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数字化技术让云岩寺塔青春定格

数字化保护背景

        建筑集结构、造型、彩绘、壁画、雕塑等于一体,在静默中展示着千年文化的传承与流变。如何利用当代科学技术,保存古建筑原始信息,让历史遗产“青春”定格,并在现代数字空间“活”起来,是摆在文保工作者面前的重要课题。

        云岩寺塔(俗称虎丘塔)——苏州古城的地标。近年来,由于暴露在外的塔体长期受风雨雷电的侵蚀,局部出现裂缝、渗水、塔砖风化严重等病害,塔身的安全受到严重的威胁。为此,苏州市文物保护管理所于2008 年12 月10 日向市文广新局提交了《关于苏州云岩寺塔出现裂缝等险情的紧急报告》。2009年1 月19 日由国家文物局组织专家对云岩寺塔进行现场踏勘,并编制了《苏州云岩寺塔险情初步勘察报告》。该报告中重点提出了:“应专门设立研究课题,加强对塔体的观测,采用一些先进的方式、方法、技术对塔体进行保护”,报告也体现了这项文物保护工程亟须高新科学技术手段参与的紧迫性。

        随着近景摄影测量、三维激光扫描、虚拟现实(VR)等数字化技术的出现和发展,我国的文物保护工作已在逐渐进入数字化、网络化阶段,文化遗产三维重建和虚拟展示技术的研究及应用也取得了长足进展。

        在数年充分的准备工作的基础上,2014 年12 月23 日,云岩寺塔28 年来首次全面性保养维修工程正式启动。此次工程是新中国成立以来云岩寺塔的第三次大规模维修,不同于前两次的抢救性大修,此次工程以保养维修为主,且首次引入了三维数字化建设工作。云岩寺塔的三维数字化工作,不仅要完整记录古塔维修前后的真实面貌,建立永久性、高精度数字化档案,还要为本次工程的维修方案优化、修复效果评估等提供准确的数据支撑。

        云岩寺塔高达47.7 米,体量硕大,且内部结构复杂。国内外像它这般大型古塔类建筑的三维精密数字化工作开展非常少,还没有完整的经验与技术可供参考。在此次维修工程中,苏州市文物保护管理所联合苏州市测绘院,积极探索,制定了较为科学的数据采集方案,攻坚克难,解决了数据处理中多项技术难题,成功用43 亿个点云“锁定”了塔身。

数字化建设实施

        云岩寺塔的数字化建设工作分为数据采集、数据处理、成果数据制作三个阶段。每个阶段的工作重难点、关键技术应用、以及质量控制都有着不同要求。

        1.数据采集

        数据采集主要包括了塔身内外激光点云数据采集与纹理数据采集。由于塔身结构复杂,且不能粘贴标靶,数据采集面临外部脚手架搭建方式、外部风速影响、塔身结构互相遮挡、内部空间狭窄、光线不均匀等客观难题。因此,制定科学合理的采集方案是项目成功的关键。

        数据采集重难点一:外部脚手架搭建方式。由于塔基存在不均匀沉降的现象,且脚手架的搭建需同时满足保养性维修与三维数字化工程的开展,因此需解决脚手架搭建超高、无法设置连墙件、风载荷、长周期等问题。通过多次专家论证,最终确定的搭建方式为:脚手架横向共设5 排,内圈满足维修工程的开展,外圈用于三维数字化扫描,且脚手架需与斜塔的倾斜形态保持一致,不接触塔身。为了减少遮挡,内外部的脚手架分期施工,通过保持一定的高度差来满足三维扫描的需求。最终搭建的脚手架架体总高48 米,共设23 层平台。由于风速原因,脚手架会不同程度地晃动,项目组通过应用风速测量系统实时检核数据质量,有效地保证了最终的数据精度。

        数据采集重难点二:大型复杂国保建筑点云采集方式。云岩寺塔是全国重点文物保护单位,采集工作不允许有任何损伤塔身的可能,且塔内空间狭小不适宜布设足够标靶,为此决定采用无标靶法扫描方式。根据塔身复杂结构,于塔心室、走道、回廊、壸门处依次设站,每层设29 站,外部于每层塔角处设站,每层设8 站,这种设站方式有效解决塔身结构互相遮挡的问题,但在点云无标靶数据配准方面也提出了更高要求。

