王 莫

(故宮博物院古建部，北京 100009)

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現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在故宮景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀記錄中的應(yīng)用

王 莫

(故宮博物院古建部，北京 100009)

在介紹景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀及其記錄重要性的基礎(chǔ)上，闡述了應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集、處理的全過(guò)程，總結(jié)出了該方法較傳統(tǒng)彩畫(huà)記錄方法所具有的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

景福宮，彩畫(huà)，三維激光掃描，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

1 景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀及其記錄意義

景福宮位于故宮內(nèi)廷外東路寧壽宮區(qū)東北部，是寧壽宮東路的主體建筑。宮殿坐北朝南，平面近似正方形，面闊五間，進(jìn)深三間，四周環(huán)以圍廊，采用三卷棚勾連搭歇山式屋頂，檐下飾蘇式彩畫(huà)，為清晚期遺跡。蘇式彩畫(huà)是清代官式彩畫(huà)的一個(gè)主要類別，多應(yīng)用于裝飾皇家園林建筑，其基本構(gòu)圖形式分為三種：方心式、包袱式、海墁式。景福宮的蘇式彩畫(huà)包含了全部三種形式，且以包袱式為主(見(jiàn)圖1)。位于建筑內(nèi)檐和外檐內(nèi)側(cè)的彩畫(huà)受外界環(huán)境、氣候等因素影響較小，因此大部分保存狀況良好，彩畫(huà)顏色、紋飾清晰，只是表面灰塵較厚；而在建筑外檐外側(cè)的彩畫(huà)由于直接經(jīng)受日曬雨淋，溫、濕度變化較大等原因，殘損情況則較為嚴(yán)重，表面出現(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂、起翹、剝落，特別是彩畫(huà)褪色明顯，并且局部有水漬痕跡，致使紋飾晦暗不清。

彩畫(huà)是中國(guó)傳統(tǒng)木構(gòu)古建筑的重要組成部分，也是中國(guó)木構(gòu)古建筑的主要特征之一。除了對(duì)木構(gòu)的保護(hù)和美化兩大功能，彩畫(huà)還是明確顯示建筑用途和等級(jí)的一種形象“語(yǔ)言”。但由于自身原材料的耐老化性能比較低等原因，彩畫(huà)的存留時(shí)間比建筑上的木、石、磚瓦等構(gòu)件要短得多。景福宮的蘇式彩畫(huà)具有明顯的時(shí)代特征，攜帶著大量工程技術(shù)和人文方面的歷史信息，為我們研究清晚期的官式蘇畫(huà)以及晚清社會(huì)形態(tài)與社會(huì)發(fā)展均提供了有力物證。所以，我們有責(zé)任把景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀真實(shí)、完整地記錄下來(lái)，并使之長(zhǎng)久留存，這對(duì)于中國(guó)傳統(tǒng)文化的傳承具有重要意義。

鑒于景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀記錄的重要性，為了能夠完整記錄繪制于立體構(gòu)件上的彩畫(huà)的幾何形態(tài)與色彩信息，最大限度地反映出彩畫(huà)的真實(shí)面貌，我們決定運(yùn)用近些年在測(cè)量界快速發(fā)展起來(lái)的三維激光掃描技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)開(kāi)展此次彩畫(huà)現(xiàn)狀的記錄工作。我們將結(jié)合兩項(xiàng)新技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，把掃描儀獲取的彩畫(huà)空間位置信息，作為其攝影測(cè)量成果的定位及尺寸基準(zhǔn)，以完成真實(shí)坐標(biāo)三維模型和彩畫(huà)展開(kāi)圖的制作。

2 景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的采集

2.1 使用設(shè)備

我們選用Surphaser 25HSX三維激光掃描儀(如表1所示)和佳能EOS 5D Mark Ⅲ數(shù)碼單反相機(jī)(如表2所示)進(jìn)行景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的采集。

該設(shè)備是目前市場(chǎng)上速度最快、精度最高的地面型三維激光掃描儀，工作穩(wěn)定可靠；但缺點(diǎn)是設(shè)備的電源外置，集成度差，掃描時(shí)需要同計(jì)算機(jī)聯(lián)接操作。

