3D扫描技术在古代壁画病害变化监测方面的应用初探＊

王顺仁，王小伟，巩一璞

（1.国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心，甘肃 敦煌 736200；2.敦煌研究院，甘肃 敦煌 736200；3.甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司，甘肃 敦煌 736200）

1 背景介绍

我国现有大量的壁画赋存于古建筑、石窟寺、墓葬[1]。受自然和社会因素的长期影响，古代壁画出现了如起甲、空鼓、酥碱、疱疹等多种病害，古代壁画的保护修复就是稳定壁画的现存状态，减缓和制止壁画褪变过程，消除安全隐患，保存其完整性[2]。如壁画病害处于活动性状态，就需要及时对壁画进行修复。判断是否属于活动性病害，目前现有的方法如观察，文字记录和平面拍摄都不能够真实全面地反映病害变化，急需一种有效的监测保护措施来实现。

随着计算机信息技术、机械制造技术的迅速发展、3D 扫描技术广泛应用于不同行业领域，其能在短时间内快速获取大量待测目标空间点位信息，建立目标的3D 模型并提取线、面、体等数据，以光反射的原理获取静态物体表面的海量3D 点云数据，采用高精度逆向3D 建模及重构技术，以同步获取目标范围的3D 坐标数据和数码照片的方式快速获取实体或实景等目标的3D 立体信息，通过计算机重构其3D 数据模型，再现客观事物的实时的、变化的、真实的形态特性,可实现非接触式的测量为物体快速建模和空间变化分析提供了一种新的工具。

2 在文物保护中的应用现状

3D 扫描技术源于国外，国内很多相关院校和科研院所开展了对3D 扫描技术的理论和应用研究，实现了通过多传感器对目标断面的数据匹配来获取被测物表面特征[3-4]。目前3D 扫描设备种类较多，根据扫描仪使用方式和应用领域又分为手持式、台式、地面以及机载扫描仪等，被广泛的应用各个行业中，例如农业、林业、工业、国土测绘、水利水电、设计制造、桥隧交通、医学、文物保护、建筑、地下空间等。在文物保护领域的应用很广泛，主要是对文物表面纹理信息进行数字采集，建立数字档案，文物修复建模[5],建筑测绘、3D 打印等。近年来国内许多文物保护单位利用3D 扫描技术进行数字化项目，文物数字化项目主要有：故宫博物院与日本凸版印刷株式会社合作的数字故宫项目[7]；浙江大学开发的敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原系统[8]；秦兵马俑博物馆与西安四维航测遥感中心合作的“秦俑博物馆二号坑遗址三维数字建模”项目[9]等。

3 3D 扫描仪技术原理和使用方法分类

3.1 3D 扫描技术原理

3D 扫描技术是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，利用不同的测距原理，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，创建密集“点云”数据，记录现实世界中物体的几何形状、颜色、纹理信息，搜集到的数据被用来进行3D 模型构建，越密集的“点云”创建的模型精度越高。同时3D 扫描系统可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，直接将各种大型、复杂实体的3D 数据完整的采集到计算机中，进而快速重构出被扫描物体的点、线、面、体等各种几何数据并输出3D 模型，而且它所采集到的“点云”数据还可以直接导入到多个后期制作软件进行多种处理工作。

3.2 3D 扫描仪使用方法分类

3D 扫描就是对被测物进行全方位扫描，确定被测物的3D 坐标测量数据，其测量原理分为测距、角位移、扫描、定向四个方面。根据3D 扫描技术原理研发的仪器包括三坐标测量机、激光3D 扫描仪和拍照式（结构光）3D 扫描仪三种测量仪器等。3D扫描仪使用方法分类为接触式与非接触式两种，后者又可分为主动扫描与被动扫描这些分类下又细分出众多不同的技术方法 现在市面上用的最多的扫描仪是激光扫描仪和结构光扫描仪，都能实现非接触扫描，利用的测距原理有时差法测距、相位法测距、三角测量法三种。

