基于3D扫描技术的古建筑附着艺术品数字化研究

巴钧才

摘 要：古建筑文化遗迹是古人留给我们的宝贵财富。建立在计算机技术和数字图像技术之上的3D扫描技术是近几年兴起的，在重大历史遗迹数字化展示与修复中发挥了巨大的作用。古建筑本身是历史文化的载体与体现，附着于其上的其他艺术元素同样值得我们珍惜和保护。就鲁土司衙门古建筑物外墙附着的砖雕而言，由于其裸露在建筑物外墙长期经受风雨侵蚀及人为破坏，为文物保护与后期修复提出了新的命题。利用3D扫描技术将附着在古建筑物上的砖雕、壁画等艺术品的几何纹理、色彩及反照率等详细信息进行数字化采集，并对损坏部分在软件中进行适当复原，为后期的展示与修复提供可靠的数据依据。

关键词：三维扫描；古建筑附着艺术品；数字化

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.04.035

0 引言

中国文化源远流长，在五千多年的中华文明发展过程中，祖先给我们留下了丰富而又宝贵的文化资源。其中的古建筑被称为“活历史”，值得我们加倍珍惜和保护。2014年2月，习近平总书记在北京考察工作时强调：“历史文化是城市的灵魂，要像爱惜自己的生命一样保护好城市历史文化遗产。”①截至2022年，国务院已公布了八批共5058处全国重点文物保护单位，甘肃省境内全国重点文物保护单位共计156处，分布在所有市州，分布广且相对分散，不利于成批进行保护。以木质建筑材料为主，由于木材易燃易腐，保存难度大。附着在古建筑物表面的砖雕、石雕、壁画等艺术品，常年裸露在室外，经受风吹日晒，久而久之受到不同程度的损害，为了能让这些艺术品不断传承下去，需要我们共同去保护和修复。艺术品的修复需要依据和参考原始蓝本，然而这些艺术品的原始蓝本已无从谈起。当下，为了降低自然灾害和人为因素对古建筑物及附着在其上的砖雕、石雕、壁画等艺术品的影响，要做好文物的数字化测绘与资料保存工作。传统的图片信息采集或手工测量的方式只能在二维平面上对物体进行展现，虽然能反映出其尺寸、颜色等平面信息，但无法反映砖雕、石雕等附着艺术品外形空间、结构、纹理的三维立体信息，并且手工测量的方式采用的是接触式测量，不仅误差大、测量速度慢，而且会对文物造成一定的损伤。

1 鲁土司衙门古建筑群及其附着艺术品特点

鲁土司衙门遗址坐落于甘肃省兰州市永登县境内，是我国甘肃、青海地区保存最为完整的一座宫廷式古建筑群，位置偏僻，鲜为人知。鲁土司衙门遗址历经明、清、民国等战火纷飞的年代，新时代西部大开发及城镇化发展时代，且由于土司采用世袭制的传承方式，避免了新政权的成立对旧建筑物的拆除重建，迄今为止，鲁土司衙门虽然历经600余年的岁月洗礼，但其主要建筑物原貌基本没有受到大的影响，完整保存至今，实属不易。与其他地方的帝王皇城、官府署衙厅堂一样，其平面布局方式也采用一条明显的中轴线，在中轴线上布置主要的建筑物，在中轴线两侧布置陪衬建筑，这种布局主次分明、左右对称，显得庄严雄伟。鲁土司衙门自南向北由牌坊、仪门、六扇门、大堂、燕喜堂、神堂院、祖先堂、土司花园等组成，东西两侧有书房院、寝宫、仓院、家寺和教场等。

