崔曉磊 楊曉波 李登科

摘要：我國(guó)古代建筑文化遺產(chǎn)有著悠久的歷史、豐富的內(nèi)涵和矚目的成就，為防止自然災(zāi)害和現(xiàn)代化進(jìn)程的破壞，數(shù)字化保護(hù)是古建筑保護(hù)和修復(fù)的好辦法。以咸陽(yáng)鐘樓的數(shù)字化過(guò)程作為案例，利用三維激光掃描儀對(duì)其進(jìn)行實(shí)體掃描，通過(guò)去噪、配準(zhǔn)、切割等方法得到鐘樓完整的室內(nèi)外三維點(diǎn)云，獲得其完整準(zhǔn)確的的三維數(shù)據(jù)信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維建模和貼圖，探索了古建筑室內(nèi)外三維數(shù)據(jù)收集和三維建模數(shù)字化保護(hù)方法，為古建筑數(shù)據(jù)留存、保護(hù)、修復(fù)及展示提供了一些借鑒。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；古建筑；點(diǎn)云配準(zhǔn)；三維模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：西藏民大教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“數(shù)字媒體設(shè)計(jì)與創(chuàng)新教學(xué)團(tuán)隊(duì)”；西藏高校教改項(xiàng)目“數(shù)字媒體技術(shù)專(zhuān)業(yè)特色實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建研究”。

0引言

古建筑是欣賞一個(gè)國(guó)家傳統(tǒng)文化魅力的窗口，是探索一個(gè)國(guó)家古代科學(xué)技術(shù)成就的重要渠道。我國(guó)古代建筑文化遺產(chǎn)有著悠久的歷史、豐富的內(nèi)涵和矚目的成就，但因大多數(shù)已經(jīng)歷上百上千年自然災(zāi)害的侵害，加之現(xiàn)代化城市建設(shè)的發(fā)展使得現(xiàn)存很多古建筑的保存情況令人擔(dān)憂，古建筑的保護(hù)工作便顯得尤為重要。

如何避免巴黎圣母院事件再次發(fā)生，以及在災(zāi)難和事故發(fā)生后如何將對(duì)古建筑文物造成的損失降到最小，科技的發(fā)展使人們將目光投向了數(shù)字化技術(shù)。過(guò)去人工測(cè)量繪制記錄的傳統(tǒng)修復(fù)方法不僅完成精度低，且過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，更可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)度接觸而造成古建筑“二次傷害”。而作為測(cè)繪領(lǐng)域的新技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有速度快、精度高、非接觸等特點(diǎn)，通過(guò)發(fā)射激光即可快速獲取建筑物體的三維數(shù)據(jù)，在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面具有極大的優(yōu)越性。出于對(duì)古建筑的保護(hù)的立足點(diǎn)，本論述以鐘樓建筑為案例，利用三維激光掃描技術(shù)，精確記錄其建筑的三維數(shù)字信息，并通過(guò)掃描生成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片，為鐘樓建筑全景及內(nèi)外部結(jié)構(gòu)建立了三維模型，為古建筑數(shù)據(jù)留存、保護(hù)、修復(fù)及展示提供了一種可行性方案。

1技術(shù)原理及數(shù)字化流程

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法得到三維點(diǎn)云。原理為三維激光掃描儀發(fā)射激光經(jīng)由自然物表面反射進(jìn)行測(cè)距，配合掃描的水平和垂直方向角，得到每個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，快速建立物體的三維影像模型。

而利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑三維數(shù)字化主要包括：圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維模型創(chuàng)建三大流程。其中建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)Trimble TX5三維激光掃描儀進(jìn)行掃描采集，之后通過(guò)與之配套的Trimble RealWorks軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過(guò)3ds Max、SketchUp等建模軟件對(duì)古建進(jìn)行三維構(gòu)建，最后進(jìn)行貼圖完成古建筑三維模型，技術(shù)流程如圖1所示。