        同时为了解决塔内光线不均匀问题,项目组通过布设遮光布和匀光设备来减少外界光源对点云色彩质量影响。异站点云仍会存在颜色差异,为达到生成纹理更加一致,在数据处理还需要进行多时相点云影像匀光匀色。

        云岩寺塔精密三维数字化项目共采集有效数据288 站,点云数量达到43 亿个,对塔体内外作了全方面、精准的空间定位。

        2.数据处理

        数据处理包括点云数据配准、点云数据去噪、点云照片数据处理及赋色。每一站扫描到的点云数据需要经过去噪、匀光匀色、配准拼接后,才能得到塔身的整体模型。每一站采集的点云数据就达约2000 多万个,数据处理中需攻克“亿级”点云无标靶配准、点云数据去噪等难题,并实现厘米级整体精度。

        数据处理重难点一:“亿级”点云无标靶配准方式。由于前期采用无标靶扫描,传统配准方式无法满足项目效率与精度指标。项目组通过技术研究,对传统ICP 算法进行优化,实现了整塔海量点云的配准,测站间点云配准精度达到±1mm。

        数据处理重难点二:点云数据去噪。每一测站的点云数据中存在许多冗余噪声点,直接影响后期成果精度,因此需要对原始点云数据进行去噪。项目采用弦高差法来进行噪声点的剔除,通过计算点到其相邻两点连线的垂直距离,并与给定的阈值比较大小来决定点是被删除或保留。这种去噪技术在古建筑点云优化领域具有很好的适用性,有效地提高了点云质量。

        处理后的点云作为原始数据,很好地保存了云岩寺塔的几何结构信息和纹理信息,为后期数据的深加工提供了保障。

        3.成果数据制作

        点云是三维空间坐标及色彩RGB 信息存在的点状成果,实际利用时会有不直观、不便利、数据量庞大等缺陷,只有对其进行进一步处理,才能更好满足需求。项目组利用点云数据完成了真三维建模、平立剖面图绘制、漫游系统开发等工作。

        为克服模型数据量大,普通计算机无法浏览的问题,项目组提出了全局控制下的多尺度三维重建方法,做到了以最少的数据,实现最优化模型细节的表达,将庞大的点云数据变成逼真的三维模型;云岩寺塔内保存有芍药、令钱、如意等500 余幅精美的浮雕,为对其实现更好的管理,项目组单独建立了浮雕模型数据库。

        为填补云岩寺塔高精度矢量二维图件缺失的空白,项目组提出应用点云数据来绘制塔身平立剖面图。为提高工作效率与成果精度,研究了一种基于形态学的散乱点云轮廓线提取技术,该技术具有轮廓线提取精度高,能克服多环切片问题等优点。最终制作的平立剖面图精度达到了毫米级。

        为更好地将文保成果惠及大众,项目组利用虚拟三维技术并融合多源数据,制作了数字登塔系统。该系统通过集成多种仿真建模成果,实现了第一人称漫游的功能,同时集成了介绍、技术、浏览、拼装、监测等多个模块,并支持手机端及WEB端的发布,让古塔在互联网空间再现青春,实现了文物的数字化传播。

        2015 年12 月25 日,苏州市文物保护管理所主持召开了“云岩寺塔(虎丘塔)精密三维数字化建设”项目验收会,专家高度评价了项目组在文物数字化建设方面所做的创新工作。

数字化技术创新

        在项目开展过程中,苏州市测绘院通过技术创新,攻克了大型复杂古建筑数字化保护中遇到的各种技术难题,不仅顺利完成了云岩寺塔的三维数字化建设,同时还探索出了一系列可供推广应用的精密三维数字化建设作业流程与方法,拓展了不可移动文物数字化保护的技术手段。项目组研发的《三维激光点云数据处理系统》可广泛推广应用,能为我国众多宝贵文物资源实现良好的系统性保护提供技术保障,产生良好的社会效益。项目研究主要技术创新点归纳如下:

        1.    研究并优化了传统ICP 点云数据配准算法

        传统三维激光扫描作业现场需粘贴同名标靶,这不能满足无接触式文物保护工程的需要。而常规的无标靶ICP 配准方法效率低,且精度无法满足项目需求,因此本项目针对传统ICP 算法存在的缺点进行了优化和改进。优化后的ICP 点云配准算法,具有海量数据运算效率高,匹配精度高等优点。本项目采用该技术进行了整塔288 站扫描数据的配准,经江苏省测绘产品质量监督检验站检测报告显示,项目成果整体精度达到了±11.6mm。

        2.    提出了全局控制下的古建筑多尺度三维精细化重建技术

        传统的古建筑精密三维建模一般采用点云直接建模法。应用该方法,虽然成果模型细节表达能力强,模型精度较高,但是存在模型数据量庞大(云岩寺塔按此法建模,三角面片数将达110 亿)、极不易常规应用等问题。根据塔身结构特点以及专家建议,在项目建设中,提出了全局控制下的多尺度三维重建方法。根据点云的几何特征,实现数据分割。通过定义尺度压缩因子,实现不同密度区域的自适应简化。采用该算法能在保证数学精度前提下,解决三维模型数据量庞大、不易应用的问题。

        3.    研究了多时相点云影像匀光匀色方法

        文物色彩信息是古代审美文化的一种重要表现形态,是最具视觉冲击力、最具表现力、最具造型活力的文物属性之一。

        地面三维激光扫描仪采集的异站点云数据存在颜色差异,生成的纹理可视化效果不够理想,一直以来,文物色彩的真实还原是其数字化的难题。受色彩分量RGB 与空间坐标XYZ 具有相似性的启示,项目组提出了一种基于色彩坐标转换的点云匀光匀色技术。匀光匀色技术可实现点云色彩信息直接纠偏,避免了从点云到影像再到点云的过程,加快了运算效率,且匀光匀色只专注于目标物体本身,可大幅减小其他背景颜色、强度等对纠偏效果的影响。通过应用该技术,生成附有精细纹理的模型,省去了传统建模中纹理匹配环节,大大提高了建模效率与模型成果的逼真度。

        4.    建立了完整的数据质量检核体系

        古建筑数字化保护对数据成果精度要求高。数据质量控制严密,亦是测绘领域的特色。通过建立完整的数据质量检核体系是云岩寺塔精密三维数字化建设的有力保障,用“程序”和“技术”来保障本项目的“控制”和“精密”两个方面。不同于传统的三维建模工程,本项目的数据质量检核贯穿数据采集、数据处理和成果制作的全部过程。数据质量检核体系主要包括对数据采集设备、点云质量、配准精度、模型精度的检核。通过建立完整的数据质量检核体系,有效保证了成果的整体质量,实现了交叉学科的优势互补。

        2016 年5 月17 日,中国测绘地理信息学会在北京主持召开了“云岩寺塔(虎丘塔)精密三维数字化关键技术研究与应用”项目科技成果鉴定会。由两院院士李德仁,国家测绘地理信息局副局长李维森等权威专家组成的鉴定委员会对项目成果进行了科技鉴定。鉴定委员会专家一致认为:该项目突破了古建筑精密三维数字化建设领域的多项技术难点,创新性强,达到了国际先进水平。

数字化成果应用

        三维数字化建设成果丰富,实现了文物本体与信息的分离,项目组基于获取的精密点云数据,通过开展数字化成果创新性应用的研究,实现了云岩寺塔数字化“活”态保护。

        1.    存档数字遗产、定格文物“青春”

        存档遗产信息是《中国文物古迹保护准则》阐明的保护要求之一,遗产信息的记录应贯穿于保护全过程,是一切保护工作赖以开展的基础和“灵魂”。在云岩寺塔维修前后分别实施三维激光扫描,高容量、高精度地采集了塔体的三维立体信息和纹理信息,将云岩寺塔通过数字化技术“搬”进了电脑里,真实地留存了文物现状信息,实现了数字化永久存档。同时存档的时空数据本身也会成为遗产的一部分,成为不会被岁月磨砺的遗产。

