研究成果

三维激光扫描技术在云冈石窟的应用

2013-1-26 宁波

一   引言
        云冈石窟位于山西省大同市城西16公里的武周山南麓,始建于公元5世纪中叶,距今已有1500多年的历史。石窟依山而建,东西绵延约1公里,现存大小洞窟254个,各类佛教造像约51000余尊,石雕面积约18000余平方米。云冈石窟规模之宏伟,雕刻艺术之精湛,造像内容之丰富,见证了古代欧亚交流并积聚于中华大地的时代精神,成为世界性的佛教雕刻艺术“陈列馆”和全人类共同拥有的珍贵遗产。1961年被国务院公布为首批全国重点文物保护单位,2001年被联合国教科文组织列入《世界文化遗产》名录。
        面对经历十五个百年的历史冲刷、石窟日渐风化凋零的实际,上世纪以来,云冈石窟的保护者们在不断维修加固试图延长其生命的同时,还以多种手段(文字、摄影、测绘等)不停地记录着石窟艺术的实时面貌,取得了一定的成果。但以往的记录,特别是测绘记录,无论是手工测绘,还是立体摄影测绘,最终的手工线描图件,均不能够立体的、准确的、全方位的展示石窟艺术的真实面貌。或多或少地存有不同缺陷。近年来,随着三维激光扫描测绘技术的出现与推广,获得更加丰富、全面的高浮雕石窟艺术信息成为了可能。

         二 三维激光扫描技术
        三维激光扫描技术是上世纪九十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,以被测对象的采样点(离散点) 集合——称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据。可以快速、大量的采集空间点位信息,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。它可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作,并直接将各种实体的三维数据完整的采集到电脑中,进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。目前已广泛应用于各行各业,如: 快速建立城市模型、古建测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测以及在安全方面的应用等。
        由此,将三维激光扫描测绘技术引入云冈石窟的测绘,无需接触文物测量,避免了手工测绘对文物的可能伤害,并具有测绘速度快、周期短、精度高、适用范围大等诸多优点。同时,一个完整的壁面点云,经过建立三角网模型后,将若干张高清晰数码照片纹理映射到模型上(由点云模型对照片进行纠正)后,就可获得一张高清晰的壁面正射影像图。这样的图件不仅比例尺寸准确、纹理清晰,并且其色彩也近似文物本体面貌,较之人工和近景摄影测绘的线描图,有更多的文物信息体现其中。如将其置入普通计算机cad软件中,读者即可获得该影像图中的各种所需数据了。这样的最终成果,无论手工测绘,还是近景摄影测绘都是不可能实现的。

        三 三维激光扫描技术的具体应用
        2005年,云冈石窟研究院与北京建工建方科技公司(北京建筑工程学院校产公司)展开合作,采用地面三维激光扫描技术对云冈石窟东西长近1公里、高约20至40米的外立面进行测绘。通过近1个月的扫描测绘,共获取原始点云数据17.6G。生成云冈石窟外立面完整点云及正射影像图各一套。
        云冈石窟外立面正射影像图(图1、2),经实地核对,准确无误。该图准确描述了云冈石窟外立面的具体尺寸、洞窟布局及其相互关系、洞窟外部形态和石窟群整体形象(包括直线距离820米的向阳的石窟群立壁和非向阳的立壁。非向阳的立壁有10个:第1窟东侧一级浮图的东壁、西壁;第2窟西侧一级浮图的东壁、西壁;第3窟外东侧壁、西侧壁;“龙王庙沟”第5窟附属洞窟立壁;第13窟西侧壁;第30窟西侧壁;第38窟东侧壁等)。对于我们准确掌握和认识石窟,继而保护石窟具有重要意义。当然它在考古学上的价值也是值得肯定的,在此图基础上绘制的云冈石窟实测线描图,弥补了云冈石窟长久以来没有全景正射实测线描图的缺憾。

                                                                                                                       图1 云冈石窟外立面正射影像图

                                                                                                                 图2 云冈石窟全景立面正射影像图(部分)
        2008~2009年又对云冈石窟第1~4窟洞窟内部进行了三维激光扫描测绘。目前外业测绘工作已全部结束,共获取点云数据6.4G。内业工作正在收尾阶段。
        通过5年来的研究与实践,三维激光扫描技术在云冈石窟以下方面得到了良好的应用。
        1、数字洞窟档案
        地面三维激光扫描系统能够得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点坐标数据,可以真实描述目标的整体结构及形态特性,完整原形及矢量化数据结构。三维点云模型提供了一种记录文物本体现状的手段。
        三维激光扫描系统内置了一个与激光发射系统光轴相同的数码相机。由于相机被内置在扫描系统内部,因此,在扫描系统工作中,数码摄影系统与激光扫描系统之间的相对位置及偏移角不变,即数码相片相对于扫描坐标系统的相对位置不变,这样在扫描系统中就可以得到带有彩色纹理的点云数据。如图3。

                                                                                                             图3 三维激光扫描仪获取云冈石窟第7、8窟彩色纹理点云
        2、正射影像图
        在原始点云经过一系列的平滑、去噪后,我们利用三角剖分来制作出不规则三角网(Tin)来表达文物的实体模型,之后用采集的彩色照片将纹理映射到模型上,进而得到物体的正射影像图。图4为点云生成三角网模型过程图。

                                                                                                                 图4 点云生成三角网模型过程图

        通过纹理映射技术,得到了可以任意设置比例尺的正射影像图。这种看似摄影照片的图像,已然是一幅比例准确、反映真实、细微的实测图像。如图5为第2窟塔柱南壁正射影像图的生成过程图。