表1 Surphaser 25HSX三維激光掃描儀的主要參數(shù)表

表2 佳能EOS 5D Mark Ⅲ數(shù)碼單反相機(jī)的主要參數(shù)表

在拍攝彩畫(huà)構(gòu)件照片的過(guò)程中，為確保彩畫(huà)紋理的拍攝質(zhì)量，我們選用了佳能24 mm～70 mm鏡頭。

2.2 三維激光掃描

我們首先在景福宮院內(nèi)布設(shè)了6個(gè)控制點(diǎn)，并利用原有控制點(diǎn)將景福宮數(shù)據(jù)納入了故宮的整體坐標(biāo)系當(dāng)中，這樣做有利于景福宮數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與綜合利用。隨后，為了快速、準(zhǔn)確拼接多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們還在景福宮院內(nèi)粘貼了諸多平面標(biāo)靶。標(biāo)靶的布設(shè)以均勻分布，且保證相鄰測(cè)站間至少有3個(gè)同時(shí)可見(jiàn)為原則。當(dāng)公共標(biāo)靶被不同測(cè)站使用的次數(shù)越多時(shí)，這幾個(gè)測(cè)站間的拼接精度就會(huì)越高。

掃描站點(diǎn)的布設(shè)需要考慮各個(gè)測(cè)站之間的互補(bǔ)性，相鄰測(cè)站的通視性，測(cè)站覆蓋的全面性等多個(gè)方面。在保證掃描精度的前提下，通常選取盡可能少的站點(diǎn)來(lái)覆蓋整體目標(biāo)。因此，三維激光掃描宜從高、中、低角度結(jié)合進(jìn)行。我們根據(jù)掃描站位的遠(yuǎn)近及掃描精度要求將Surphaser掃描儀的參數(shù)設(shè)置為24×24或60×60，即橫、縱方向上每度分隔內(nèi)均有24個(gè)或60個(gè)激光測(cè)距點(diǎn)(三維激光掃描儀實(shí)際都是按角度分辨率工作的)；儀器與目標(biāo)的掃描距離基本控制在0.5 m～3 m范圍內(nèi)。此次針對(duì)景福宮彩畫(huà)構(gòu)件及其院落環(huán)境共布設(shè)了90個(gè)掃描站點(diǎn)，原始點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量總計(jì)約為35.6 G。

2.3 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

我們?cè)谂臄z用于彩畫(huà)構(gòu)件建模的照片(如圖2所示)時(shí)遵循以下原則：

1)根據(jù)成果影像輸出分辨率為150 dpi的要求，控制好拍攝距離，并盡可能拍攝較小范圍的照片；2)相機(jī)鏡頭應(yīng)與被拍攝彩畫(huà)保持平行，且相鄰照片之間的覆蓋率為50%以上；對(duì)于非平面部位應(yīng)適當(dāng)變換拍攝角度，并確保該部位被拍攝到至少2次以上；3)要根據(jù)彩畫(huà)構(gòu)件的具體情況布設(shè)閃光燈，通過(guò)調(diào)整輔助光源的位置和光照強(qiáng)度，以及增加局部反光面等方法進(jìn)行補(bǔ)光拍攝；4)在相同的光線條件下，需拍攝一張色卡，用于照片處理過(guò)程中的色彩校正。

佳能EOS 5D Mark Ⅲ數(shù)碼單反相機(jī)的拍攝參數(shù)設(shè)置如下：

1)采用數(shù)碼相機(jī)的P檔進(jìn)行拍攝；2)測(cè)光模式采用點(diǎn)測(cè)光，單點(diǎn)對(duì)焦和多點(diǎn)對(duì)焦結(jié)合使用；3)光圈范圍控制在8～16之間，一般情況下設(shè)置為16；4)選用24 mm～70 mm鏡頭，在拍攝環(huán)境允許的情況下，鏡頭焦距設(shè)置為50 mm左右；在環(huán)境不允許的情況下，要根據(jù)拍攝對(duì)象所處空間的可操作性確定焦距，但鏡頭焦距均控制在24 mm～50 mm之間；5)感光度設(shè)置在ISO100～I(xiàn)OS400之間，這樣能保證將照片的噪點(diǎn)控制在可接受范圍內(nèi)。

