3D掃描技術在古代壁畫病害變化監測方面的應用初探＊

王順仁，王小偉，鞏一璞

（1.國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心，甘肅 敦煌 736200；2.敦煌研究院，甘肅 敦煌 736200；3.甘肅莫高窟文化遺產保護設計咨詢有限公司，甘肅 敦煌 736200）

1 背景介紹

我國現有大量的壁畫賦存于古建筑、石窟寺、墓葬[1]。受自然和社會因素的長期影響，古代壁畫出現了如起甲、空鼓、酥堿、皰疹等多種病害，古代壁畫的保護修復就是穩定壁畫的現存狀態，減緩和制止壁畫褪變過程，消除安全隱患，保存其完整性[2]。如壁畫病害處于活動性狀態，就需要及時對壁畫進行修復。判斷是否屬于活動性病害，目前現有的方法如觀察，文字記錄和平面拍攝都不能夠真實全面地反映病害變化，急需一種有效的監測保護措施來實現。

隨著計算機信息技術、機械制造技術的迅速發展、3D 掃描技術廣泛應用于不同行業領域，其能在短時間內快速獲取大量待測目標空間點位信息，建立目標的3D 模型并提取線、面、體等數據，以光反射的原理獲取靜態物體表面的海量3D 點云數據，采用高精度逆向3D 建模及重構技術，以同步獲取目標范圍的3D 坐標數據和數碼照片的方式快速獲取實體或實景等目標的3D 立體信息，通過計算機重構其3D 數據模型，再現客觀事物的實時的、變化的、真實的形態特性,可實現非接觸式的測量為物體快速建模和空間變化分析提供了一種新的工具。

2 在文物保護中的應用現狀

3D 掃描技術源于國外，國內很多相關院校和科研院所開展了對3D 掃描技術的理論和應用研究，實現了通過多傳感器對目標斷面的數據匹配來獲取被測物表面特征[3-4]。目前3D 掃描設備種類較多，根據掃描儀使用方式和應用領域又分為手持式、臺式、地面以及機載掃描儀等，被廣泛的應用各個行業中，例如農業、林業、工業、國土測繪、水利水電、設計制造、橋隧交通、醫學、文物保護、建筑、地下空間等。在文物保護領域的應用很廣泛，主要是對文物表面紋理信息進行數字采集，建立數字檔案，文物修復建模[5],建筑測繪、3D 打印等。近年來國內許多文物保護單位利用3D 掃描技術進行數字化項目，文物數字化項目主要有：故宮博物院與日本凸版印刷株式會社合作的數字故宮項目[7]；浙江大學開發的敦煌石窟虛擬漫游與壁畫復原系統[8]；秦兵馬俑博物館與西安四維航測遙感中心合作的“秦俑博物館二號坑遺址三維數字建模”項目[9]等。

3 3D 掃描儀技術原理和使用方法分類

3.1 3D 掃描技術原理

3D 掃描技術是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，利用不同的測距原理，主要用于對物體空間外形和結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標，創建密集“點云”數據，記錄現實世界中物體的幾何形狀、顏色、紋理信息，搜集到的數據被用來進行3D 模型構建，越密集的“點云”創建的模型精度越高。同時3D 掃描系統可以深入到復雜的現場環境及空間中進行掃描操作，直接將各種大型、復雜實體的3D 數據完整的采集到計算機中，進而快速重構出被掃描物體的點、線、面、體等各種幾何數據并輸出3D 模型，而且它所采集到的“點云”數據還可以直接導入到多個后期制作軟件進行多種處理工作。

3.2 3D 掃描儀使用方法分類

3D 掃描就是對被測物進行全方位掃描，確定被測物的3D 坐標測量數據，其測量原理分為測距、角位移、掃描、定向四個方面。根據3D 掃描技術原理研發的儀器包括三坐標測量機、激光3D 掃描儀和拍照式（結構光）3D 掃描儀三種測量儀器等。3D掃描儀使用方法分類為接觸式與非接觸式兩種，后者又可分為主動掃描與被動掃描這些分類下又細分出眾多不同的技術方法 現在市面上用的最多的掃描儀是激光掃描儀和結構光掃描儀，都能實現非接觸掃描，利用的測距原理有時差法測距、相位法測距、三角測量法三種。