2點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理

2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

咸陽(yáng)鐘樓始建于明萬(wàn)歷年間，清道光中期重修，三層主體，下方有通道，基座四門(mén)，重檐二層。類(lèi)似于鐘樓的古建筑大多建設(shè)年代久遠(yuǎn)，多為木制所建，經(jīng)過(guò)多年風(fēng)吹雨淋，多處墻體和房屋斑駁損落。本次建筑的三維數(shù)據(jù)掃描采用Trimble TX5三維激光掃描儀，它以976 000 dpi/s和最佳120 m的測(cè)程進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)集成，通過(guò)千百萬(wàn)次測(cè)量可得到七千萬(wàn)像素照片級(jí)精細(xì)三維彩色點(diǎn)云影像。同時(shí)搭配數(shù)碼相機(jī)對(duì)咸陽(yáng)鐘樓各個(gè)角度進(jìn)行拍攝，后期用來(lái)對(duì)模型進(jìn)行紋理貼圖。

按照建筑空間尺寸規(guī)劃架設(shè)測(cè)站，通過(guò)多站掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史建筑的全方位數(shù)據(jù)采集，共設(shè)置十五個(gè)測(cè)站形成閉合環(huán)型控制網(wǎng)，分為室內(nèi)測(cè)站和室外測(cè)站兩部分，且每相鄰兩測(cè)站間保證不低于10%的掃描重合度，但掃描站點(diǎn)注意不能過(guò)近，否則點(diǎn)云太密數(shù)據(jù)過(guò)大，同時(shí)也會(huì)增加掃描站數(shù)拖長(zhǎng)外業(yè)操作時(shí)間，根據(jù)Trimble TX5三維激光掃描儀在無(wú)遮擋情況下有效距離 120 m內(nèi)，保證站與站在有效重疊率情況下合理架站，具體測(cè)站布設(shè)如圖2所示。同時(shí)由于該建筑是旅游觀賞對(duì)象，故掃描時(shí)間應(yīng)選擇在游客密度相對(duì)較少，遮擋相對(duì)小的時(shí)候進(jìn)行。

2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在對(duì)建筑三維數(shù)字化時(shí)，使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可真實(shí)地表現(xiàn)建筑的空間坐標(biāo)、外部及內(nèi)部具體形體特征，但三維激光掃描多站式的掃描方式使得每一站的數(shù)據(jù)都有自己獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，因此還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用Trimble RealWorks軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、配準(zhǔn)、整體切割等過(guò)程。

點(diǎn)云配準(zhǔn)是指將多站數(shù)據(jù)拼接，建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)這一過(guò)程。作為三維建模前的基礎(chǔ)工作，點(diǎn)云的配準(zhǔn)精確度決定了三維重建的坐標(biāo)系和尺度精度。通過(guò)Trimble RealWorks軟件利用兩側(cè)站的公共靶點(diǎn)（即兩個(gè)測(cè)站在重疊區(qū)域）對(duì)目標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，本次掃描測(cè)站數(shù)共計(jì)十五個(gè)，若想得到全方位的整體點(diǎn)云，就必須將十五站有相當(dāng)重疊度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)成一個(gè)整體。

配準(zhǔn)的前提是要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入與掃描儀配套的軟件Trimble RealWorks軟件中，按照掃描測(cè)站順序?qū)⒍嗾緮?shù)據(jù)導(dǎo)入。未配準(zhǔn)前站點(diǎn)散亂，空間坐標(biāo)系并未統(tǒng)一。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后，選擇“基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)模式”，每連續(xù)相隔兩站作為配準(zhǔn)對(duì)象，在兩測(cè)站中選擇3對(duì)對(duì)應(yīng)的公共靶點(diǎn)，并加以公共點(diǎn)、公共面為約束條件，系統(tǒng)將根據(jù)所選擇公共靶點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別完成點(diǎn)云配準(zhǔn)，最終將站間配準(zhǔn)精度控制在4 mm以?xún)?nèi)，點(diǎn)云拼接結(jié)果如圖3所示。

2.3古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的室內(nèi)外配準(zhǔn)

建筑模型構(gòu)建大多為室內(nèi)和室外兩部分整體獨(dú)立建模，這種情況下室內(nèi)模型在位置、坐標(biāo)上不容易和室外整體建筑對(duì)應(yīng)，這樣的建筑模型并不是一個(gè)整體完整的模型，特別是對(duì)室內(nèi)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)造成了極大的浪費(fèi)，將室內(nèi)外點(diǎn)云配準(zhǔn)后可加以應(yīng)用。