此次，我們共拍攝了10 922張景福宮彩畫(huà)構(gòu)件的照片，數(shù)據(jù)量總計(jì)約為375.8 G。

3 景福宮彩畫(huà)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的處理與成果展示

3.1 點(diǎn)云拼接

利用全站儀控制網(wǎng)內(nèi)的標(biāo)靶坐標(biāo)，我們將獲得的多站掃描數(shù)據(jù)拼接到一起，形成了完整的景福宮建筑點(diǎn)云。具體方法為：

1)直接將全站儀所測(cè)標(biāo)靶數(shù)值導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone中，并對(duì)每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的標(biāo)靶進(jìn)行識(shí)別和命名，之后采用點(diǎn)云約束的方式執(zhí)行拼接；2)對(duì)誤差大于5 mm的拼接約束進(jìn)行檢查，調(diào)整其權(quán)重，或刪除某些明顯錯(cuò)誤的約束；3)如果拼接精度達(dá)不到要求，則要增加特征點(diǎn)匹配，直到所有站的拼接誤差均小于5 mm為止，且同時(shí)檢查拼接后點(diǎn)云的正確性。

此次，景福宮多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度基本控制在1 mm～4 mm范圍內(nèi)。

3.2 照片處理

我們要先利用色卡識(shí)別工具軟件，通過(guò)色卡照片制作出該條件下的色彩校正配置文件；再將彩畫(huà)照片的無(wú)損格式文件導(dǎo)入圖像處理軟件Lightroom中，調(diào)整好陰影和高光(即把照片中的暗處調(diào)亮、曝光過(guò)度部分調(diào)正常)后，用剛制作出的色彩校正配置文件對(duì)其進(jìn)行色彩校正，與此同時(shí)，啟用軟件中的“鏡頭校正”功能對(duì)彩畫(huà)照片進(jìn)行鏡頭畸變校正；最后，為保留照片細(xì)節(jié)，需將經(jīng)過(guò)色彩和鏡頭畸變校正的彩畫(huà)照片文件以不壓縮的TIFF格式導(dǎo)出。

3.3 彩色紋理模型構(gòu)建

我們先在攝影測(cè)量軟件Photoscan中加載完成校正的TIFF格式彩畫(huà)照片，并在照片上設(shè)置控制點(diǎn)；再?gòu)钠唇雍玫木案m建筑點(diǎn)云中量取所需控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)；將控制點(diǎn)的坐標(biāo)值輸入Photoscan后，軟件就能進(jìn)行攝影測(cè)量的計(jì)算處理工作了，其主要步驟包括：

1)對(duì)齊照片。采用中等精度對(duì)齊，可生成稀疏的點(diǎn)云(見(jiàn)圖3)；2)生成密集的彩色點(diǎn)云。點(diǎn)云生成質(zhì)量設(shè)置為高精度，此時(shí)點(diǎn)間距多數(shù)在0.6 mm左右；3)構(gòu)建模型。構(gòu)建的模型種類為三角網(wǎng)模型，網(wǎng)格面數(shù)設(shè)置為高；4)紋理貼圖。需要根據(jù)構(gòu)件大小來(lái)確定貼圖用的紋理尺寸。通過(guò)攝影測(cè)量軟件計(jì)算生成的彩色紋理模型(見(jiàn)圖4)，其紋理與模型是完全吻合的。

3.4 展開(kāi)圖制作

從攝影測(cè)量軟件中導(dǎo)出OBJ格式的彩色紋理模型后，我們先使用三維建模軟件Rhino中的“壓扁”命令把模型展開(kāi)，并同樣以O(shè)BJ格式輸出；再在三維動(dòng)畫(huà)渲染與制作軟件3D Max中打開(kāi)該展開(kāi)模型，執(zhí)行“渲染”命令，設(shè)置好輸出圖像的大小和JPG格式，即完成了彩色紋理模型的展開(kāi)圖(如圖5所示，注：白色區(qū)域?yàn)槟竟髡趽醪课?制作。

展開(kāi)圖按照150 dpi的分辨率輸出，其尺寸誤差在1 mm左右。

4 現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)用于彩畫(huà)現(xiàn)狀記錄的優(yōu)勢(shì)

徒手測(cè)量與拍照相結(jié)合的現(xiàn)狀記錄方法在古建界已被沿用了很長(zhǎng)時(shí)間，較之這種傳統(tǒng)的彩畫(huà)記錄方法，現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用具有以下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)：

