一、前言

 

我国石质文物众多，据第三次全国文物普查显示，我国拥有石窟寺及石刻共24422处，其中不乏像敦煌石刻、云冈石窟、大足石刻等艺术精品。这些石刻文物，多数因体量巨大，而无法同其他文物一样被收藏于博物馆里。尤其是石质建筑，长期暴露在自然环境中，不可避免地遭到各种因素的破坏，面临成百上千年的岁月侵蚀，很多已无法保持原有的状态。

 

为了能让这些石质文物得到更好的保护，专家们采取不同的方式研究、修复这些文物，竭尽全力的保护着这些文物。但随着时间的流逝，长期处在自然环境中的石质建筑，都避免不了发生自然的损坏。

 

所以，真实性地记录下文物的现状，成为了文物保护中不可或缺的一环。真实记录下文物的数字信息，不仅可以以数字的形式将文物永续保存，同时也可以为病害监测、虚拟修复等文物保护提供帮助，亦或是为未来的文物复原提供参考。相较传统测绘、照片、视频，三维数字化手段可以更加丰富、全面、准确地记录下文物信息，这不仅能实现文物的数字化存档，而且为文物保护、研究、展示等方面提供了更大的便利和更丰富的手段。

 

二、背景

 

2020年12月，由故宫博物院牵头申请的国家重点研发计划——战略性科技创新合作重点专项“中国-希腊文物保护技术联合实验室建设与联合研究”获批立项。中国-希腊文物保护技术“一带一路”联合实验室建设与联合研究项目，围绕中希两国在激光清洗、大幅面高光谱扫描、激光全息散斑干涉与超高清三维数字化技术等先进光学与数字化技术在文物保护中的应用需求，构建文物保护技术领域装备研发、应用创新与培训交流的文物保护技术“一带一路”联合实验室平台。

 

其中，子课题四“石质文物超高清三维数字化采集和加工研究与示范”主要针对中希两国遗址类石质文物的三维数字化工作开展研究，研究文物基础空间与纹理全信息的采集技术方法、硬件配置及规范化操作流程。

 

子课题以故宫博物院灵沼轩建筑石质构件为对象，探索文物全信息数据分类、分级深度加工体系与具体要求，研究文物超高清三维数据采集和加工的特殊性和差异性，建立具有成果一致性好、人工干预低、过程与结果可量化评价、便于工程化实施的文物三维数据采集和加工流程规范和技术解决方案，形成基于文物数据价值、面向文物保护需求以及前瞻性展示利用的文物数字化成果体系与采集加工规程。

 

三、灵沼轩三维数字化保护

 

1. 灵沼轩概述与保存现状

 

灵沼轩位于故宫博物院延禧宫院内，是一座1909年始建的金属玻璃砖石结构建筑，又名“水晶宫”，是紫禁城内少有的西洋式建筑。出于防火等原因，灵沼轩未采用中国传统的木结构，而是以石质与金属结构相结合的形式建立而成，造型优美，结构特殊，具有典型的西式建筑风格，是我国最早建造的钢铁-砌体组合的结构之一，具有重要的历史价值、艺术价值和科学价值。根据现场勘察，灵沼轩的砌体结构部分外观较为完整，但部分墙体和门窗拱券上部出现石块碎裂或开裂现象（图1）；金属结构部分，钢梁虽整体外观较完整，但基本都已出现不同程度的锈蚀现象。

 

图1  门窗拱券上部裂缝

 

2. 三维数字化方案

 

文物三维数字化的方法不是一成不变的，需要根据文物的体量、结构特征、病害情况等综合判定，选择适宜的方法进行全信息采集，其中常见的有三维激光扫描、结构光扫描、多图像摄影测量建模等技术手段。针对石质文物，为了达到更好的采集效果，还可以针对石质文物表面进行独立的超高清影像采集，以及病害超高清特写影像采集。通过上述工作，获得文物超高清、高精度空间与纹理全信息数据。

 

在采集文物全信息数据的基础上，基于石质文物数字化保护理念，分析文物的数字化保存与展示利用的需求，以及石质文物预防性保护专业需求，并根据这两方面的专业需求，采用点云逆向建模、摄影测量建模、虚拟实体建模、数码影像处理、二维矢量图形提取等技术方法，完成文物多类别、多级别数据成果，从而形成石质文物数字化保护成果体系。

 

石质文物超高清三维数字化的技术路线如图2所示，工作路线如图3所示。

 

图2  石质文物超高清三维数字化技术路线图

 

图3  石质文物超高清三维数字化工作路线图

 

3. 三维数字化技术方法研究

 

3.1 数据采集方法

 

（1）遗址整体数字化高精度控制研究

 

在通常情况下，遗址整体数字化精度控制应按照GB50026-2020《工程测量标准》的规定布设控制网，采用二级平面控制测量，四等高程控制测量，此方法做地面控制网的精度是可以满足数字化的要求。但在受限条件下，由地面控制网引测至三维扫描、摄影测量的控制点的方法无法满足高精度的数字化需求，本次数字化示范的灵沼轩建筑就因空间限制、相互遮挡等情况，导致高程测量存在无法直接通视或能通视但不满足规范要求（边长超限、角度超限等）的问题。综合分析后，根据其仅二十米左右高度的特点，采用悬吊钢尺单段法（图4），获得了满足要求的精度。