由于地处古地西北边陲，虽然古建筑物大体采用京城宫廷式建筑风格，但附着在其上的砖雕、石雕、壁画等艺术元素弥漫着浓郁的民族特色，具有较高的文化艺术及科学研究价值。随着鲁土司衙门被列为全国重点文物保护单位，古建筑物得到了很大程度的保护和修缮。但由于原有建筑信息缺失，特别是作为指导建造、重建、修缮的图纸资料遗失，或我们假设当初建设时根本就没有可参考的建设图纸，完全根据能工巧匠的经验建造也未可知，这给后期对损坏部分的修复带来了难题，只能采用依照原有未损坏部分仿建的方法进行。这种方法不仅会造成与原貌存在一定的差异，而且随着经年累月的洗礼，不断仿照修缮，最终会使修缮后的古建筑与原貌差距越来越大。而且附着在古建筑物表面的砖雕、石雕、壁画等艺术品由于蓝本缺失、技术等方面的问题一直没有得到很好的保护和修复，损坏程度日益加深。为了防止类似问题发生，在古建筑物相对完好时期对现有建筑及其附着艺术品进行数字化信息采集，为古建筑资源数字化展现、后期修缮提供准确可靠的数据信息，是当代古建筑及其附着艺术品保护的一种常用手段。

2 三维扫描仪技术原理及其特点分析

测量技术及计算机技术不断发展，20世纪90年代出现了3D激光扫描技术，随之出现三维扫描仪。目前，市面上三维扫描仪种类繁多，其分类方法也较多，比较普遍的是按照扫描原理分类，可分成结构光类（Structured Light）和飞时测距类（也叫作“时差测距类”）（Time Of Flight-TOF）两种②。飞时测距通过发射激光脉冲来测量传感器到物体之间的距离，激光脉冲是指在短时间间隔内一个接一个地发射多个准直光脉冲，它们被物体反射，并被探测器再次收集，计算发射激光脉冲和接收激光脉冲所需的时间，得到传感器到物体之间的距离。由于光速（speed of light）{c}为一已知条件，光信号往返一趟的时间即可换算为信号所经过的路程，此距离是测量仪器到物体表面路程的两倍，假设{t}为光信号往返一趟的时间，那么光信号经过的路程等于{（c t）/2}。这种测距方法每发一个激光信号只能测量物体的一个单点信息，若要扫描完整的一个面的信息，就需要使许许多多的激光信号以不同的角度发射，得到由点及面的图像信息。三维激光扫描技术就是在单点激光测距技术基础上，基于全站仪进行多点的自动化处理，從而提高了全站仪的测量效率，实现了从点到面的测绘，适用于三维几何形态物体的数字化测绘。一些激光测距仪通过本身的水平旋转或系统内部的旋转镜（rotating mirrors）可以达到成批测量的目的，即三维扫描。旋转镜由于较轻便、可快速环转扫描且精度较高，是较广泛应用的方式。典型时差测距类三维扫描仪每秒约可测量10000～100000个点位信息。飞行时间测距方法已成功应用于激光雷达传感器多年，其发展成熟，目前市面上的三维扫描仪大多采用这种原理。

1999年，瑞士徕卡公司正式推出了世界首台可在一秒钟内采集1000个点的三维激光扫描仪Cyrax2500③。随着我国科技的长足发展，国产三维激光扫描仪不断涌现，在2023年Maigoo网站发布的全球三维扫描仪十大品牌中国产品牌占有三席，分别为先临三维公司、思看科技、新拓三维公司。典型产品有先临三维公司的先临三维Einstar普及化专业级手持3d扫描仪、先临三维（SHINING 3D）EinScan 2X 2020手持3D扫描仪，思看科技的KSCAN复合式3D扫描仪SIMSCAN掌上3D扫描，新拓三维公司的XTOM三维拍照式扫描仪等。这些扫描设备在古建筑物附着石雕、砖雕、壁画等艺术品信息采集过程中有以下主要优点：

精度高。具有较高的分辨率和精度，其通过运用智能动态物体分析技术和全局点云精算配准技术等生成精密度较高的3D物体模型，而且还可以运用新型批量三角化处理装置来让其能时刻保持最高分辨率，从而扫描出更加清晰的图像模型。点间距越小，其分辨率就越高。这是因为在单位面积的屏幕上，随着像素点数量的增加，相邻两个像素点之间的距离就会变小，也就是说点间距变小了，其点云就会越密集，图像的质量也就越高。市面上国产三维扫描仪中档款的产品点距最小可以设置到0.1毫米以下，生成图像的精度基本可以满足我们的需求。

