烫样的数字化记录方法研究

王 莫

(故宫博物院古建部，北京 100009)

故宫博物院古建部藏有大量清代样式雷烫样，是非常珍贵的文物资料。随着现代测绘技术的进步，尤其是文物信息数字化采集工作的全面开展，古建部拟通过前期的实例研究，确定烫样数据采集和处理的最佳技术路线，为今后批量进行烫样的数字化记录工作做好准备。

1 烫样简介

烫样亦称烫胎式样，是根据建筑的尺寸、式样，按照一定比例制作的建筑模型。制作材料以各类纸、秫秸、木材为主，以水胶为黏合剂，由于制作过程中需要烙铁熨烫，因此得名[1]。作为中国古代的建筑模型，烫样是研究古建筑的极珍贵资料，其按照形式可分为全分样、个样和细样三大类。全分样(如图1所示)即组群建筑烫样，多以一个院落或一个景区为单位，以多座单体建筑或者山石水系组成院落或景区，表现的是建筑的总体布局和周围环境的整体规划。由于注重的是大效果，因此在组群建筑中注重整体空间及单体建筑的外部形象，而简化了对内部的描绘。个样(如图2所示)即单座建筑烫样，主要表现拟盖的单座建筑情况，全面反映重要单体建筑自外到内的形制、彩画、建筑尺寸及主要构造层次，可逐层开揭观览，内部情况和设计意图一目了然。细样(如图3所示)主要表现局部性的陈设装修，对细节的描绘更是细腻逼真。

烫样的价值主要表现在以下几个方面：

1)历史文物价值。

烫样是历史、是文物。它反映出几百年前设计者对古建筑的设计、规划思想，是当时营造情况最可靠、最真实的记录。通过研究烫样，我们不仅可以了解当时的建筑设计思想、建筑发展水平、工程技术状况，而且还可以从侧面了解当时的科学技术、工艺制作和文化艺术的历史面貌[2]。

2)建筑研究价值。

烫样与图纸、做法说明一起完成古建筑的设计，都属于当时建筑设计中的关键步骤。烫样根据建筑物的设计情况按比例制作，并且贴有黄色标签，上面注明了建筑名称、各部位尺寸以及工程做法说明，记述详细清楚，是了解当时建筑情况的主要依据。它既可弥补官书记载和实物资料的不足，又可作为复原设计的重要参考。

3)艺术欣赏价值。

烫样作为建筑的缩影，浓缩了中国古建筑的独特形式、建筑美感，而且制作精巧，显示了古代工匠的聪明智慧与精湛技艺，具有很高的艺术欣赏价值。

2 研究项目概况

2.1 项目目标

本项目目标在于实验性地通过现代测绘技术手段完整、准确记录“圆明园万方安和”烫样复制品(如图4，图5所示)的尺寸形状信息，以及烫样表面用于表达环境、材料、装饰图案的色彩信息，并将数字化记录成果永久留存。

2.2 烫样数字化的难点

考虑到现有数据采集和处理技术，我们认为烫样的数字化记录工作存在以下技术难点：

1)烫样空间狭小、结构精巧，造成了其结构之间的相互遮挡比较严重，所以数据采集设备的视角受限，且拍照时难于补光。2)烫样形状复杂，三维景深变化也较大，这对数据采集设备的精度及景深获取能力要求都很高。3)烫样具有诸多非规则特征，因此其数字模型成果不好表达。如果采用类似建筑结构的抽象几何形体构建，则会丢失很多非规则的重要信息；但若采用类似彩塑的三角网方式构建，又会导致模型的数据量过大，并且缺失构件或标签的独立结构关系。

3 数据采集方法测试

3.1 数据采集方法的选择

目前对于小型物体的精细化采集主要使用四种方法，分别为固定站位式高精度扫描仪(典型产品有博尔科曼三维扫描仪)、测量臂(典型产品有FARO和海克斯康的关节臂)、手持式三维扫描仪(典型产品有Artec公司的Spider和EVA三维扫描仪)以及近景摄影测量技术。对这几种方法的比较如表1所示。

表1 数据采集方法比较

在综合考虑烫样本身特点与数据采集需求后，我们最终选择了手持式三维扫描仪和近景摄影测量技术作为数据采集的主要测试方法，其中为了兼顾数据精度和采集景深，手持式三维扫描仪还特意选择了两款都能获取色彩信息但精度不同的设备。选定的三种数据采集测试方法分别是Artec Spider手持式三维扫描仪、Artec EVA手持式三维扫描仪和近景摄影测量技术。