                                                                                                                        图5 第2窟塔柱南壁正射影像图的生成过程图
        图6为第1窟塔柱南壁正射影像图,图7为第1窟西壁正射影像图,图8为第2窟东壁正射影像图,图9为第2窟天井正射影像图,图10为第3窟后室北壁大佛正射影像图,图11为第3窟后室北壁右胁侍菩萨正射影像图,图12为第3窟后室北壁左胁侍菩萨正射影像图。

                                                                                                                               图6第1窟塔柱南壁正射影像图

                                                                                                                          图7 第1窟西壁正射影像图

                                                                                                                   图8 第2窟东壁正射影像图

                                                                                                                         图9 第2窟天井正射影像图

                                                                                                               图10 第3窟后室北壁大佛正射影像图

                                                                                                               图11 第3窟后室北壁右胁侍菩萨正射影像图

                                                                                                        图12 第3窟后室北壁左胁侍菩萨正射影像图
       同时可以解决一些传统测绘和摄影技术无法解决的问题。例如第3窟地面凹凸不平,应为古代采石所用。采用三维激光扫描技术所生成的正射影像图可以很好的表达这一情况,如图13为第3窟地面正射影像图。正射影像图具有尺寸精准、图像清晰、可在电子版中量测距离、面积的特点。

                                                                                                                                 图13 第3窟地面正射影像图
        3、正射影像叠加图
        将两张或多张正射影像图按照其文物本体的空间关系相叠加,即可获得正射影像叠加图。这种图能够更好的表达不同壁面之间的关系及特点。如图14为第2窟西壁与塔柱东壁叠加图。

                                                                                                          图14 第2窟西壁与塔柱东壁叠加图
        4、数字拓片
        在正射影像图的基础上,经过一系列加工处理,即可得到代替传统拓片的“数字拓片”。用它来替代传统的墨拓作品,尽管缺少了墨拓图像的艺术韵味,但图像表现更加完整、细致、准确。最重要的是,完全去除了墨拓作业对石雕艺术的直接损害。对于砂岩结构的云冈石窟来说,日益严重的风化剥蚀,使很多艺术作品的内部和表面都已经“憔悴”不堪了,再也经不起类似墨拓这种人为活动对它的再“摧残”了。
        数字拓片与传统拓片相比,具有不接触文物,尺寸精准的特点。如图15为第3窟菩萨头冠及背光数字拓片。图16为第1窟拱门龙形展开影像图。
                                                                                  
                                                                                                                 图15 第3窟菩萨头冠及背光数字拓片

                                                                                                            图16 第1窟拱门龙形展开影像图
        5、剖面图
        以往的云冈石窟实测图,多为洞窟壁面正投影像线图。只有个别大型高浮雕造像作品,才可见侧面图或剖面图。而云冈石窟是一座高浮雕非常普遍的石窟,多数高浮雕作品没有侧面或剖面图。而在完整的数字洞窟档案中,可以按照任意方向、任意高度对石窟切割,切割后生成的剖面即可修改生成剖面图。剖面图一般有两种手段:一是直接对点云进行剖切,二是对基于点云建立的不规则三角网模型进行剖切,前者方便快捷,灵活性强,但精度相对较低,后者模型拟合的精度高于点云,因而制作出的成果精度也较高。图17为第2窟直剖面图。

                                                                                                                           图17 第2窟直剖面图
        6、正射影像图与剖面叠加图
        根据激光扫描测绘技术提供的点云数据,实现了洞窟测绘中各个方向的剖面处理,使洞窟以多个角度得以全面展示,对我们准确了解洞窟形制、认识洞窟间的相互关系具有重要作用。如在第1、2双窟的北壁前、塔柱后(客观条件不允许与壁面平行)做一东西向的剖面,就直接看到了该双窟两个正壁(北壁)的主像组合,即为交脚弥勒与释迦佛的组合,如图18所示。如以其它测绘方法取得同样图件,就显得较为困难了。

                                                                                                            图18 第1、2窟北壁前的剖图
        与此同时,我们在各个剖面图中叠加了与该剖面图平行的正射图像,使读者更加直观地看到剖面位置和方向,在二维平面视觉上获得了更多的洞窟信息。如在第3窟后室北壁主佛像正面做一纵向剖面,不仅看到了后室窟内主像的左侧手臂、下肢和东侧胁侍菩萨,还看到了前室的形制及其较薄的窟顶平台面,如图19所示。

                                                                                                              图19 第3窟前后室西侧纵向剖面图
        7、等值线图
        等值线图能够准确客观地反映云冈石窟这种高浮雕造像特征。部分石质佛像等值线的制作,是文物数字信息采集的重要部分。较之手工测绘甚而近景摄影测绘,外业过程不受环境和操作人的影响,数据采集机械化、自动化、简单化;在内业的过程中,等值线完全是基于所采集的三维实体模型,在软件中一键生成等值线,等值距可随意设置,算法完善,无需人工干预。如图20为第3窟后室主佛像五角度等值线图。

                                    
                                                                                                                   图20 第3窟后室主佛像五角度等值线图

        四 结束语
        三维激光扫描技术不仅具有高效、快速、准确等优势,而且能够制作形式多样的数字产品,并为后人留下真三维的文物数字档案,较之传统测量方法具有无可取代的优越性。将今天所采集的点云数据存档,能够满足今后科技不断发展进步中不同时期的制作需求,甚至可以制作出一座与扫描测绘之时完全一致的造像或洞窟来。

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