云冈石窟18窟数字化技术的应用

吴月琴(大同市勘察测绘院,山西大同 037006)

云冈石窟18窟数字化技术的应用

吴月琴∗
(大同市勘察测绘院,山西大同 037006)

摘 要:云冈石窟是我国规模最大的古代石窟群之一,主要以高浮雕为主的石窟寺,普通的测量方法很难实现云冈石窟的数字化保护。三维激光扫描仪比较适用于古典建筑和佛像、雕塑、壁画等的扫描。采用三维激光对云冈石窟18窟扫描,获取高精度的文物数据,通过模型优化、纹理匹配等技术手段将文物逼真再现,多角度、高清晰地展示参观者在展柜旁无法观赏的任意角度和精度的文物细节。

关键词:数字化;三维激光扫描;点云;模型;纹理映射;三维GIS平台

1 引 言

云冈石窟位于山西省大同市西郊武州山南麓,石窟依山开凿,东西绵延1 km。现存主要洞窟45个,大小造像51 000余尊,为我国规模最大的古代石窟群之一。据有关文献记载,云冈石窟18窟就是北魏和平年间(公元460年～公元471年)由著名和尚昙曜主持,在京城西郊武州塞开凿的“昙曜五窟”之一。1500年来,云冈石窟由于受到风化、水蚀和地震等自然灾害的影响,同时再加上人为的破坏,毁损较为严重,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。如图1所示:

图1　石窟现状照片

2 云冈石窟18窟概况

云冈石窟18窟是椭圆形平面,穹隆顶。洞窟东西最宽处约18．7 m,南北最长处约7．7 m,是一个非常高阔、宽敞的洞窟。主尊佛像是一大立像,高15．5 m,造型奇特而优美。东西两边的胁侍佛和本尊像左右的紧身胁侍菩萨与中央主佛相互映衬,既有主题和义理上的昭示,又有造像层次上的过渡,显得和谐、庄严和隆重。从整体看,这一窟是“昙耀五窟”中最豪华、最讲究的一窟。18窟最为奇特之处便是主尊身上的那件“干佛袈裟”。据调查,在国内外的泥塑、彩绘、木刻、玉雕、铜铸、石凿的各类佛像中,迄今尚未发现有如此规模的千佛装饰。日本学者关野贞、常盘大定在《山西云冈》中说:“此石窟,不仅规模宏壮,其内部的佛像也带着雄大刚健的气象,是全云冈石窟中的最雄伟者。”

3 对云冈石窟18窟的扫描技术应用

3．1采用的仪器设备

扫描仪:精度0．3 mm的Surphaser25HSX三维激光扫描仪,精度2 mm的FaroX330三维激光扫描仪,精度0．1 mm的Goscan手持式激光扫描仪

相机:EOS 5D MarkⅢ机身+EF红圈(24-105mm)镜头(大场景照片),EF50/1．2(采集窟内纹理,基本无变形),EF100/2．8(死角),EF100-400(采集外立面纹理),世光测温表(测量色温),爱色丽色卡以及校色软件(校准相片色彩,确保得到最准确的色彩)。

3．2测量基准

①平面基准:采用1980国家坐标系。②高程基准:采用1985国家高程基准。

③时间基准:采用公元纪年、北京时间。

3．3对数据的采集以及配准

(1)点云数据的采集

外业采用不同性能的三维激光扫描仪对石窟采用多角度交叉式高精度扫描,以精度为0．3 mm的Surphaser25HSX三维激光扫描仪对石窟内壁部特征进行采集;石窟外围整体立面和窟顶采用精度2 mm的FaroX330三维激光扫描仪做大场景控制;以0．1 mm 的Goscan手持式激光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。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。

②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

③测站间点云数据的重叠度不低于30%。

④扫描过程中如果仪器工作中出现异常,如断电、死机等原因、或者仪器位置出现变化,应重新开始扫描。

⑤首先进行三维扫描,先将标靶尽量按照不规律形式摆放,数量最好不少于4个,这样能够今后的数据配准过程中更加有保证,摆放好标靶后将扫描仪放置在第一站人员全部下架(如果在架子上会多少影响脚手架的晃动),利用扫描仪自身的无线控制功能进行远程控制设定好扫描模式和距离后,开始扫描,当结束扫描后,获取预先摆放好的标靶点坐标,这样就可以搬到下一站了,以此类推。如图2所示:

图2　厚图片与采集点云对比图

(2)影像数据采集

对原始的彩色纹理的采集采用全角度近景拍摄,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,在拍照之前,对相机和电脑进行校色,还原。然后采用佳能EOS 5D MarkⅢ机身+EF红圈(24 mm～105 mm)镜头,EF50/ 1．2,EF100/2．8,EF100-400,世光测温表,爱色丽色卡以及校色软件,在特定的环境下做石窟做纹理采集。同时划分区域,确保拍摄佛像纹理的完整性,细致,准确性。

