超大型石窟寺三维几何重建技术的研究

吴邵明，梁晓娜

(大同市勘察测绘院，山西 大同 037000)

超大型石窟寺三维几何重建技术的研究

吴邵明*，梁晓娜

(大同市勘察测绘院，山西 大同 037000)

石窟寺在历史变迁中遭受了风化、崩塌、溶蚀等，窟内壁画和高浮雕造像受到各种灾害的影响。为加强超大型石窟寺的保护和修复，需获取石窟寺完整、高精度的三维几何信息，为文物保护和修复提供真实、详尽的科学依据。本文以云冈石窟18窟为例，采用多种三维激光扫描仪对文物本体进行逐层交叉式扫描，以获取最全面、最完整、最准确的三维数据。该方法具有作业速度快，无须接触文物本体，数据成果可靠性高，数据信息完整等特点，是一种高效可行的文物三维几何数据采集方法。

三维激光扫描；数字化采集；点云配准；三维几何信息

1 引 言

文物是研究我国古代历史文化发展的珍贵实物资料，是不可再生的文化资源，具有重要的科学、艺术和历史价值。超大型石窟寺作为一种重要的历史文化遗产，窟内的绘画、高浮雕造像是先民们智慧的结晶，具有重要的历史研究价值。然而，随着历史的变迁，由于自然和人为的因素，大量的石窟寺遭到不同程度的破坏，亟须运用现代化技术手段对其原貌进行保护和三维几何信息留存，建立数字化档案，为文物保护和修复提供完整准确的数据依据。

在超大型石窟寺的保护和修复的过程中，三维几何重建方法主要包括传统的文物测绘方法和信息化测绘技术手段。传统的文物测绘方法是手工测绘和摄影结合的综合手段，但该方法不仅花费大量的人力物力，还极易受外界环境干扰，对文物保护和修复造成巨大困扰。鉴于传统文物测绘方法在文物信息获取方面的局限性，结合超大型石窟寺造像之间遮挡密集、空隙小等特点，本文提出了以地面三维激光扫描仪为主，结合手持扫描仪、全站仪等测绘仪器，利用三维激光扫描技术获取超大型石窟寺的高精度三维几何信息，通过对数据的处理，完成各种坐标系的统一，以最全面的点云数据覆盖率实现完整的文物原貌还原，实现整个超大型石窟寺的完美拼接，保证文物信息的高度完整性。

2 三维激光扫描技术

三维激光扫描(3D laser scanner)技术是一种快速直接获取实体三维几何数据的新技术，该技术能在计算机中快速准确的实现目标实体的三维建模。该技术应用在文物测绘中不仅能快速准确获取文物的三维数字化信息，而且在扫描过程中不需要接触文物本体，不会对文物造成二次伤害，可为文物保护提供必要的基础数据。使用该技术可获取文物的高精度点云数据，经后期数据处理可获得细节丰富的、带纹理的三维网格模型，为建立文物保护和修复系统的基础数据资源库提供全面、细致、准确的空间信息数据。

3 超大型石窟寺完整三维几何信息的采集方案与实施

3.1测区概况

本文以云冈石窟18窟为例，第18窟开凿于文成帝和平年间(公元460～470)，窟形是椭圆形平面，穹隆顶。石窟位于云冈石窟中部窟群，东与第17窟相毗邻，西侧与第19窟相邻。洞窟东西最宽处约 18.7 m，南北最长处约 7.7 m，主尊佛像是一大立像，高 15.5 m。佛像昂首挺立，身躯雄壮，气势宏伟。紧贴在本尊立佛两侧的胁侍是两尊菩萨。在菩萨立像的外侧，东西两壁各雕一个胁侍佛。胁侍立佛头顶上方均罩华盖，赤脚踩踏莲座。在本尊佛像的双肩两侧，胁传菩萨头顶上方，左右各雕有五身弟子像，合为释迦牟尼的十大弟子。从整体看，这一窟是昙耀五窟中最豪华、最讲究的一窟。