速度快。普通中档款的国产三维扫描仪的刷新率最高可以达到14FPS，当我们设定画面的分辨率为1024×768时，每秒可以扫描14×1024×768大约1100万个点位。如果按最小点距0.1毫米来算，一块100厘米×100厘米见方的砖雕点位应为100万个，按每秒1100万个点位扫描速度，理论上用时0.1秒，这种扫描速度相当于拍照的速度了。

非接触。目前，三维扫描仪大多采用照相式原理，这些产品可以在不接触被测物体表面的情况下扫描测量物体表面参数信息，最大限度避免对艺术品造成损害。同时，这种非接触式的测量方式减小了由于测量接触方式引起的测量误差，保证了数据精准性。

输出格式丰富。三维扫描仪可以输出的文件格式非常丰富，有OBJ、STL、PLY、ASC、3MF、P3等，可以兼容我们常见的图形图像处理软件，比如ZBRUSH、FUSION、DESING X、3ds Max、Maya、Softimage等，这为后期图像美化以及修复处理提供了更多的选择，方便了不同用户的需求。

操作简单。三维扫描仪的使用非常简单，它能够通过高精度的激光扫描实现快速准确的三维数据采集。使用三维扫描仪时，只需将物体放置在三维扫描仪的激光范围内，然后打开扫描仪对物体表面进行自动扫描，就会采集到被测物体表面的点云信息，并将点云信息自动转换为三维立体模型。

由于三维扫描仪有着测量易操作、速度快、精度高、立体化、点云密集等诸多优点，且非接触式测量方式对物体本身无任何损伤，这类技术一经问世便在各行各业得到应用，特别是在近十年，在文物保护与修复领域也得到了广泛的应用。三维扫描技术通过记录被测物体外表密布的点的三维坐标、反射率和纹路等信息，快速生成被测物体的三维模型及线、面、体等各种点云信息，在后期利用软件进行处理时，可以在扫描得到的模型基础上对损坏部分尽可能地进行数字化的还原与修复，为后期对实物的保护及修缮提供精准、可靠的数据依据。

2004年，故宫博物院对神武门、太和门、太和殿、康寿宫和慈宁宫五处古建筑进行三维信息采集，自这个项目后，三维扫描技术便开始广泛应用于我国古建筑测绘及保护领域。就鲁土司衙門古建筑遗址数字化工作而言，其古建筑物全貌采用VR技术进行数字化信息采集与呈现，而附着在古建筑表面的砖雕、石雕、壁画等艺术品信息则采用激光三维扫描技术对其纹理信息进行详细记录。应用VR技术对鲁土司衙门遗址古建筑整体进行数字化呈现方面，笔者已经在论文《VR技术应用于古建筑的推介与保护—以鲁土司衙门旧址为例》中进行了详细的阐释，本文主要对附着在古建筑物表面的砖雕、石雕、壁画等艺术品采用激光三维扫描技术进行详细信息采集简要的说明。

3 三维扫描技术在砖雕数字化方面的应用

三维激光扫描技术的应用，首先要确定的就是测绘精度，在测绘精度的选择上，按照天津大学白成军教授观点，“在古建筑测绘中，应客观分析古建筑的内部规律性，以此确定外业测量所采用的适宜精度”④，就附着在鲁土司衙门古建筑表面的砖雕而言，鲁土司衙门砖雕多采用云纹、佛像及文字，体现出明显的藏传佛教特征，立体感强，雕刻细腻，生动逼真（图1）。个别砖雕占满整个古建筑物侧墙，单体面积20余平方米，这种大型砖雕无法通过一个点位的扫描完成，必须对其进行区域划分，换点位多次采集，在每幅图片采集过程中，图片与图片之间进行必要的重合以方便拼接，当然，划分的区域越多，后期拼接的工作量也就越大。在精度选择上，应采用0.1毫米点距为宜。

