三维激光扫描技术在云冈石窟数字化中的应用

来源：职称论文发表咨询网作者：赵编辑时间：2019-09-25 09:25

　　摘要云冈石窟作为世界文化遗产，有着 1600 多年的历史，经过长期时间的洗礼风化现象严重。为了更好地保存石窟文化，学者们应用数字化的手段进行研究，传统的测量手段因在数字化研究方面存在着自身的缺陷而被现代测量手段所逐步替代。本文主要介绍和展示了三维激光扫描技术在云冈石窟数字化上的应用及成果，并证明了该方法在洞窟内研究的适用性，给云冈石窟的发展和研究提供了新方向。

　　关键词云冈石窟;数字化;三维激光扫描技术

　　0.引言

　　云冈石窟坐落于山西大同城西 16 公里处，开凿于北魏时期，依武周山开凿，规模恢宏，气势雄浑，洞窟中的每一尊佛像都惟妙惟肖，让每一位观赏过的人无不感慨古人的智慧，这是先辈们给我们留下的无价瑰宝，(如图 1 所示)。石窟石质主要为砂岩，在距今 1600 多年的历史长河中，经过风化、水蚀等自然的破坏和人为的损坏，洞窟存在不同程度上的损毁，因此对石窟的研究和保护工作迫在眉梢。

　　多年来国内外的众多学者们对云冈石窟进行了多次的考察和研究。早在 1902 年和 1907 年日本学者伊东忠太和法国学者沙畹分别来云冈调查 [1] ;1938 年至 1940 年间，日本学者水野清一、长广敏雄等人对云冈石窟进行考察发掘[2]，[3] ;后来日本学者并用较为系统的手工测绘方法得到了云冈石窟相关图件 122 幅;1960 年至 1963 年间，我国文化部建筑修整所杨玉柱等人对云冈石窟进行了新中国成立后的首次系统测绘，并绘制了 8 个洞窟的实测图 60 张[4] 。以上这些均属于传统的测绘手段，测绘工作存在测量周期长，速度慢，精度不高的缺点，同时二维表达方式不能满足对石窟中立体佛像的细节描述，最致命的是在测量的过程中需要接触石窟从而对石窟造成了二次破坏。随着科技的进步和测绘新技术的发展，3S 技术，三维激光扫描技术，近景摄影测量技术，无人机等高科技的兴起，在测绘数据采集中有着重要的作用，尤其是三维激光扫描技术更好地展示了石窟中的细节特征。

　　为了更好地传承和展示云冈洞窟文化艺术，云冈石窟研究院近十几年来投入了大量的人力物力致力于云冈石窟的修复和数字化，从不同的方面对石窟进行研究、保护及存档。

　　1.三维激光扫描技术

　　三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，它是利用三维激光扫描仪获取目标物表面点的空间坐标，然后根据获得的测量数据构造出目标物的三维模型的一种全自动测量技术，又称为“实景复制技术”[5] 。三维激光扫描技术推动了空间三维数据的获取方式向着实时化、动态化、数字化和智能化的方向发展。该技术的特点如下：快速性和采样率高。激光扫描仪测量能够快速地获取大面积的目标空间信息，可及时测定实体表面的三维立体信息，可以采集高分辨率的海量点云数据;实时动态性。三维激光扫描仪系统主动发出激光信号，经反射后接收发射回来的信号，不受外界光照、温度等天气条件的影响，支持全天候实时作业;非接触性。三维激光扫描原理是通过发射和接收的信号来采集数据，测量人员并不直接接触目标物，这一特点使得三维激光扫描技术特别适合于文物类目标物的测量，不仅减少了对石窟文物的人为破坏，也更对测量人员无法到达的或较危险的地方可以进行施测。[6]

　　基于以上特点，三维激光扫描技术更适用于云冈石窟内的高浮雕的佛像和壁画数据的采集，外业主要使用地面式的三维激光扫描仪对洞窟内外的大场景进行扫描，并配合手持式的扫描仪对佛像和壁面细节特征进行补充扫描[7] 。

　　2.云冈石窟数字化流程及成果应用

　　2.1 三维数字化流程

　　云冈石窟的数字化数据采集中一方面采用三维激光扫描仪获取三维模型的点云数据，另一方面采用高分辨率的单反相机通过全景近景拍摄来获取洞窟内实物真实的纹理信息，用于后期模型纹理映射，从而得到真实的三维模型。(如图 2 所示)描述了数字化过程中的主要流程。

　　整个阶段包括以下几点：

　　(1)控制测量。在进行三维扫描和近景拍摄之前需要先对整个工作现场进行布设，以确定控制点或者标靶的位置，并对它们进行控制测量，实现空间坐标定位;同时根据目标物情况设计测量方案。

　　(2)外业数据获取过程。在测量方案的指导下，一方面使用 Riegl VZ-400 地面高精度三维激光扫描仪 /METRASCAN 手持扫描仪进行点云数据采集;另一方面纹理照片采集，图 3(a)是采集云冈石窟第 13 窟佛像的点云数据。