①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。

②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。

③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。

④相邻照片之间应保证有不小于30%的重叠区域。

⑤为了保证照片的细腻程度,感光iso设置在100左右,纹理照片采集精度:色温根据测温表实际测得,分辨率≥75 dpi。

(3)控制测量

控制测量是工程建设中各项测量工作的基础。控制测量的目的是精确测定控制点的三维位置。与三维激光扫描控制点联测,保证三维激光扫描数据与控制测量坐标系保持一致。标靶与控制点坐标联测精度:平面≤5 mm,高程≤5 mm。如图3所示:

图3　云冈石窟三维激光扫描数据采集方案

(4)点云数据配准

地面三维激光扫描仪每次扫描只能得到局部的数据,为了得到洞窟完整的三维数据,往往需要从不同的位置进行多次扫描,每次扫描得到的数据都在以当前测站为原点定义的一个局部坐标系中。因此,需要在扫描区域中设置一些控制标靶,从而使得相邻的扫描点云图中有3个或3个以上的同名控制标靶。点云数据的配准就是通过同名控制标靶将扫描点云数据统一到同一个坐标系下的过程。

①点云数据的坐标系转换:当扫描完后首先要把点云数据转换为绝对坐标,全站仪与扫描仪控制点拼接精度不得高于5 mm。

②点云数据两站之间的误差:两站数据配准精度不得高于2 mm,在标靶配准完后需在软件里以多站点平差计算以得到更高精度。

(5)点云数据去噪与抽稀

当数据采集回来后点云数据会因多站点噪点的原因造成无用数据点过多,造成数据量成倍增长,这样就需要把一些重叠点在软件里进行去除工作,然后在经过曲率抽吸,抽吸完每个壁面的数据量在2千万点左右。

3．4三角网模型制作

如果直接通过点云模型进行数码影像的纹理映射,分辨率低,不能满足应用方面的要求,所以通常把点云拟合成三角网模型,然后通过数学模型,实现不规则三角网模型和数码影像的纹理映射,实现三角网模型与影像纹理的数据融合,形成真彩色模型。生成三角网模型后噪点突起处不得高于10处,整个壁面数据量控制在2千万左右。补洞时不能有明显突起数据,尽量以还原原始数据形态为准。如图4所示:

图4　原始照片与三角网模型对比图

3．5成果质量检查

(1)点云检查

外业采集的点云数据经过内业处理后,得到洞窟整体的点云模型,通过切割点云,查看点云各站之间是否存在分层,如若存在分层现象,可将该站再进行配准,直至满足精度需要。

(2)三角网模型检查

①三角网模型精度检查

根据制作正射影像图的需要,三角网模型的精细程度能够满足影像配准选点要求即可。

②三角网模型缺漏检查

由于洞窟点云数据构建三角网模型生成的数据量较大,三角网模型的构建采用分面单独建立的方法,存在模型是否有缺漏的问题。可将各壁面的高精度模型简化为低精度模型,导入至相关软件,查看洞窟整体模型情况。如若存在缺失,应补建该模型。

(3)正射影像图的检查

将彩色影像与模型影像在相关软件中对比。

4 建立云冈石窟超大三维GIS平台

4．1系统定义

超大三维模型浏览系统是集超大模型快速浏览与逼真三维交互展示为一体的三维虚拟浏览展示系统,它以现实存在的文物为基础,实现文物的信息化拓展和延伸,将现实中文物高保真度在三维虚拟浏览系统中展示,实现文物的高精度数字成果的高真实感展示和快速浏览功能。

4．2功能概述

(1)快速浏览

云冈石窟塑像结构极其结构,整个石窟的高精度高保真度三维模型由亿级三角面组成。对现有的计算机硬件而言,三维渲染及浏览软件带来巨大挑战,本系统将实现数千万甚至亿级三角面模型瞬间加载,达到快速浏览的功能。

(2)无极缩放

本系统利用了高速渲染技术,多线程调度技术、缓存管理、渲染队列、多细节层次和可视域剔除等动态调度技术,实现大规模数据的无极缩放功能。

(3)构建剖面线

剖面线是利用所选的剖面与文物的三角网模型的交点来反映剖面的轮廓线。本系统提供了基于文物的三角网模型构建剖面线功能。

(4)点属性标注

对于文物的属性数据,可通过以关键点位的方式标注在系统中。如:考古信息、类型信息,编码信息,命名信息等属性数据,可实现手动录入或链接绑定,并构建信息数据库来对属性数据进行查询、添加、删除、存储、更新。

(5)信息统计

大同石窟墙壁多为佛像浮雕镶嵌的墙面,通过点属性标注实现对佛像的标注。提供基于点标注的属性信息的查询功能和统计功能,如:统计某一种佛像的个数等。

(6)体积统计

本系统提供模型体积计算功能。勾取或指定佛像或者洞窟,本系统可快速获得兴趣文物的体积。

4．3关键技术

(1)自主底层研发

考虑到系统功能对时间效率要求高的特性,本团队将使用C/ C++自主研发浏览系统底层平台开发,从而做到系统的轻量化,不依赖第三方商业平台,从而降低推广和应用的成本。