 

图4  悬吊钢尺传递

 

（2）单体构件数字化高精度控制研究

 

对于已拆离或脱离遗址的石质构件，如仍采用遗址三维数字化的控制方法，无论是数据精度还是工作效率都不具良好适应性。通过研究，使用一种三维扫描与摄影测量一体化控制方法和装置（图5），不仅能获得很好的控制精度，还能显著提高工作效率。

 

图5  三维扫描与摄影测量一体化控制装置

装置在三维扫描、摄影测量三维重建中联合使用，可实现扫描网格模型与摄影测量网格模型的高精度对齐，或扫描点云与摄影测量网格模型的高精度对齐，使用此种方法的对齐精度是人工操作对齐无法相比的，从而可实现高还原度的文物数字化。对齐工作在数据采集、加工过程中自动完成，大大节省工作量，不仅工作效率高，而且对齐结果基本不受人工影响。装置在摄影测量三维重建中单独使用，可利用一体化装置的二维码，实现无人工剌点的自动像控，相比于人工刺点像控，不仅精度控制得到极大的提高，而且省去了工作量巨大的像控人工剌点过程，也避免了因操作人员不同而导致的刺点差异性引起的控制精度不同；装置在三维扫描中单独使用，利用一体化装置的靶标球，可以实现三维扫描时的扫描控制和拼接连接，对于扫描中需要贴标志点的情况，可以将其贴在一体化装置的框架上，解决文物不允许贴标志点而采集工作必须贴标志才能完成扫描的问题。

 

三维扫描与摄影测量一体化控制实现流程如下（图6）。

 

图6  三维扫描与摄影测量一体化控制实现流程图

 

（3）三维扫描数据采集研究

 

灵沼轩石质建筑超高清三维数据采集中使用站式扫描与手持扫描相结合进行数据采集。

 

使用站式扫描（场景扫描）采集，需根据场地情况确定相应的方法、参数，主要包括站位布设的站点分布、扫描距离、区域覆盖、室内室外、进深与开间、单层与多层、复杂结构、死角部位等；靶标布设的靶标类型、靶标分布、每站靶标数量、相邻站公共靶标数量、靶标与站位、控制点的通视等；扫描作业的相邻两站点云重叠度、扫描的数据精度、数据完整性、作业略图等。

 

使用手持扫描（近距离扫描）进行采集，需根据文物情况确定相应的方法、参数，主要包括靶标布设、扫描指向、扫描距离、分块扫描、点云密度与文物形态的关系等。

 

（4）摄影测量数据采集研究

 

灵沼轩石质建筑超高清三维数据采集使用贴近近景摄影测量，采集时需根据实际情况确定相应的方法、参数，主要包括照片分辨率、控制点布设、拍摄光环境、航向重叠度、旁向重叠度、相邻照片数、颜色还原控制等。

 

3.2 数据加工方法

 

（1）三维扫描数据加工研究

 

对灵沼轩建筑超高清三维采集的点云进行存档数据加工，需根据数据情况确定相应的方法、参数，主要包括点云拼接与误差改正、坐标系转换、非目标点云剔除、异常点云消除、点云降噪、点云抽稀、网格模型生成、叠面与交叉面消除等。

 

图7  场景扫描成果

 

（2）摄影测量数据加工研究

 

对灵沼轩建筑超高清三维采集的摄影测量照片进行三维重建存档数据加工，需根据数据情况确定相应的方法、参数，主要包括不合格照片剔除、照片颜色还原、空中三角测量计算、纹理模型生成、网格模型叠面、交叉面与缝隙消除、纹理贴图模糊、拉伸、接缝、高光消除、纹理贴图进行匀色、匀光、碎片化UV消除、网格模型和贴图数据量优化等。

 

（3）三维扫描与摄影测量三维重建结合的数据加工研究

 

对灵沼轩建筑高清三维采集的点云和摄影测量照片三维重建相结合进行存档数据加工，需根据数据情况确定相应的方法、参数，主要包括分别进行三维扫描数据加工和摄影测量数据加工、三维扫描的网格模型UV分块和展开、摄影测量网格模型与三维扫描网格模型之间的误差评估、摄影测量纹理模型的纹理贴图至三维扫描网格模型的烘焙等。

 

4. 灵沼轩高精度三维数字化成果

 

按照石质文物超高清三维数字化对控制测量的要求，根据灵沼轩的特点，现场布设地面控制网、三维扫描控制点、摄影测量控制点，完成控制测量，各测量数据满足要求。

 

场景三维扫描结合手持三维扫描，获得数据如下表（表1）：

 

表1  三维点云数据统计表

 

贴近近景摄影测量拍摄，获得数据如下表（2）：

表2  摄影测量数据统计表

 

 

对石质构件进行4K、8K、12K、16K超高清加工实验，效果如下模型：

 

灵沼轩石质构件数据加工样例