(shù)據(jù)采集方法

①遺址整體數(shù)字化高精度控制研究。在通常情況下，遺址整體數(shù)字化精度控制應(yīng)按照GB50026-2020《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定布設(shè)控制網(wǎng)，采用二級(jí)平面控制測(cè)量、四等高程控制測(cè)量，此方法做地面控制網(wǎng)的精度是可以滿足數(shù)字化的要求。但在受限條件下，由地面控制網(wǎng)引測(cè)至三維掃描、攝影測(cè)量的控制點(diǎn)的方法無法滿足高精度的數(shù)字化需求，本次數(shù)字化示范的靈沼軒建筑就因空間限制、相互遮擋等情況，導(dǎo)致高程測(cè)量存在無法直接通視或能通視但不滿足規(guī)范要求（邊長(zhǎng)超限、角度超限等）的問題。綜合分析后，根據(jù)其僅20m左右高度的特點(diǎn)，采用懸吊鋼尺單段法（圖3），獲得了滿足要求的精度。

②單體構(gòu)件數(shù)字化高精度控制研究。對(duì)于已拆離或脫離遺址的石質(zhì)構(gòu)件，如仍采用遺址三維數(shù)字化的控制方法，無論是數(shù)據(jù)精度還是工作效率都不具良好適應(yīng)性。通過研究，使用一種三維掃描與攝影測(cè)量一體化控制方法和裝置（圖4）⑥，不僅能獲得很好的控制精度，還能顯著提高工作效率。

裝置在三維掃描、攝影測(cè)量三維重建中聯(lián)合使用，可實(shí)現(xiàn)掃描網(wǎng)格模型與攝影測(cè)量網(wǎng)格模型的高精度對(duì)齊，或掃描點(diǎn)云與攝影測(cè)量網(wǎng)格模型的高精度對(duì)齊，使用此種方法的對(duì)齊精度是人工操作對(duì)齊無法相比的，從而可實(shí)現(xiàn)高還原度的文物數(shù)字化。對(duì)齊工作在數(shù)據(jù)采集、加工過程中自動(dòng)完成，大大節(jié)省工作量，不僅工作效率高，而且對(duì)齊結(jié)果基本不受人工影響。裝置在攝影測(cè)量三維重建中單獨(dú)使用，可利用一體化裝置的二維碼，實(shí)現(xiàn)無人工刺點(diǎn)的自動(dòng)像控，相比于人工刺點(diǎn)像控，不僅精度控制得到極大的提高，而且省去了工作量巨大的像控人工刺點(diǎn)過程，也避免了因操作人員不同而導(dǎo)致的刺點(diǎn)差異性引起的控制精度不同。裝置在三維掃描中單獨(dú)使用，利用一體化裝置的靶標(biāo)球，可以實(shí)現(xiàn)三維掃描時(shí)的掃描控制和拼接連接，對(duì)于掃描中需要貼標(biāo)志點(diǎn)的情況，可以將其貼在一體化裝置的框架上，解決文物不允許貼標(biāo)志點(diǎn)而采集工作必須貼標(biāo)志才能完成掃描的問題。三維掃描與攝影測(cè)量一體化控制實(shí)現(xiàn)流程如圖5。

③三維掃描數(shù)據(jù)采集研究。靈沼軒石質(zhì)建筑超高清三維數(shù)據(jù)采集中使用站式掃描（圖6）與手持掃描相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用站式掃描（場(chǎng)景掃描）采集，需根據(jù)場(chǎng)地情況確定相應(yīng)的方法、參數(shù)，主要包括站位布設(shè)的站點(diǎn)分布、掃描距離、區(qū)域覆蓋、室內(nèi)室外、進(jìn)深與開間、單層與多層、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、死角部位等；靶標(biāo)布設(shè)的靶標(biāo)類型、靶標(biāo)分布、每站靶標(biāo)數(shù)量、相鄰站公共靶標(biāo)數(shù)量、靶標(biāo)與站位、控制點(diǎn)的通視等；掃描作業(yè)的相鄰兩站點(diǎn)云重疊度、掃描的數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)完整性、作業(yè)略圖等。使用手持掃描（近距離掃描）進(jìn)行采集，需根據(jù)文物情況確定相應(yīng)的方法、參數(shù)，主要包括靶標(biāo)布設(shè)、掃描指向、掃描距離、分塊掃描、點(diǎn)云密度與文物形態(tài)的關(guān)系等。

④攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集研究。靈沼軒石質(zhì)建筑超高清三維數(shù)據(jù)采集使用貼近近景攝影測(cè)量，采集時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況確定相應(yīng)的方法、參數(shù)，主要包括照片分辨率、控制點(diǎn)布設(shè)、拍攝光環(huán)境、航向重疊度、旁向重疊度、相鄰照片數(shù)、顏色還原控制等。