手持激光扫描仪通过三角形测距法建构出3D图形，透过手持式设备对待测物发射出激光光点或线性激光，以两个或两个以上的侦测器（电偶组件或位置感测组件）测量待测物的表面到手持激光产品的距离，通常还需要借助特定标记点，可反射的贴片用于扫描仪在空间中定位及校准使用。

手持结构光扫描仪由发光原件向被测表面投射光栅条纹图像，从与投影方向成一定角度，光栅条纹受到被测物表面深度不同的调制，相位发生变化，变形的光栅携带了物体的3D 形状信息，利用三角函数原理，根据相位与物体空间坐标的转化关系求出物体的3D 坐标，还可以获取到待测物的色彩信息，利用其色彩特征点定位。

3.3 适用于壁画的3D 扫描仪

从三种测距方法优缺点来看，时差测量的距离最长，但精度随着距离的增加而降低。相位法它是通过对两个间接测量才得到距离值，但是精度最高，适合近距离、室内的测量。三角测量法结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高，但是会受到光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响，为了提高扫描速度和精度，多数扫描仪需要在被测物体上贴参照标记点，如果有些扫描物体表面有吸光性质颜色、反光、透明都是无法直接扫描的，需要涂抹显影剂，显影剂不容易去除，壁画是很珍贵的文物，在对壁画扫描时，贴标记点和涂抹显影剂都是不容许的。此次试验采用了型号为Go!SCAN 50 手持式拍照结构光扫描仪，如图1 所示。

图1 手持式结构光扫描仪

GO！SCAN 50 手持结构光拍照扫描仪，扫描仪通过向物体表面投射白光形成光栅图案，结合上下两个视觉摄像头和一个彩色摄像头，来记录物体表面信息，采集在整个光图案中完成。光栅图案随着扫描对象的曲面变形，该扫描仪最特别之处在于在扫描定位节点的时候可以选择使用自然特征，通过颜色的自然信息创建虚拟目标点，它可以提升几何跟踪能力（与那种贴的目标点类似），这样就避免了在壁画表面贴标记点。还能智能混合定位，保证了数据的准确性，内置智能还会阻止采集定位不准确框架。扫描仪还可以通过数码彩色摄像头采集和检测对象纹理定位。同时采集过程中，采集图像会随着操作者的移动实时变化，获得完整的3D 数据模型，数据包含纹理和网格。

4 3D 扫描数据采集实验与结果分析

实验通过3D 扫描仪对室内壁画病害起甲、酥碱，室外壁画墙、莫高窟窟内壁画病害起甲、疱疹、空鼓，三处的实验操作和数据分析结果，对扫描仪的精度和可行性进行了证实。

4.1 室内壁画病害模拟实验

将模拟试块放入恒温箱，温度控制恒定在58℃，每天对试块进行三次加湿，通过加湿烘干的方法，加快颜料层表面物理变化速度，在颜料层发生轻微变化时，用3D 扫描仪进行数据采集，对数据进行分析。

壁画病害发生形变判断依据是把扫描获取的3D 网格数据运用Geomagic Control 或是Geomagic Warp 这类具有3D 数据分析功能的软件，对不同时间扫描采集到的壁画面网格数据进行拟合对比，形变部位会在3D 模型上以不同的色谱表示。数据模型可由软件提供的N 点对齐，最佳拟合对齐，坐标转换等功能对齐，实验中为了确保数据分析结果的准确性，拟合时将参数设置为公差0.0mm,采样大小100000，检查对称性、高精度拟合、将测试对象的坐标系转化为参考对象的坐标系，统一坐标。壁画的线条和颜色信息比较丰富，在统一坐标后，也可使用N 点对齐功能，手动进行数据对齐。

分析结果，根据设定好的形变阈值±1mm 最小值±0.1m，软件会在3D 模型上面以不同颜色显现出来，绿色表示前后壁画面形体没有发生变化，黄色和红色表示凸起，蓝色或是浅蓝色表示凹陷，灰色表明形变超过阈值，见表1，表2。