        2.    助力病害调查、完善修复方案

        病害情况调查是文物修复必不可少的环节,传统是采用人工调查的方式,主要对病害类型、分布特征、严重程度等方面进行记录。但这种调查方式缺乏精确数据支撑,可能难以发现一些细节,不能制定全面的修复方案。在未制定方案之处,技术人员就可能依赖个人的主观判断去实施修复工作,带来修复工作不严密性。高精度的数字化成果,完整地记录了文物的全部细节,可量测、可进行大数据分析,弥补了人工病害调查的不足,可为制定完善的修复方案提供数据支撑。

        3.    提升监测水平、预警文物病害

       基于维修前后扫描的两期点云成果数据,实施毫米级偏差分析,能客观反映文物维修前后的几何结构变化情况,为文保部门评价修复效果、监测塔身形变提供精确数据。以云岩寺塔一层为例,由偏差分析成果得出:维修前后塔身99.55453%的区域变化小于1cm、塔身增补区域平均增补量为+7mm,剔除区域平均剔除量为-8mm。一层共维修54 处,主要维修原因为砖砌体风化(39 处)及局部杂树清除(11 处)。此次维修重点——倚柱修复共计8 根,其中维修后相对维修前外凸的有7处,内缩的有1 处,最大外凸量为5.7cm(南面左侧倚柱),最大内缩量为-4.0cm(西面左侧倚柱)。

        此次针对云岩寺塔采用的偏差分析技术,改变了传统的古建筑修复评价手段,精确地反映出了塔身复杂的维修情况。同时偏差分析技术亦可应用在云岩寺塔的形变监测、病害分析等方面。

        4.    辅助文物修复、传承原汁原味

        传统工艺多有着长远的历史,靠着师徒间的心口相传得以传承,这也导致了传统工艺的垄断与封闭一度广泛存在,随着工业化与信息化的飞速崛起,对相对脆弱的传统工艺形成了巨大冲击,一些拥有上百年历史的工艺开始走向没落甚至消亡。所以在保护传统工艺的同时,新的应对方案的研究已迫在眉睫。

        数字化技术具备表现形式丰富、数据精度高等优势,可为文物修复提供全新的思路。利用数字化技术保存文物的原始风貌,并进行有效的修复成为未来文物保护的重要手段。通过建立三维点云模型,实现了云岩寺塔的整体3D 打印。使用3D打印技术可以对无法翻模或不适于翻模的文物进行高精度复制,如对云岩寺塔局部斗拱脱落,就可采用该技术进行复原。3D 打印可以按需要调整比例,这在传统复制上是很难甚至根本无法做到的,可以有效降低维修成本。

        同时基于数字化技术还可实现文物碎片高效拼接。修复过程中进行三维激光扫描,可以记录不同修复阶段重要的文物修复信息数据,为以后再次修复或者同类修复提供科学的参数。利用该项技术可降低文物修复的难度,加快文物复原的速度,减少或避免传统修复过程中文物的损坏,实现文物的“修旧如旧”。

        5.    拓展遗产价值、展现数字名城

        历史文化名城是苏州的骄傲,也是苏州响亮的城市名片,通过数字化手段做好古城文物保护、拓展遗产价值是保持苏州传统风貌与特色、传承优秀历史文化精髓、构筑苏州城市人文特质、促进城市建设与社会文化协调发展的重要途径。

        通过对文物三维点云数据的深加工,项目实现了文物三维模型互联网发布,利用普通电脑便可进行在线实景浏览、热点信息查询等功能,满足普通大众的观赏性需求;还能利用高性能电脑进行原始点云数据的漫游、三维模型重建、数据量测与模拟分析等,满足专业人员的研究性需求。

        文物的数字化,可以让大家足不出户,通过互联网走近那些曾经不可触及的文物,在三维空间里自由地领略文物的神韵。这样不仅有利于文物的保护还能拓展文物宣传方式。

        在不久的将来,数字化技术定能在文物保护工作中发挥越来越大的作用,它能比常规手段更准确地诊断文物的病害,能用海量数据改变文物的修复模式,还能给人们欣赏与研究文物古建带来极大的便利。未来,苏州市文物保护部门也将顺势而为,分阶段开展不可移动文物的三维数字化建设工作,最终完成覆盖整个苏州市的三维数字化文物系统工程。