3.2技术路线

根据现场踏勘结果，考虑精度要求和各方面因素，认真、详细的进行仪器选择、观测计划、测站及标靶分布、点云拼接方案制定等，针对规模宏大的高浮雕石窟寺，需要在多层脚手架上面架设多站进行三维激光扫描，获得完整的360°无死角的石窟寺三维几何数据。石窟寺三维几何重建主要技术工作包括控制测量、点云配准、几何模型重建等，具体的技术路线图如图1所示：

图1 三维激光扫描技术路线图

3.3外业数据采集

(1)控制测量

通过对测区进行踏勘选点，本项目利用已有的控制成果资料，与高等级控制点联测，采用支导线方法对窟内三维激光扫描控制点进行坐标测量和高差测量，实现与国家坐标系统的统一。利用已有的新型全站仪索佳NET05X通过对导线边长和转角、坐标等数据进行观测，严格按照支导线要求控制数据精度。利用高精度电子水准仪徕卡DNA03布设支水准路线完成高程测量。标靶与控制点坐标联测精度：平面 ≤5 mm，高程 ≤5 mm。通过对云冈石窟18窟的周边地形地貌情况进行分析，各控制点具体平面布设图如图2所示：

图2 云冈石窟18窟各控制点平面布设图

(2)三维激光扫描外业

外业采用不同性能的三维激光扫描仪对石窟进行多角度交叉式高精度扫描，石窟外立面和窟顶采用点间距为 2 mm的Faro Focus3D X330地面三维激光扫描仪完成大场景控制；以点间距为 0.3 mm的Surphaser25HSX地面三维激光扫描仪对石窟内壁特征进行采集；以点间距为 0.1 mm的Go scan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，获取石窟内壁画和浮雕造像高精度、高覆盖率的点面数据。三种扫描仪具体参数表格如表1所示。同时在石窟外立面和窟内做控制点布设，得到模型坐标系与大地控制网中重合点的三维坐标，便于后期模型相对坐标系统与地方及国家坐标系统的统一。

3种扫描仪参数表 表1

针对规模宏大的云冈石窟18窟，根据现场踏勘结果、精度要求和各方面因素，需要搭设脚手架完成18窟的数据采集工作。为获取造像不可见区域的三维几何信息，要对佛龛以及塑像采用手持激光扫描仪进行细节补充，考虑到手持激光扫描仪的作业范围以及纹理影像的要求，每层脚手架高度 2 m左右时，可以采集最全面、最完整、最准确的三维数据。因此将云冈石窟18窟整体工作分为8层，获取三维数据。

在数据采集过程中，需注意以下事项：

①控制点均匀布设在被测区域的周围，相邻控制点间保持通视；

②标靶均匀布设，避免在一条直线上，数量不少于四个，以保证数据配准精度；

③扫描时测站间点云数据重叠度不低于30%；

④扫描仪置于脚手架上扫描过程中，避免脚手架晃动，降低后期数据处理的困难；

⑤在Go scan手持式激光扫描仪工作过程中，随时检查数据是否分层，剔除分层数据。

3.4内业数据处理

本文利用点云数据处理软件Cyclone、SCENE和Geomagic完成点云配准、点云优化和坐标系统的统一，实现点云的完美拼接和融合，以最全面的点云数据覆盖率实现完整的文物原貌还原，保证文物信息的高度完整性。

(1)点云数据配准

为得到超大型石窟寺真实的三维模型，需获得文物表面的真实三维点云数据重建原始曲面。但受超大型石窟寺造像之间遮挡密集、空隙小等方面的限制，本文利用多站测量及不同测量设备的多角度交叉使用获得文物表面完整点云数据。

由于每次测量获得的点云数据只覆盖文物部分表面，并可能出现平移错位和旋转错位，为得到文物表面完整的点云数据，需对多次测量得到的局部点云数据进行整合和配准，即将不同位置得到的大容量三维空间数据转换到统一的坐标系中，该技术称为三维点云数据的配准。点云配准作为内业数据处理的第一步，是后续数据处理的基础，其精度直接影响后期建模精度。

(2)点云优化和坐标统一

本文中主要利用点云数据处理软件Cyclone和Geomagic完成点云优化。点云数据因大量噪点造成点云数据分层、无用点过多、数据量成倍增长等情况，需将噪点、重叠点在软件里去除，进行点云降噪，再经过曲率抽稀简化点云数据。利用点云数据处理软件Cyclone实现点云数据与控制测量数据的坐标系统的统一，便于日常测量和成果的相互应用。