　　(3)内业数据处理。首先是点云数据的处理主要包括数据滤波、数据缩减、坐标匹配、加入地理参考等;然后是三维建模，模型数据的处理包括检查漏洞、噪点删除、模型拼接等，图 3(b)是云冈石窟第 13 窟佛像生成的三维模型。

　　(4)纹理贴图。在三维素模的基础上根据采集的纹理照片对其添加纹理信息。图 3(c)展示了在贴图大师中通过映射纹理生成的云冈石窟第 13 窟佛像的三维彩色真实模型。

　　(5)三维 GIS 平台管理。针对完成的三维成果数据，为了方便查询、分析可以使用三维 GIS 平台进行管理，编辑目标物的空间位置信息和属性数据信息。

　　2.2 数字化成果应用

　　2.2.1 数字化存档

　　数字化成果中应用之一就是对云冈石窟的科学记录，不仅可以得到石窟的三维扫描点云数据、三维模型，还有石窟对应的立面图、剖面图、正射影像图等等，这些不仅提供了洞窟的数字档案，还可以从模型上准确地测量出佛像的尺寸等信息，这种数字化形式长期有效方便保存，更好地保留了石窟真迹。

　　2.2.2 VR 展示和洞窟复制

　　我们通过将三维激光扫描得到的模型加入 VR 展示系统，通过 VR 设备参观云冈石窟可以让更多人在异地感受到身临其境的感觉，这也将打破时间地点的限制给游客提供了观赏景区的另一种方式，让远方的游客乃至全球的同胞一起感受云冈石窟的宏伟。现阶段我们正在努力突破技术壁垒后期将会提供十几人同时体验并且可以互动的 VR 展示系统。

　　随着 3D 打印技术的发展，2017 年我们对第 3 窟后室进行了 1∶1 的复制还原(如图 4 所示)。复制过程历时两年，完成了对第 3 窟后室的高保真还原，并在青岛文化传媒集团广场亮相，这是世界上首次实现的大体量文物的 3D 复制工程，这一工程的完成标志着我国大型石质文物的数字化已达到复制水平，同时也预示着可移动的云冈石窟将逐步走向世界[8] 。

　　2.2.3 文物监测和保护

　　三维激光扫描技术基于其精度高的特点，近几年来已用于测绘方面精度要求较高的监测领域，如建筑的沉降观测，克服了传统监测仪器只用于规整建筑的这一缺点。云冈石窟于 2012 年使用三维激光扫描技术对 9、10 窟新建窟檐进行监测，通过每期数据的对比分析窟檐的稳定性。此外，对于石窟壁面上出现了裂缝等病害时，我们还可以从三维模型中准确地找到病害对象的位置所在和量取其尺寸，为后期的保护修复提供数据支持。

　　2.2.4 文物修复

　　众所周知的云冈石窟第 20 窟露天大佛由于窟顶崩塌，西立佛像的原形态一直不为人知，1992 年联合考古队考古时发现了大量的西立佛石块，约 130 多块，经云冈石窟研究院人员研究将这些石块进行拼接，大致可见西立佛的佛身容貌[9] 。近几年来随着新技术的发展，西立佛的修复工程正在开展，我们与北京建工建方科技公司一起合作利用关节臂高于毫米级精度三维激光扫描仪对这些石块进行扫描，并在计算机中对扫描成果进行数据量测，无缝拼接以复原西立佛的真容。因此，利用三维激光扫描技术得到的数字化成果对文物的修复工作有着一定的指导作用。

　　3.结束语

　　本文主要讲述了三维激光扫描技术在云冈石窟数字化中的应用，在数字化过程中体现了这一技术的特点和优势，从三维模型到成果展示均说明了这些技术在云冈石窟文物研究和保护上的可行性和适用性，也对我国其他古文物和古建筑的研究保护具有一定的借鉴作用。

　　参考文献：

　　【1】文莉莉.云冈石窟莲花装饰纹样的调查研究[D].山西：山西大学，2013.

　　【2】张月琴.20 世纪三四十年代日本对云冈石窟的调查—以《云冈日记：战争时期的佛教石窟调查》为中心[J]. 山西大同大学学报(社会科学版)，2016，30(4)：40-42.

　　【3】谷敏.北魏时期的云冈石窟[D].山西：山西大学，2013.

　　【4】何勇.大型高浮雕石质文物的数字化探索—以云冈石窟为例[J].数字化遗产，2016(2)：30-33.

　　【5】张会霞，朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

　　【6】梁爽，谭龙，李海泉，等.三维激光扫描技术制作不可移动文物本体测绘图方法研究[J].测绘与空间地理信息，2016，39(2)：123-125.

　　【7】吴月琴.云冈石窟 18 窟数字化技术的应用[J].城市勘测，2015(6)：89-93.

　　【8】付洁，王雁翔.大佛东来—云冈石窟第 3 窟原比例复制项目落成揭幕仪式在青岛举行[Z]，2017-12-16.

　　【9】刘俊卿,梁有福.历经 1600 余年沧桑岁月云冈 20 窟西立佛将获重生[N].山西晚报，2017-03-29.