表1 起甲病害变化3D 网格数据表

表2 酥碱病害变化3D 网格数据表

图2 起甲病害试块3D 对比

图3 酥碱病害试块3D 对比

从图2、图3 起甲和酥碱病害模拟试块第一次和最后一次3D 数据对比结果看出，两试块都发生了较为明显的形变，起甲病害试块下部黄色区域凸起，变化值在0.2～0.8mm 之间，上部蓝色区域凹陷，变化值在0.1～0.8mm 之间，酥碱病害试块黄-红色中间部位凸起，变化值在0.2～1mm 之间，周边蓝色部位凹陷，变化值在0.2～1mm 之间。选用KEYENCE VHX-1000 型便携式数码显微镜对起甲病害表面微观形貌观察，利用其自带的高画质深度合成功能进行3D 合成，测的起翘高度约为1mm,与扫描获取的3D 形变数据值相近。

4.2 壁画模拟墙实验

试块实验在室内完成相较于真实的壁画来说，它的面积小，拟合精度高，为了进一步验证选用室外壁画模拟墙对扫描仪进行了测试，如图4所示。

图4 壁画模拟墙

利用壁画起甲的原理，在颜料中加入浓度较高的胶，可人为制造壁画起甲。对墙面进行扫描时，墙面白色颜料较多，且3D 结构光扫描仪投射出的也是白光，因光反射的原因，不能很好地测得墙面空间点云数据。晴天，太阳光会对仪器光感应传感器和摄像头产生干扰，识别效果差。另外壁画色彩信息单一，使得扫描仪无法精准定位，会出现扫描数据拼接错乱。为了提高仪器扫描数据的准确性和精度，选择阴天，减弱外界光的干扰，对壁画进行数据采集，如图5 所示。

图5 壁画模拟墙起甲病害3D 色彩数据

从实际获取的3D 模型数据纹理信息图上发现，两次扫描采集的壁画面分辨率大小是不同的，在拟合对比时出现了图6 所示的情况，发生形变的部位较多，两次数据都是同一天内采集完成，从分析结果来看形变过大，数据不准确。

图6 两次壁画模拟墙扫描3D 数据1mm 偏差值对比

为了验证其问题，在模拟墙面上粘贴了多个参照标记点，通过导出两次标记点坐标值，发现3D 扫描仪在采集数据的过程中是移动的，扫描的起始位置和机器的视角不同。计算控制器通过参考点坐标值和颜色信息的坐标值进行计算识别拼接，每次光栅图案返回的距离值因仪器角度的不同，得到的壁画面3D空间坐标数据也会因为仪器角度的影响而不同[16]，同时扫描仪获取的世界坐标点，在到数据处理软件中，会将世界坐标点转化为全局坐标，从数据分析结果得出，移动状态下采集到的3D 数据拟合偏差较大。

把贴标记点获取的3D 数据利用N 点对齐和最佳拟合对齐功能多次对齐后，将偏差临界值设置为±1mm,最小值设置为±0.1mm，分析结果如图7 所示，两次3D 模型数据拟合较好大小相同，没有明显的形变，如图7 所示。

图7 墙面贴标记点后3D 数据对比

在壁画表面贴标记点能提高扫描精度，但在实际壁画数据扫描采集时，参考标记点是不能在壁画面粘贴的，因该点具有粘性，取下时会对壁画造成人为破坏。为减小仪器扫描角度所产生的误差因素，考虑将仪器固定在三脚架上面，利用激光测距仪测得支架的高度，离墙距离、旋转度然后进行数据采集。固定之后只能扫描仪器视角范围内的壁画，大范围的壁画需要移动位置来完成采集，这样可能会增大误差，如图8 所示，固定采集的3D 数据拟合度要高于移动状况下。

图8 固定状态下3D 扫描数据对比

4.3 洞窟壁画扫描实验

完成室内、室外测试实验后，对设备的性能以及软件操作都有了清楚的认识。在实际应用中选取了莫高窟第12 窟壁画起甲、疱疹和第354 窟空鼓病害进行了实质性的探索研究。洞窟内的环境光线暗，扫描时避免了外界的光源对扫描仪镜头的干扰，扫描发出的是白光，能清晰的照亮壁画表面，仪器可以根据壁画表面视觉信息反馈，自动快门调节，对壁画色彩和纹理信息数据进行采集，如图9所示。