3.5技术成果分析

云冈石窟18窟东西最宽处约 18.7 m，南北最长处约 7.7 m，主尊佛像是一大立像，高 15.5 m。针对如此规模的超大型石窟，技术重难点在于以下几个方面：

(1)获取高覆盖率、完整的点云数据

通过远中近三种不同性能的三维激光扫描仪对文物本体进行逐层交叉式扫描，以获取最全面、最完整、最准确的三维数据，如图3所示。

图3 云冈石窟18窟北壁完整点云数据图

(2)实现高精度的点云数据配准。利用Cyclone点云数据处理软件实现Surphaser和Faro数据的多站数据拼接，其误差均不超过 3 mm，满足石窟寺数字化精度要求。比重图如图4所示。

图4 云冈石窟18窟Surphaser和Faro数据拼接误差比重图

(3)利用点云数据处理软件Cyclone完成石窟寺大数据量的点云数据处理，实现点云数据与控制测量数据的坐标系统统一(以云冈石窟18窟一层数据配准为例)，如图5所示。

图5 云冈石窟18窟统一坐标系统精度图

由图5得出，点云数据与控制测量数据拼接误差在 3 mm以内，满足工程精度要求。

(4)以云冈石窟18窟东壁胁侍佛点云数据优化结果为例，利用数据处理软件Geomagic实际完成的云冈石窟18窟点云优化，点云优化误差均控制在 0.001 mm左右，远远满足项目技术要求，具体点云偏差如图6所示：

图6 云冈石窟18窟东壁胁侍佛点云数据优化偏差图

(5)以18窟东壁胁侍佛佛头为例，如图7所示，利用数据处理软件Geomagic对统一坐标后的模型数据与Go scan数据进行全局注册，全局注册结果如下：经过10次迭代计算，形成的三角面片最大偏差为 1.7 mm，满足项目精度要求，同时实现了地面三维激光扫描仪模型数据与手持式激光扫描仪模型数据的坐标系统的统一。

图7 云冈石窟18窟东壁胁侍佛佛头全局注册示意图

(6)利用Geomagic对多种数据相融合后的点云数据进行封装，完成云冈石窟18窟东壁胁侍佛佛头高精度三维几何模型重建，如图8所示。

图8 冈石窟18窟东壁胁侍佛佛头三维模型

4 结 论

本文以云冈石窟18窟数字化项目为例，采用不同性能的三维激光扫描仪对石窟进行多角度交叉式高精度扫描，将三维激光扫描方法应用于超大型石窟寺三维几何信息的获取和模型重建，该方法具有快速准确、无须接触文物本体等优点，同时突破石窟寺造像之间遮挡密集、空隙小等方面的限制，解决大数据量进行数据处理的技术难题，获取最全面的超大型石窟寺的三维几何信息，所采用的技术和获得的成果远远满足相关文物保护和修复部门对超大型石窟寺三维信息数据的要求，应用前景广泛。

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VeryLargeCaveTemplesThree-dimensionalGeometryReconstructionTechnologyResearch

Wu Shaoming，Liang Xiaona

(Datong Institute of Survey and Investigation，Datong 037000，China)

Cave temples suffered weathering，collapse in the historical vicissitude，corrosion，etc.，grottoes murals and high relief sculpture is affected by the various disasters. To strengthen the protection and repair of large cave temples，shall obtain grottoes and full，high precision of 3d geometry information，for the protection of cultural relics and fix true，detailed scientific basis. In this paper，18 holes of Yungang Grottoes as an example，using a variety of three-dimensional laser scanner on the cultural relics on-line cross-scan，in order to obtain the most comprehensive，most complete and accurate three-dimensional data. This method has a operation speed，no need contact ontology of cultural relics，high reliability data results，the characteristics of data integrity，is a kind of efficient and feasible method of three-dimensional geometry data collection of cultural relics.

3d laser scanning；digital collection；point cloud registration；3d geometry information

1672-8262(2017)05-164-04

P234

A

2016—10—29

吴邵明(1987—)，男，工程师，主要从事文化遗产三维数字化和无人机测绘工作。