第一，有利于彩畫(huà)遺跡的保護(hù)。徒手測(cè)量時(shí)使用的鋼卷尺容易把老彩畫(huà)酥松的瀝粉痕跡以及單皮灰地仗的起翹部位破壞。而無(wú)論是進(jìn)行三維激光掃描還是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，操作人員及設(shè)備均不會(huì)與彩畫(huà)產(chǎn)生直接接觸，所以也就不會(huì)對(duì)彩畫(huà)遺跡造成任何損壞。

第二，數(shù)據(jù)的采集速度快。在徒手測(cè)量建筑構(gòu)件和彩畫(huà)大線尺寸前要先搭建好大量靠近古建筑的腳手架。與之相比，三維激光掃描儀不但測(cè)量速度快，而且現(xiàn)場(chǎng)只需臨時(shí)搭建少量腳手架，這些都大大縮減了數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，提高了工作效率。

第三，獲取信息豐富。除了彩畫(huà)的紋樣線條、色彩和殘損情況等常規(guī)信息外，應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)還能記錄下傳統(tǒng)方式無(wú)法獲取的構(gòu)件空間形態(tài)與所有空間尺寸，繪制于立體構(gòu)件上的彩畫(huà)將因此得到完整、直觀地展現(xiàn)。

第四，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性高。由于拍照時(shí)不能確保正視角度，且相機(jī)鏡頭存在畸變，所以照片(特別是邊緣處)變形明顯，而其中的彩畫(huà)紋樣也難免失真。但在經(jīng)過(guò)攝影測(cè)量軟件精確計(jì)算后，由糾正了鏡頭畸變的照片所構(gòu)建出的彩色三維模型不存在變形，因此模型上的紋飾圖案也沒(méi)有任何變形，這就使彩畫(huà)的紋飾特征得以真實(shí)記錄。另外，在拍照過(guò)程中放置色卡，并利用軟件進(jìn)行色彩校正的工作步驟，還有效解決了日常拍攝時(shí)照片色彩還原度差的問(wèn)題。

第五，數(shù)據(jù)的利用價(jià)值高。真實(shí)坐標(biāo)三維模型具有廣泛的應(yīng)用性，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)工程需要，利用其制作出各種形式的成果文件，如彩畫(huà)展開(kāi)圖、正射影像圖等；亦可利用三維模型詳細(xì)統(tǒng)計(jì)出彩畫(huà)殘損部分的表面積等設(shè)計(jì)所需數(shù)值。

綜上所述，現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)能夠在不接觸彩畫(huà)的條件下快速、全面、準(zhǔn)確地采集現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理成果以各種形式直觀展現(xiàn)，它比目前使用的傳統(tǒng)方法更加符合專業(yè)人員的實(shí)際需求，因此古建筑彩畫(huà)的現(xiàn)狀記錄工作應(yīng)當(dāng)逐漸改用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)，這是大勢(shì)所趨，也是測(cè)繪技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的必然結(jié)果。

[1] 劉 榕.靜怡軒的建筑淵源及其復(fù)原設(shè)計(jì)[J].故宮博物院院刊，2005(5)：172-189.

[2] 楊 紅.故宮建福宮區(qū)主軸線建筑油飾彩畫(huà)保護(hù)修復(fù)設(shè)計(jì)研究[A].中國(guó)文物保護(hù)技術(shù)協(xié)會(huì)第六次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2010：196-215.

[3] 王 莫.三維激光掃描技術(shù)在故宮古建修繕工程中的應(yīng)用研究[J].世界建筑，2010(9)：146-147.

Application of modern surveying-mapping technology in colour painting status record of Gyeongbok Palace in the Imperial Palace

Wang Mo

(DepartmentofArchitecture,thePalaceMuseum,Beijing100009,China)

Based on introducing colour painting status and recording importance of Gyeongbok Palace, the paper describes whole data collecting and processing process of Gyeongbok Palace colour painting by applying three-dimension laser scanning technology and digital photometry technology, and summarizes its advantages comparing to traditional colour painting recording method.

Gyeongbok Palace, colour painting, three-dimension laser scanning, digital photometry

1009-6825(2017)14-0221-03

2017-03-02

王 莫(1980- )，女，館員

TU198

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