手持激光掃描儀通過三角形測距法建構出3D圖形，透過手持式設備對待測物發射出激光光點或線性激光，以兩個或兩個以上的偵測器（電偶組件或位置感測組件）測量待測物的表面到手持激光產品的距離，通常還需要借助特定標記點，可反射的貼片用于掃描儀在空間中定位及校準使用。

手持結構光掃描儀由發光原件向被測表面投射光柵條紋圖像，從與投影方向成一定角度，光柵條紋受到被測物表面深度不同的調制，相位發生變化，變形的光柵攜帶了物體的3D 形狀信息，利用三角函數原理，根據相位與物體空間坐標的轉化關系求出物體的3D 坐標，還可以獲取到待測物的色彩信息，利用其色彩特征點定位。

3.3 適用于壁畫的3D 掃描儀

從三種測距方法優缺點來看，時差測量的距離最長，但精度隨著距離的增加而降低。相位法它是通過對兩個間接測量才得到距離值，但是精度最高，適合近距離、室內的測量。三角測量法結構簡單、測量距離大、抗干擾、測量點小（幾十微米）、測量準確度高，但是會受到光學元件本身的精度、環境溫度、激光束的光強和直徑大小以及被測物體的表面特征等因素的影響，為了提高掃描速度和精度，多數掃描儀需要在被測物體上貼參照標記點，如果有些掃描物體表面有吸光性質顏色、反光、透明都是無法直接掃描的，需要涂抹顯影劑，顯影劑不容易去除，壁畫是很珍貴的文物，在對壁畫掃描時，貼標記點和涂抹顯影劑都是不容許的。此次試驗采用了型號為Go!SCAN 50 手持式拍照結構光掃描儀，如圖1 所示。

圖1 手持式結構光掃描儀

GO！SCAN 50 手持結構光拍照掃描儀，掃描儀通過向物體表面投射白光形成光柵圖案，結合上下兩個視覺攝像頭和一個彩色攝像頭，來記錄物體表面信息，采集在整個光圖案中完成。光柵圖案隨著掃描對象的曲面變形，該掃描儀最特別之處在于在掃描定位節點的時候可以選擇使用自然特征，通過顏色的自然信息創建虛擬目標點，它可以提升幾何跟蹤能力（與那種貼的目標點類似），這樣就避免了在壁畫表面貼標記點。還能智能混合定位，保證了數據的準確性，內置智能還會阻止采集定位不準確框架。掃描儀還可以通過數碼彩色攝像頭采集和檢測對象紋理定位。同時采集過程中，采集圖像會隨著操作者的移動實時變化，獲得完整的3D 數據模型，數據包含紋理和網格。

4 3D 掃描數據采集實驗與結果分析

實驗通過3D 掃描儀對室內壁畫病害起甲、酥堿，室外壁畫墻、莫高窟窟內壁畫病害起甲、皰疹、空鼓，三處的實驗操作和數據分析結果，對掃描儀的精度和可行性進行了證實。

4.1 室內壁畫病害模擬實驗

將模擬試塊放入恒溫箱，溫度控制恒定在58℃，每天對試塊進行三次加濕，通過加濕烘干的方法，加快顏料層表面物理變化速度，在顏料層發生輕微變化時，用3D 掃描儀進行數據采集，對數據進行分析。

壁畫病害發生形變判斷依據是把掃描獲取的3D 網格數據運用Geomagic Control 或是Geomagic Warp 這類具有3D 數據分析功能的軟件，對不同時間掃描采集到的壁畫面網格數據進行擬合對比，形變部位會在3D 模型上以不同的色譜表示。數據模型可由軟件提供的N 點對齊，最佳擬合對齊，坐標轉換等功能對齊，實驗中為了確保數據分析結果的準確性，擬合時將參數設置為公差0.0mm,采樣大小100000，檢查對稱性、高精度擬合、將測試對象的坐標系轉化為參考對象的坐標系，統一坐標。壁畫的線條和顏色信息比較豐富，在統一坐標后，也可使用N 點對齊功能，手動進行數據對齊。

分析結果，根據設定好的形變閾值±1mm 最小值±0.1m，軟件會在3D 模型上面以不同顏色顯現出來，綠色表示前后壁畫面形體沒有發生變化，黃色和紅色表示凸起，藍色或是淺藍色表示凹陷，灰色表明形變超過閾值，見表1，表2。