在本次布設(shè)測(cè)站階段時(shí)，已將室內(nèi)和室外一起設(shè)站。為了方便后期室內(nèi)外點(diǎn)云配準(zhǔn)，要為室內(nèi)外設(shè)置好能夠掃描的共同靶點(diǎn)，門(mén)窗作為連接室內(nèi)外的區(qū)域通?？勺鳛楣餐陌悬c(diǎn)選擇。同室外點(diǎn)云配準(zhǔn)一樣，室內(nèi)外數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)，要將2個(gè)測(cè)站的重疊點(diǎn)云配準(zhǔn)成一個(gè)整體數(shù)據(jù)。選擇室內(nèi)和室外兩站點(diǎn)云作為配準(zhǔn)對(duì)象，選擇“基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)模式”，選擇門(mén)窗部區(qū)域作為配準(zhǔn)靶點(diǎn)，并把門(mén)窗外同一欄桿加為約束條件，完成點(diǎn)云配準(zhǔn)，如圖4所示。兩站配準(zhǔn)后俯視圖、正視圖、側(cè)視圖如圖5所示，室內(nèi)外兩站點(diǎn)云樓頂對(duì)角線橫梁配準(zhǔn)后在一條直線上，說(shuō)明配準(zhǔn)完成且準(zhǔn)確。

2.4點(diǎn)云整體切割

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集階段，由于三維激光掃描儀范圍大，將咸陽(yáng)鐘樓建筑廣場(chǎng)上的游客、樹(shù)木花草，以及周?chē)啼伣ㄖw掃描，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)大，且多是無(wú)用冗余數(shù)據(jù)。這需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行整體切割，只切割留下鐘樓為本身的正方體點(diǎn)云，導(dǎo)出后以方便后期模型的制作。

3三維模型創(chuàng)建

三維模型的創(chuàng)建常用的有兩種方式，一種是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制出二維圖紙，再根據(jù)圖紙信息進(jìn)行建模，這種方式利用是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入CAD中，再?gòu)腃AD的繪圖功能中提取出相關(guān)的建筑特征線，進(jìn)而得到古建的三維建模；另一種是直接根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息建立三維模型，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入建模軟件，再由建模軟件直接建模，建模軟件可利用3dsMax、Sketch Up等。根據(jù)鐘樓建筑的特點(diǎn)，建筑結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描處理十分精細(xì)，故本次采用第二種三維建模方法。

首先通過(guò)Trimble RealWorks、AUTODESK RECAP軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。使其能夠?qū)氲浇＼浖?。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)由“asc”格式通過(guò)索引掃描、啟動(dòng)項(xiàng)目等步驟經(jīng)過(guò)“xyz”格式逐步導(dǎo)出為“rcs”、“rcp”格式。將處理完成后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max軟件，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形處理能力和個(gè)人需要選擇顯示的點(diǎn)云數(shù)，點(diǎn)云數(shù)顯示越多則點(diǎn)云對(duì)象越清晰。

然后根據(jù)所導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作三維模型。導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)給出了相應(yīng)的位置和比例尺信息，在3ds Max軟件中按照點(diǎn)云輪廓制作古建筑模型，就不會(huì)出現(xiàn)比例尺、坐標(biāo)不統(tǒng)一的情況，模型構(gòu)建如圖6所示。對(duì)三維模型進(jìn)行紋理貼圖。為了使構(gòu)建的古建筑三維模型具有真實(shí)感，需要給古建筑模型面片進(jìn)行紋理貼圖，將所拍攝的照片貼圖在完成的模型上，同時(shí)可以通過(guò)圖像處理軟件Photoshop中對(duì)貼圖圖片處理修改，使模型表現(xiàn)效果更真實(shí)。

4結(jié)語(yǔ)

我國(guó)古代建筑文化遺產(chǎn)在多種因素威脅下，其保存現(xiàn)狀令人擔(dān)憂，古建筑的展示、修復(fù)、保護(hù)的數(shù)字化工作極其重要。三維激光掃描技術(shù)憑借著速度快、精度高、不需接觸目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已廣泛用于古建筑保護(hù)、修復(fù)等方面。本論述以Trimble TX5掃描儀為依托，以掃描咸陽(yáng)鐘樓建筑為案例，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、配準(zhǔn)、分割等處理，提供了一種精確高效的古建筑的室內(nèi)外點(diǎn)云配準(zhǔn)和三維模型構(gòu)建方案，為古建筑三維數(shù)字化提供了一種難度小、要求低、速度快的實(shí)現(xiàn)方法。

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