三维激光扫描技术在云冈石窟13窟数字化中的应用

田继成，罗宏，吴邵明

(大同市勘察测绘院，山西大同 037000)

1 引言

云冈石窟是我国三大石窟艺术宝库之一，全国重点文物保护单位，至今已有1500多年的历史，2001年被列入世界文化遗产名录。现存洞窟40多个，佛龛1200多个，石雕造像5万多尊。在自然界不可抗力的作用下，石窟的崩塌、风化现象十分严重。为更好地保护这一珍贵的历史文化遗产，云冈石窟研究院自上世纪60年代以来，应用现代科学技术对石窟实施了多种抢救和保护工程。然而，石窟的调查和测绘一直都是困扰文物工作者的难点，目前尚没有全面系统的洞窟现状调查和测绘报告，文物保护和修复工作面临困难，三维激光扫描技术为解决这一难题提出新思路。本文以云冈石窟13窟数字化为例，利用三维激光扫描技术进行研究，为石窟寺的数字化提供有利参考。

2 云冈石窟13窟概况

云冈石窟13窟位于云冈窟群中区的最西端。这个洞窟属云冈第二期工程，又名文殊菩萨洞。穹隆窟顶，主像为交脚弥勒菩萨，高 13 m，头戴宝冠，颈部戴悬铃项圈及璎珞，胸佩蛇饰，双首啣珠。右手臂肘下，一力士四臂奋力托举，势若拔山。该像经后代包泥彩绘，原雕仅见双足踏莲。东壁龛像，殿堂飞阁，流苏帷帐，神龙跃动，尽显汉风。南壁明窗与窟门之间屋形大龛内，七立佛造像气韵高雅。

3 云冈石窟13窟数字化流程

3.1 云冈石窟三维数字化

云冈石窟三维数字化就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，以最精细、最合理的技术手段和方法采集并记录下石窟的真实现状，完整保留全面、准确、细致的三维数据，进而还原出合理的、使参与者能近距离地观察、直至互动的虚拟世界，将云冈石窟清晰的展现出来，如图1所示。

图1 云冈石窟数字化流程图

3.2 外业扫描以及纹理采集

(1)三维激光扫描

外业采用不同性能的三维激光扫描仪对文物采用多角度交叉式高精度扫描，以精度为 0.3 mm的探索者三维激光扫描仪对石窟内壁部特征进行采集;中间以中等精度扫描仪进行普及扫描;石窟外围整体立面采用Leica ScanStation C10三维激光扫描仪做大场景控制;以近距手持型扫描仪作为细部及空间不便扫描位置的数据补充，这样可以采集文物最全面的点云数据。同时以测量专业为背景，对石窟现场做控制点布设。测量基准和点云数据的采集根据云冈石窟的特点应该满足下列要求:

①测量基准

a.平面基准采用1980国家坐标系。

b.高程基准采用1985国家高程基准。

c.时间基准应采用公元纪年、北京时间。

②点云数据采集

a.扫描文件宜采用“日期”+“工程名”的方式命名。扫描站宜采用“顺序号”+“扫描站位置”的方式命名，扫描站位置用草图简要描述。

b.扫描分辨率的设置视不同工程、不同精度要求而不同，应遵循表1的规定。

点云采样等级分类 表1

c.测站间点云数据的重叠度不低于30%。

d.扫描过程中如果仪器工作出现异常，如断电、死机等原因、或者仪器位置出现变化，重新开始扫描。

(2)影像数据采集

对原始的彩色纹理采集采用两种方式:一种是与扫描仪同轴的高清像机采集，用于高精模型的映射;另一种则是全角度的近景拍摄，用于渲染展示模型的贴图。在石窟内采集纹理过程中为保证色彩还原、分辨率、位置关系，采用佳能EOS 5D MarkⅢ机身+EF红圈(24 mm～105 mm)镜头的套机，在特定的环境下做石窟做纹理采集。同时划分区域，确保拍摄佛像的完整性，细致。

a.影像采集应使用满足分辨率要求的单反相机，单张相片相幅设置到相机的最大分辨率。

b.拍摄角度:尽可能保持镜头正对目标面。特殊情况导致无法正面拍摄全景时，先拍摄部分全景，再逐个正对拍摄，后期再进行合成。

c.拍摄光线:应选择光线较为柔和均匀的天气，避免逆光拍摄。能见度过低或光线过暗时不宜拍摄。

d.相邻照片之间应保证有不小于30%的重叠区域。

(3)去除噪点以及点云拼接

在Cyclone(Cyclone是徕卡公司开发的一款点云处理软件，主要实现点云的处理，拼接功能)里对扫描得到的点云进行基本处理，根据点云数据采集的情况和技术设计要求，我们手动选取石窟内的特征点进行点云配准拼接，得到13窟的完整点云数据，如图2所示。