3.2 用Artec Spider手持式三维扫描仪进行数据采集

Artec Spider(如图6所示)是一款高精度、高分辨率、能够看到采集对象锐利边缘数据的三维扫描仪，该设备的主要技术参数如表2所示。

表2 Artec Spider手持式三维扫描仪主要技术参数表

Spider扫描仪精度高，但扫描范围小，因此在进行数据采集时需要特别仔细，否则容易出现空缺或者无法拼接的问题。虽然在扫描过程中无需放置标记点和手动对齐，但设备的整体扫描效率比较低，而且对操作人员的经验要求也较高。

我们对“圆明园万方安和”烫样复制品的约1/4局部进行了扫描测试，数据采集用时约为2 h。采集的基本流程是：

1)手持设备从多角度以多种距离对烫样进行扫描，尤其关注烫样凹陷处内部和锐利边缘处的扫描，因为这部分是扫描的难点及尺寸的关键。

2)经浏览、检查后，对数据缺失或质量不好的部分进行补充扫描。

3)保存数据，供进一步处理。

3.3 用Artec EVA手持式三维扫描仪进行数据采集

Artec Eva(如图7所示)是一款能够快速获取采集对象外形和纹理的三维扫描仪，该设备的主要技术参数如表3所示。

表3 Artec EVA手持式三维扫描仪主要技术参数表

EVA扫描仪的精度虽然比Spider的低，但其扫描范围比Spider要大很多，因此EVA的扫描效率比较高，且容易操作。由于获取数据的景深相对大一些，所以对于凹陷处内部的采集能力也比Spider强。同样，EVA在扫描过程中亦无需放置标记点和手动对齐。

我们对“圆明园万方安和”烫样复制品的大部分进行了扫描，采集了约1/2多的数据，用时约为2 h。EVA的数据采集流程与Spider相同。

3.4 用近景摄影测量技术进行数据采集

我们采用尼康全画幅数码单反相机D810和24 mm～70 mm镜头来进行摄影测量照片的拍摄。尼康D810相机的有效像素数为3 638万，其传感器尺寸为35.9 mm×24 mm。该款相机具有成像噪点低、像素高、图像畸变小的优点，与取景灵活的24 mm～70 mm镜头搭配使用，很适合摄影测量照片的拍摄工作。考虑到“圆明园万方安和”烫样复制品整体空间狭小、细节较多的特点，我们在拍照时还采用了环形微距闪光灯(见图8)。在拍摄对象由于构件间相互遮挡造成局部光线较暗的情况下，环形微距闪光灯可以照亮拍摄对象及其局部，以取得正确的曝光效果。

摄影测量照片的采集灵活性非常高，这对操作人员的工作经验要求更高，因为拍摄经验对于照片质量有非常大的影响。我们对“圆明园万方安和”烫样复制品的约1/4局部进行了摄影测量拍照测试，照片采集用时约为2 h。采集的基本流程是：1)按摄影测量原则对烫样进行照片拍摄，重点关注凹陷处内部和有遮挡部分的采集，并做好光线控制与色卡拍摄工作。2)使用摄影测量软件进行照片粗算，以检验拍摄方案和照片质量。3)对拍摄角度缺失及照片质量不好的部分进行补拍。4)保存照片，供进一步处理。

3.5 数据采集方法的比较

数据采集方法的比较见表4。

表4 数据采集方法的比较表

4 数据处理流程测试

4.1 Artec Spider数据的处理过程及成果

我们使用Artec Studio软件进行Artec Spider三维扫描仪数据的后期处理工作，主要步骤为：1)检查数据。剔除质量不好的数据，只保留高质量的扫描点云。2)拼接点云。对点云做拼接，使数据的整体质量更高。3)构建彩色模型。将采集到的点云数据进行三角网模型封装处理，并映射上照片的纹理信息。4)导出成果。把成果模型导出为通用的OBJ格式。

Spider的成果模型大体完整；但在凹陷处和很多遮挡部位，数据缺失都比较多(见图9)，例如房间内部地面很少能采集到，房间内的墙面也大部分采集不到或质量不好，建筑之间的水面部分亦有缺失；而平直外露部位的数据质量却非常好，纹理和形状都不错(见图10)，尤其是锋利边缘处十分整齐，模型的锐度很好(见图11)。

4.2 Artec EVA数据的处理过程及成果

Artec EVA三维扫描仪数据的后期处理工作同样采用Artec Studio软件进行，其处理过程与Artec Spider的完全相同。

从整体看，EVA获得数据的完整性要好于Spider，如建筑之间水面部分扫描较完整；但依然能看到明显缺失(见图12)，例如房间内部地面一样无法扫描到，且房间内墙面数据的缺失也很严重。仔细查看纹理的清晰度可以发现，纹理和文字都比较模糊(见图13)。最严重的问题在于模型的锐度很差(见图14)，例如较薄墙面的顶端都呈锯齿状，而细小结构的边缘处却过于平滑，均没有表现出应有的结构细节。