鲁土司衙门古建筑附着艺术品数字化建模跟其他艺术品数字化一样，包括扫描前期准备、扫描、拼接、后期处理四个环节。

3.1 前期准备

前期准备工作主要由两部分组成：第一部分为确定扫描范围和扫描方向及清理扫描区域。此次扫描对象为砖雕，附着在鲁土司衙门古建筑群外墙表面，光线充足，不需要通过人工光源补光，其砖雕本身吸光较好，不会造成反光，不用喷涂显像剂，不仅方便扫描，且对砖雕不会造成任何损害。第二部分为设备校准。要扫描出准确的三维数据，校准显得尤为重要，在校准过程中要根据三维扫描仪预先设置的扫描模式计算出设备和工件的位置距离。校准扫描仪时，根据砖雕调整设备系统设置的三维扫描环境。正确的相机设置关系到扫描数据的准确性，我们应该严格按照制造商的说明进行校准工作。校准后可通过用三维扫描仪扫描已知三维数据的测量物体来检查比对，如果发现扫描仪扫描的精度无法满足我们的需求，需要对扫描仪进行重新校准。

3.2 扫描与拼接

开始扫描前做好相应参数的设置，打开新建扫描，选择“高精度”，扫描模式选择为“按特征”进行扫描，纹理贴图选择为“白膜”，配件可以自由选择，一般情况下我们将其设置为“无”。距离的选择一般以一个显示画面刚好容纳下我们划定的一个点位区域为宜，使中心预览窗口中尽可能大面积显示出被扫描砖雕区域的三维数据信息。需要注意的是，同一区域尽量避免重复扫描，因为重复扫描同一部位不但不能提高精度，反而会造成误差累积，做到一个扫描角度尽可能只扫一圈。

在以上准备工作完成后，我们便可以对物体进行扫描了。对附着在古建筑物表面的砖雕进行扫描，在扫描过程中，我们应从不同角度进行三维数据捕捉，如果出现“拼接错误”的提示，及时点击暂停按钮暂停扫描，再点击撤销按钮，撤回拼接错误的帧数，之后再点击开始按钮继续扫描。如果扫描过程中出现“跟踪丢失”的提示，及时点击“暂停”按钮停止扫描。从上次暂停处再次接着扫描时，要从参照物特征点较多的区域进行找回操作。

三维扫描仪自带的软件系统可以对扫描出的点云数据进行自动拼接，省去了我们手动拼接的麻烦。扫描完成后系统会自动生成三维点云图像，但后期操作人员需要对扫描产生的点云数据去除噪点、填补空洞以及光顺处理。接着就是数据的转换，点云处理完后对数据进行转换，目前都是系统软件自动将点云数据直接转换成客户需求的各类格式，如STL、OBJ等，生成的数据可以与市面上通用的3D软件无缝对接。

3.3 数据后期处理

扫描与拼接完成后，我们可以将OBJ文件模型导入ZBrush软件中。由于鲁土司衙门古建筑附着砖雕经历600余年风雨侵蚀，表面本应该凸出棱角分明之处，已经显得相对圆润，凹凸对比没有那么强烈，有些图案细节和文字显得较为模糊。在使用Zbrush内置的雕刻工具进行浮雕效果制作之后，可以通过对笔刷工具进行不同的笔触设置，并适当调整笔触大小、形状、强度等参数，利用笔刷工具复原砖雕的凹凸效果，并对损毁部分进行最大限度的修复。

4 结语

魯土司衙门古建筑附着砖雕是鲁土司衙门古建筑群建筑风格和文化传承不可或缺的一个重要组成部分，这些精美的砖雕历经了600余年的风雨侵蚀以及人为损坏，且没有图纸及文字蓝本可供我们参考。本文介绍了鲁土司衙门建筑及其附着艺术品特点，分析了三维扫描技术原理及特点，并对其在砖雕数字化方面的应用进行具体说明，在对砖雕进行三维扫描得到现有三维数字模型的基础上，对残缺部分应用ZBrush软件笔刷工具进行适当的数字化复原，得到相对完整的数字化模型，既可以实现对砖雕艺术品进行数字化呈现，也可以作为后期修复时可参考的数据依据。

注释

①段金柱，郑璜.像爱惜自己的生命一样保护好文化遗产：习近平在福建保护文化遗产纪事[J].中国文物科学研究，2015（1）：7-13.

②刘科.基于古建筑保护修缮需求的三维激光几何信息采集应用研究[D].北京：北京工业大学，2017.

③赵威成，裴亮.Cyrax2500三维激光扫描系统在建筑中的应用[J].矿山测量，2006（1）：4-6.

④白成军.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用及相关问题研究[D].天津：天津大学，2007.