表1 起甲病害變化3D 網格數據表

表2 酥堿病害變化3D 網格數據表

圖2 起甲病害試塊3D 對比

圖3 酥堿病害試塊3D 對比

從圖2、圖3 起甲和酥堿病害模擬試塊第一次和最后一次3D 數據對比結果看出，兩試塊都發生了較為明顯的形變，起甲病害試塊下部黃色區域凸起，變化值在0.2～0.8mm 之間，上部藍色區域凹陷，變化值在0.1～0.8mm 之間，酥堿病害試塊黃-紅色中間部位凸起，變化值在0.2～1mm 之間，周邊藍色部位凹陷，變化值在0.2～1mm 之間。選用KEYENCE VHX-1000 型便攜式數碼顯微鏡對起甲病害表面微觀形貌觀察，利用其自帶的高畫質深度合成功能進行3D 合成，測的起翹高度約為1mm,與掃描獲取的3D 形變數據值相近。

4.2 壁畫模擬墻實驗

試塊實驗在室內完成相較于真實的壁畫來說，它的面積小，擬合精度高，為了進一步驗證選用室外壁畫模擬墻對掃描儀進行了測試，如圖4所示。

圖4 壁畫模擬墻

利用壁畫起甲的原理，在顏料中加入濃度較高的膠，可人為制造壁畫起甲。對墻面進行掃描時，墻面白色顏料較多，且3D 結構光掃描儀投射出的也是白光，因光反射的原因，不能很好地測得墻面空間點云數據。晴天，太陽光會對儀器光感應傳感器和攝像頭產生干擾，識別效果差。另外壁畫色彩信息單一，使得掃描儀無法精準定位，會出現掃描數據拼接錯亂。為了提高儀器掃描數據的準確性和精度，選擇陰天，減弱外界光的干擾，對壁畫進行數據采集，如圖5 所示。

圖5 壁畫模擬墻起甲病害3D 色彩數據

從實際獲取的3D 模型數據紋理信息圖上發現，兩次掃描采集的壁畫面分辨率大小是不同的，在擬合對比時出現了圖6 所示的情況，發生形變的部位較多，兩次數據都是同一天內采集完成，從分析結果來看形變過大，數據不準確。

圖6 兩次壁畫模擬墻掃描3D 數據1mm 偏差值對比

為了驗證其問題，在模擬墻面上粘貼了多個參照標記點，通過導出兩次標記點坐標值，發現3D 掃描儀在采集數據的過程中是移動的，掃描的起始位置和機器的視角不同。計算控制器通過參考點坐標值和顏色信息的坐標值進行計算識別拼接，每次光柵圖案返回的距離值因儀器角度的不同，得到的壁畫面3D空間坐標數據也會因為儀器角度的影響而不同[16]，同時掃描儀獲取的世界坐標點，在到數據處理軟件中，會將世界坐標點轉化為全局坐標，從數據分析結果得出，移動狀態下采集到的3D 數據擬合偏差較大。

把貼標記點獲取的3D 數據利用N 點對齊和最佳擬合對齊功能多次對齊后，將偏差臨界值設置為±1mm,最小值設置為±0.1mm，分析結果如圖7 所示，兩次3D 模型數據擬合較好大小相同，沒有明顯的形變，如圖7 所示。

圖7 墻面貼標記點后3D 數據對比

在壁畫表面貼標記點能提高掃描精度，但在實際壁畫數據掃描采集時，參考標記點是不能在壁畫面粘貼的，因該點具有粘性，取下時會對壁畫造成人為破壞。為減小儀器掃描角度所產生的誤差因素，考慮將儀器固定在三腳架上面，利用激光測距儀測得支架的高度，離墻距離、旋轉度然后進行數據采集。固定之后只能掃描儀器視角范圍內的壁畫，大范圍的壁畫需要移動位置來完成采集，這樣可能會增大誤差，如圖8 所示，固定采集的3D 數據擬合度要高于移動狀況下。