4.3 近景摄影测量数据的处理过程及成果

考虑到烫样的体量较小，所以此次我们选用软件PhotoScan对摄影测量数据进行建模，数据处理的具体流程如下：1)纠正照片颜色。对照片做色彩校正，以确保色彩还原的准确性。2)添加像控点。采用从点云数据中量取像控点的方式来进行照片的比例约束，以控制建模精度。3)构建彩色模型。通过摄影测量软件的多步计算，令照片生成带纹理的彩色三角网模型。4)导出成果。把成果模型导出为通用的OBJ格式。

摄影测量方法获得的成果模型看起来完整性最好，色彩的准确性也最高。房间内部地面和墙面都基本采集到了，但地面和墙面下部的模型质量不够好，有许多凹凸不平的错面(见图15)；建筑之间水面部分的模型非常完整。纹理的清晰度与色彩的还原状态都很好(见图16)。较薄墙面边缘处的锐度和准确性虽不如Spider的好，但要远好于EVA的成果模型(见图17)。

4.4 数据采集方法的成果比较

数据采集方法的成果比较表见表5。

表5 数据采集方法的成果比较表

5 优化后的数据采集和处理流程

5.1 优化的思路

通过以上试验不难发现：单独使用任何一种数据采集方法，获得的成果模型都无法让我们满意。但手持式三维扫描仪Artec Spider的数据精度最高，用近景摄影测量技术采集到的数据最全面、纹理质量最好，因此我们考虑将这两种采集方法结合使用。

由于烫样的结构异常复杂和精巧，完全依靠逆向的数据采集方法，在其遮挡严重及空间狭小部位均不能获取到理想的三维模型，所以我们认为：在发挥数据采集方法最大限度的能力后，可以考虑利用人工进行必要的正向建模和加工处理。

5.2 优化后的技术路线

优化后的技术路线图见图18。

优化后的数据处理流程大体分为以下5个步骤：

1)使用设备对应的软件Artec Studio和PhotoScan分别对采集来的数据进行处理，得到两个三维模型，以及全部的模型纹理照片。

2)在软件3DS MAX中导入上述两个模型，并将其转换到同一坐标系里对齐(见图19)。

3)以这两个模型为参照，在3DS MAX中进行二次建模(见图20)，顺序是自下而上、由外至内、从整体到局部。

4)通过参照建立的标准模型虽然完整，但却丢失了大量的细节信息，不能反映出烫样的变形等原状特征。为了更好地还原模型，就必须对其做进一步加工，主要采用以下两种处理方式：

a.尽量将三维扫描仪和近景摄影测量技术获取的准确的不规则模型加入到成果模型当中，即将原有好的局部模型剥离出来，直接添加到成果模型里。

b.成果模型不采用基本几何体的表达形式，而是采用三角网格式(见图21)，除对正向补充建立的模型做网格细分和重新规划外，还需对其进行细节编辑和调整，以达到尽可能与烫样原状一致的效果。

5)使用校过色的近景摄影测量照片对加工完成的模型进行纹理贴图，经检查无误后即可将最终的纹理三维模型(如图22所示)导出。

5.3 优化后的成果

考虑到烫样本身的结构特点及模型的后期使用问题，我们在构建烫样的成果模型(如图23所示)时采用了一种“类BIM模型”的结构，即结构类似于BIM，但又不同于传统的BIM，其主要特点为：

1)成果模型根据烫样本身的拆装关系和空间布局进行结构划分，以方便模型的虚拟拆装与局部调用。传统的BIM模型是完全按照建筑结构进行拆分的，而烫样并不是建筑结构的准确反映，因此使用这种近似的模型结构。

2)成果模型不采用传统BIM的标准几何体表达形式。由于通用的BIM模型无法表达出精细的局部特征，而三角网模型的网格数量众多、适合表达烫样的精细结构和变形现状，所以我们采用了三角网格式。

6 结语

通过对多种数据采集方法及其成果模型的比较，我们实验得出了优化后的烫样数据采集和加工处理流程，即先选用手持式三维扫描仪结合近景摄影测量技术采集数据，在此基础上利用人工进行正向建模和加工处理，最后使用校过色的照片做模型纹理贴图。在符合精度要求的前提下，这样完成的烫样数字化模型最完整，色彩还原也最准确。

获得的成果模型具有诸多优点:1)正向建模作为补充手段，让模型的缺陷部分得以补全，令表达更完整。2)“类BIM模型”结构可以按照需要进行分块管理，如分类或者分区域，便于今后的精细化使用。3)模型的处理和存储采用优化的三角网格式，有利于局部细节特征的保留。因此，我们建议使用多种手段相结合的方式开展烫样的数字化记录工作。