图9 莫高窟第12 窟南壁起甲病害局部

将3D 偏差阈值设置为±1mm,将两种操作方式下扫描到的洞窟壁画病害3D 数据进行了分析。移动扫描时，扫描的范围较大，其数据受仪器视角的影响，不能完美的拟合，两次数据拟合形成了夹角。三角架固定扫描仪时，因采集的位置固定，仪器视野下的扫描画面大小相对固定，仪器视角影响减小，数据拟合分析速度快，准确度高，如图10 所示。

图10 莫高窟第12 窟南壁起甲固定状态下3D 扫描数据分析

图11 莫高窟第12 窟南壁起甲固定状态下相隔半年采集的3D 扫描数据对比

对比莫高窟第12 窟南壁起甲间隔半年数据，从图11 中可看到，下部浅蓝色部位的壁画面要低于原始画面，有轻微的形变，形变值在0.1mm 范围内，如图12 所示。

图12 莫高窟第12 窟前室西壁北侧疱疹病害

在对疱疹病害进行扫描时，由于壁画面凹凸不平，每个凸起的疱疹点都会形成零散的面，移动状态扫描时，因仪器角度的不同，疱疹点的遮挡，对数据采集造成较大干扰。固定状态下，数据拟合也出现了错误，最终的数据结果如图13、图14所示，变化的点太多，该扫描仪不适用于这类面变化多的病害。

图13 莫高窟第12 窟前室西壁北侧疱疹病害移动状态下3D 扫描数据分析

图14 莫高窟第12 窟前室西壁北侧疱疹病害固定状态下3D 扫描数据分析

莫高窟第354 窟空鼓壁画病害3D 数据分析结果和莫高窟第12 窟一样。移动状态下，前后两次数据拟合度较低，固定状态下拟合度较高。如图15，图16 所示。

图15 莫高窟第354 窟东壁北侧壁画空鼓

图16 莫高窟第354 窟东壁北侧壁画空鼓病害固定状态下3D 扫描数据分析

图17 莫高窟354 窟东壁北侧空鼓壁画病害固定状态下相隔半年采集的3D 扫描

对比间隔半年采集到的3D 数据，从图17 中可以看到，壁画面中间位置黄色部位有凸起，左侧蓝色位置向内凹陷，右侧靠近甬道门部位凸起，变化值在0.1mm,说明该壁画墙面有轻微的形变。

5 结论

通过模拟实验及洞窟内实际应用的效果来看，使用3D 扫描设备可以初步实现部分病害监测的要求，设计思路是正确的，但是由于受设备精度等影响，没有完全达到理想的效果，主要表现在以下几个方面：

1）结构光扫描仪采用数码相机对光栅进行跟踪，壁画表面粗糙程度对仪器视觉的干扰较大，使得光信号反射回仪器的时间出现一定差异，扫描距离产生一定的误差，目前精度的仪器不适合用于酥碱（疱疹）壁画病害监测。

2）便捷手持式扫描仪虽然使用方便，但在移动的过程中，由于壁画表面不能贴标记点，仪器视角只能通过壁画色彩以及自然特征作为参考获取密集“点云”数据形成3D 网格模型，当色彩信息类似的情况下，扫描的准确性会下降。数据记录主要是由摄像头来感知，摄像头的精度问题也会对数据产生误差。扫描仪的角度是实时变化的，得到的3D 数据模型在后期分析时，由于空点坐标的不一致，数据拟合分析有一定的难度，影响数据准确性。

此次3D 扫描技术的精度理论可以精确到0.1mm，随着3D 扫描设备的精度不断提高、价格逐步下降，处理速度的加快，如果使用专门定制的扫描设备并结合其他方式的监测方法，将会将壁画病害发展监测引到一个新的方向，壁画监测的水平能够提升到一个新的高度。