圖8 固定狀態下3D 掃描數據對比

4.3 洞窟壁畫掃描實驗

完成室內、室外測試實驗后，對設備的性能以及軟件操作都有了清楚的認識。在實際應用中選取了莫高窟第12 窟壁畫起甲、皰疹和第354 窟空鼓病害進行了實質性的探索研究。洞窟內的環境光線暗，掃描時避免了外界的光源對掃描儀鏡頭的干擾，掃描發出的是白光，能清晰的照亮壁畫表面，儀器可以根據壁畫表面視覺信息反饋，自動快門調節，對壁畫色彩和紋理信息數據進行采集，如圖9所示。

圖9 莫高窟第12 窟南壁起甲病害局部

將3D 偏差閾值設置為±1mm,將兩種操作方式下掃描到的洞窟壁畫病害3D 數據進行了分析。移動掃描時，掃描的范圍較大，其數據受儀器視角的影響，不能完美的擬合，兩次數據擬合形成了夾角。三角架固定掃描儀時，因采集的位置固定，儀器視野下的掃描畫面大小相對固定，儀器視角影響減小，數據擬合分析速度快，準確度高，如圖10 所示。

圖10 莫高窟第12 窟南壁起甲固定狀態下3D 掃描數據分析

圖11 莫高窟第12 窟南壁起甲固定狀態下相隔半年采集的3D 掃描數據對比

對比莫高窟第12 窟南壁起甲間隔半年數據，從圖11 中可看到，下部淺藍色部位的壁畫面要低于原始畫面，有輕微的形變，形變值在0.1mm 范圍內，如圖12 所示。

圖12 莫高窟第12 窟前室西壁北側皰疹病害

在對皰疹病害進行掃描時，由于壁畫面凹凸不平，每個凸起的皰疹點都會形成零散的面，移動狀態掃描時，因儀器角度的不同，皰疹點的遮擋，對數據采集造成較大干擾。固定狀態下，數據擬合也出現了錯誤，最終的數據結果如圖13、圖14所示，變化的點太多，該掃描儀不適用于這類面變化多的病害。

圖13 莫高窟第12 窟前室西壁北側皰疹病害移動狀態下3D 掃描數據分析

圖14 莫高窟第12 窟前室西壁北側皰疹病害固定狀態下3D 掃描數據分析

莫高窟第354 窟空鼓壁畫病害3D 數據分析結果和莫高窟第12 窟一樣。移動狀態下，前后兩次數據擬合度較低，固定狀態下擬合度較高。如圖15，圖16 所示。

圖15 莫高窟第354 窟東壁北側壁畫空鼓

圖16 莫高窟第354 窟東壁北側壁畫空鼓病害固定狀態下3D 掃描數據分析

圖17 莫高窟354 窟東壁北側空鼓壁畫病害固定狀態下相隔半年采集的3D 掃描

對比間隔半年采集到的3D 數據，從圖17 中可以看到，壁畫面中間位置黃色部位有凸起，左側藍色位置向內凹陷，右側靠近甬道門部位凸起，變化值在0.1mm,說明該壁畫墻面有輕微的形變。

5 結論

通過模擬實驗及洞窟內實際應用的效果來看，使用3D 掃描設備可以初步實現部分病害監測的要求，設計思路是正確的，但是由于受設備精度等影響，沒有完全達到理想的效果，主要表現在以下幾個方面：

1）結構光掃描儀采用數碼相機對光柵進行跟蹤，壁畫表面粗糙程度對儀器視覺的干擾較大，使得光信號反射回儀器的時間出現一定差異，掃描距離產生一定的誤差，目前精度的儀器不適合用于酥堿（皰疹）壁畫病害監測。

2）便捷手持式掃描儀雖然使用方便，但在移動的過程中，由于壁畫表面不能貼標記點，儀器視角只能通過壁畫色彩以及自然特征作為參考獲取密集“點云”數據形成3D 網格模型，當色彩信息類似的情況下，掃描的準確性會下降。數據記錄主要是由攝像頭來感知，攝像頭的精度問題也會對數據產生誤差。掃描儀的角度是實時變化的，得到的3D 數據模型在后期分析時，由于空點坐標的不一致，數據擬合分析有一定的難度，影響數據準確性。

此次3D 掃描技術的精度理論可以精確到0.1mm，隨著3D 掃描設備的精度不斷提高、價格逐步下降，處理速度的加快，如果使用專門定制的掃描設備并結合其他方式的監測方法，將會將壁畫病害發展監測引到一個新的方向，壁畫監測的水平能夠提升到一個新的高度。