(2)构建模型数据库

数据库是超大三维模型数据组织、管理、调度的基础,是浏览系统的重要组成部分。根据文物模型数据的组织结构特点,利用成熟的数据库系统进行存储,并根据LOD的数据结构建立空间索引。

(3)大规模数据动态调度技术

大规模数据动态调度技术是实现超大三维模型浏览的最关键技术。本系统利用多线程调度、缓存管理、渲染队列、多细节层次和可视域剔除等方法动态调度大规模数据,实现高真实渲染的实时性。

①多线程调度

当前个人计算机系统中,存储处理设备大多数为磁盘。磁盘相对于内存,呈现容量大、时间延迟长以及序列访问的特征,存储对象以文件为单位存储于磁盘设备中。磁盘处理设备任务可表达为磁盘I/ O操作,将存储于磁盘中的数据,加载到系统内存中去。由于磁盘处理设备的序列访问限制,使用多个线程时,线程的切换代价将在一定程度上影响加载的效率,因为不同的线程进行数据加载时,需要交换磁盘加载控制,需要一定的时间。因此,要建立多线程机制时,针对每一个磁盘建立一个I/ O线程,将每一种类型数据建立缓存列表以支持多处理磁盘环境多数据类型的加载I/ O操作。

CPU主要来管理用户I/ O交互获取当前视点的位置;管理内存缓存区,存储磁盘加载数据,并传输到显示缓存区;进行可见性计算,遍历场景,计算当前视点下可见的节点,判断节点所处数据文件,发送传输命令,将数据与指令传入GPU帧缓存中。通过对任务进行分析,设立三个类型的线程。分别为:绘制线程,加载线程以及预测线程。多个线程以并行的方式独立进行工作以实现对场景的实时绘制。

②缓存管理

缓存管理是采用基于数据内容的自适应多级缓存管理机制,根据空间数据的内容分别建立不同的数据缓存池,并在服务器/客户端、硬盘/内存等多个层次建立高效的数据缓存和应用缓存,对应用及其相关数据进行高速缓存,提高海量空间数据的调度能力以及并发访问能力。

③渲染队列

渲染队列主要有两个作用,一是确保正确的绘制顺序,比如先绘制背景再绘制一般物体,最后绘制界面;二是提高渲染效率,将具有相同材质的物体放在一起进行绘制,减少渲染状态的切换。

④多细节层次

多细节层次(Lever of Detail,简称LOD)即当渲染时,它采用较少细节表达那些体量小的、距离视点远的以及场景中不重要的对象。LOD的基本原则是采用较少的多边形来渲染那些在屏幕上占据像素较少的对象。LOD分为静态LOD及动态LOD,静态LOD用事先建好的模型来进行替换,而动态LOD则根据视点对模型细节层次的要求来进行实时构建。动态LOD技术运算量大,对系统的要求比较高,而静态LOD通常只需要建立多套不同分辨率的模型,实行简单的替换即可。本系统采用的是静态LOD技术,对石窟文物建立LOD模型,当视点与观察对象较远时,调用粗细节层次的模型,这样以较小的绘制效果的牺牲,可以大大提高绘制的效率。

⑤可视域剔除

可视域剔除包括两部分内容:一是在可视域外对象的剔除;二是对于可视域内过于微小的对象的绘制剔除。

可视域外对象剔除采用保守的剔除方法,即将对象的包围盒与视景体的6个面逐个求交,剔除相离的对象,保存在视景体内部以及与视景体相交的对象。采用这种方法,计算量小,且与空间索引结构相结合,可以很快地剔除大部分不需要绘制的对象,减轻绘制的负担。

过于微小的对象是指绘制时对屏幕像素贡献较小的对象,在绘制时反映到屏幕可能仅占一到两个像素,剔除这样的一些对象,对于绘制效果影响不大,而且还能提高绘制的效率。

5 结 语

从云冈石窟18窟的三维扫描制作过程,认识到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。

参考文献

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The Application of Digital Technology in Yungang Grottoes Eighteen Cave

Wu Yueqin
(Datong Institute of Surveying and Mapping,Datong 037006,China)

Abstract:Yungang grottoes is the largest ancient cave groups．Digital protection is difficult by normal measuring method in the Cave Temple with large part high relief．3D laser scanner can be used in classical architecture,Buddha, sculpture and frescoes．In Yungang Grottoes Eighteen cave,get high precision data by using 3D laser scanner,Using model optimization,texture matching,etc．,reappear the Cultural relic,and show details to the visitor in multi-perspective、high definition that they can’t appreciate across the showcase．

Key words:cave;digital technology;three-dimensional laser scanner;point cloud;model;texture mapping;3D GIS platform

文章编号:1672-8262(2015)06-89-05中图分类号:P237

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—11—10

作者简介:吴月琴(1967—),女,高级工程师,注册测绘师,主要从事测绘技术管理工作。