各类项目的拼接精度 表2

图2 拼接完成后的点云数据

3.3 高精彩色点云的制作

在PTGui软件(PTGui可以快捷方便地制作出炫目的全景图片，导入图片之后配准镜头参数然后就可以自动的拼接和融合为全景图像)中对将采集的多张同轴照片进行校准、拼接，形成360°全景照片。将处理完成的同轴360全景照片切成6块与所对应站的点云数据做映射，完成高精彩色点云的数据制作。高精彩色点云点与点之间的距离为 0.3 mm，同时还具有彩色信息。为文物的存档，修复提供了准确的三维数据，如图3所示。

图3 彩色点云

3.4 点云数据的降噪和抽释

采用滤波方法对点云数据进行降噪处理去除存在脱离扫描对象的异常点、孤立点。按空间区域划分，实现单元数据编组的逻辑关系，达到大数据全面、小数据精准的综合目的，从而避免出现因数据大而造成的处理困难和怕数据大而造成的缺失;同时根据文物的完整性和复杂结构在Cyclone中对整个点云数据进行切块、抽希。

根据扫描对象的特点，我们采用保持特征的抽稀，根据法向量变化和曲率识别特征区域，自适应进行抽稀，抽稀后点云在比较平坦的地方(法向量近似平行)保留较少的点，在表面曲率较大的地方保留较多的点。这样既能有效减少数据量，有助于软件的应用和操作，同时比较好的保证数据的完整性和轮廓，精度如表3所示。

各类项目的抽吸精度 表3

3.5 内业建模贴图

(1)将三维点云数据转化为三角网格模型

将经过处理的点云构网。该步骤使用的是三维逆向工程软件Geomagic，先对点云数据进行简单的平滑去噪再生成不规则三角网网格模型。使用软件对生成的不规则三角网网格模型中的漏洞和重面的部分使用修复功能进行修补。

由于采用多种不同性能的三维扫描仪对佛像进行多角度交叉式扫描，佛像缺失的点云数据很少，所以生成的三角网模型漏洞很少，只需要在Geomagic里面逐个进行曲率填充单个孔，就能生成很完好的模型。最终建好的三角网格模型能很好地逼近对象表面形状，为后期模型纹理映射做好了准备，如图4所示。

图4 大佛素模

(2)纹理映射

把经过前面步骤得到的三维模型，它已经具有很好的几何准确性，但是我们为了能满足可视化的需要，还原真实的三维景观，就需要对三维模型添加真实的色彩，达到纹理映射的目的。

为了更好地实现佛像的纹理映射，我们在3ds Max中将模型先做优化、uvw展开和uvw贴图处理，再将棋盘格附在模型上，根据棋盘格的拉伸情况，把模型切成比较平整的小块，然后编辑uvw，渲染贴图。最后在Photoshop里将多张照片对应到渲染出来的相对应的三角网中，从而实现模型的纹理映射，如图5所示。

图5 展uwv贴图

3.6 开发完善三维数字平台以及成果展示

将带有纹理的模型导入Toplite平台，使其能在系统中浏览，量测，剖图，属性等功能。从而实现建立石窟三维数字档案的目的，如图6所示。

图6 成果展示平台

4 结语

云冈石窟13窟的三维扫描制作过程，在总体的技术路线上很正确，制作过程中针对具体出现的问题和不合理或者繁琐的步骤不断进行探索尝试，总结经验，从而改进工作流程，提高工作效率，最终总结出石窟三维测量比较标准及合理的工艺流程。并且通过该项目的制作过程，使我院三维项目组的工作人员对于三维建模、三维贴图等工作得到锻炼。

在云冈石窟的数字化过程中，通过实践发现，三维激光扫描技术作为一种先进的测量方法，在精度、速度、操作等多个方面表现了巨大的优势，是传统手工测绘方式不能比拟的。其中很多图件成果，传统测绘方法几乎无法完成，完全能够满足石窟的存档和数字化，加快了云冈石窟保护管理现代化进程，同时也为石窟调查报告的编写创造了条件，对于文物的保护和修复具有重要意义，在文物数字化方面具有广阔的前景。

［1］臧春雨.三维激光扫描技术在文保研究中的应用［J］.建筑学报，2006(12).

［2］徐源强，高井祥，王坚.三维激光扫描技术［J］.测绘信息与工程 ，2010，35(4).

［3］王恒.云冈石窟测绘方法的新尝试——三维激光扫描技术在石窟测绘中的应用［J］.文物，2011(1).

［4］冯梅，吕水生.三维激光扫描技术在文物保护中的应用［J］.河南科技，2011(19).

［5］冉磊.三维激光扫描仪及其在文物保护中的应用研究［J］.测绘通报，2009.

［6］郑小宁，刘军平.三维激光扫描的应用与精度分析［J］.地理空间信息，2008.

［7］张远智，胡广洋，刘玉彤等.基于工程应用的三维激光扫描系统［J］.测绘通报，2002.

［8］吴育华，王金华，候妙乐等.三维激光扫描技术在岩土文物保护中的应用［J］.文物保护与考古科学，2011，11.