2.3.2 數(shù)據(jù)加工方法

①三維掃描數(shù)據(jù)加工研究。對(duì)靈沼軒建筑超高清三維采集的點(diǎn)云進(jìn)行存檔數(shù)據(jù)加工，需根據(jù)數(shù)據(jù)情況確定相應(yīng)的方法、參數(shù)，主要包括點(diǎn)云拼接與誤差改正、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、非目標(biāo)點(diǎn)云剔除、異常點(diǎn)云消除、點(diǎn)云降噪、點(diǎn)云抽稀、網(wǎng)格模型生成、疊面與交叉面消除等。②攝影測(cè)量數(shù)據(jù)加工研究。對(duì)靈沼軒建筑超高清三維采集的攝影測(cè)量照片進(jìn)行三維重建存檔數(shù)據(jù)加工，需根據(jù)數(shù)據(jù)情況確定相應(yīng)的方法、參數(shù)，主要包括不合格照片剔除、照片顏色還原、空中三角測(cè)量計(jì)算、紋理模型生成、網(wǎng)格模型疊面、交叉面與縫隙消除、紋理貼圖模糊、拉伸、接縫、高光消除、紋理貼圖進(jìn)行勻色、勻光、碎片化UV消除、網(wǎng)格模型和貼圖數(shù)據(jù)量?jī)?yōu)化等。③三維掃描與攝影測(cè)量三維重建結(jié)合的數(shù)據(jù)加工研究。對(duì)靈沼軒建筑高清三維采集的點(diǎn)云和攝影測(cè)量照片三維重建相結(jié)合進(jìn)行存檔數(shù)據(jù)加工，需根據(jù)數(shù)據(jù)情況確定相應(yīng)的方法、參數(shù)，主要包括分別進(jìn)行三維掃描數(shù)據(jù)加工和攝影測(cè)量數(shù)據(jù)加工、三維掃描的網(wǎng)格模型UV分塊和展開、攝影測(cè)量網(wǎng)格模型與三維掃描網(wǎng)格模型之間的誤差評(píng)估、攝影測(cè)量紋理模型的紋理貼圖至三維掃描網(wǎng)格模型的烘焙等。

4 靈沼軒高精度三維數(shù)字化成果

按照石質(zhì)文物超高清三維數(shù)字化對(duì)控制測(cè)量的要求，根據(jù)靈沼軒的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)地面控制網(wǎng)、三維掃描控制點(diǎn)、攝影測(cè)量控制點(diǎn)，完成控制測(cè)量，各測(cè)量數(shù)據(jù)滿足要求。場(chǎng)景三維掃描結(jié)合手持三維掃描，獲得數(shù)據(jù)如表1所示。貼近近景攝影測(cè)量拍攝，獲得數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)石質(zhì)構(gòu)件進(jìn)行4K、8K、12K、16K超高清加工實(shí)驗(yàn)，效果如圖7。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

本文以故宮博物院靈沼軒石質(zhì)建筑三維數(shù)字化為例，根據(jù)實(shí)地情況，初步探索了遺址類石質(zhì)文物的數(shù)字化策略。但是針對(duì)數(shù)量龐大的石質(zhì)文物，包含可移動(dòng)和不可移動(dòng)文物，采用的三維數(shù)字化方法是豐富且多變的。面對(duì)不同的研究對(duì)象，研究方法可能會(huì)大不相同，需要根據(jù)文物特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)制定不同的采集加工策略?，F(xiàn)階段還未有全面涵蓋石質(zhì)建筑三維數(shù)字化的統(tǒng)一方法，未來，希望針對(duì)不同類型的石質(zhì)文物特點(diǎn)制定相應(yīng)的技術(shù)解決方案，再結(jié)合數(shù)據(jù)價(jià)值體系開展面向多維應(yīng)用和價(jià)值挖掘的數(shù)據(jù)加工，形成各類型具有工程可實(shí)現(xiàn)性的石質(zhì)文物三維數(shù)字化策略。

注釋

①吳濤.“水晶宮”靈沼軒與其“東方”元素[J].建筑遺產(chǎn)，2021（4）：97-105.

②淳慶，張劍葳，趙鵬，等.故宮靈沼軒殘損分析及結(jié)構(gòu)性能研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2018（1）：40-46.

③淳慶，張劍葳，趙鵬，等.故宮靈沼軒的動(dòng)力特性及抗震性能研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2018（2）：54-62.

④⑤李樹坤，侯妙樂，吳育華，等.石質(zhì)文物三維信息留存與應(yīng)用[J].城市勘測(cè)，2013（2）：85-88.

⑥趙術(shù)強(qiáng)，李祝軍，楊蓓，等.三維掃描與攝影測(cè)量一體化控制方法和裝置：202110624933.8[P].2022-04-19.