王 莫

(故宮博物院古建部，北京 100009)

故宮博物院古建部藏有大量清代樣式雷燙樣，是非常珍貴的文物資料。隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的進步，尤其是文物信息數(shù)字化采集工作的全面開展，古建部擬通過前期的實例研究，確定燙樣數(shù)據(jù)采集和處理的最佳技術(shù)路線，為今后批量進行燙樣的數(shù)字化記錄工作做好準備。

1 燙樣簡介

燙樣亦稱燙胎式樣，是根據(jù)建筑的尺寸、式樣，按照一定比例制作的建筑模型。制作材料以各類紙、秫秸、木材為主，以水膠為黏合劑，由于制作過程中需要烙鐵熨燙，因此得名[1]。作為中國古代的建筑模型，燙樣是研究古建筑的極珍貴資料，其按照形式可分為全分樣、個樣和細樣三大類。全分樣(如圖1所示)即組群建筑燙樣，多以一個院落或一個景區(qū)為單位，以多座單體建筑或者山石水系組成院落或景區(qū)，表現(xiàn)的是建筑的總體布局和周圍環(huán)境的整體規(guī)劃。由于注重的是大效果，因此在組群建筑中注重整體空間及單體建筑的外部形象，而簡化了對內(nèi)部的描繪。個樣(如圖2所示)即單座建筑燙樣，主要表現(xiàn)擬蓋的單座建筑情況，全面反映重要單體建筑自外到內(nèi)的形制、彩畫、建筑尺寸及主要構(gòu)造層次，可逐層開揭觀覽，內(nèi)部情況和設(shè)計意圖一目了然。細樣(如圖3所示)主要表現(xiàn)局部性的陳設(shè)裝修，對細節(jié)的描繪更是細膩逼真。

燙樣的價值主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)歷史文物價值。

燙樣是歷史、是文物。它反映出幾百年前設(shè)計者對古建筑的設(shè)計、規(guī)劃思想，是當時營造情況最可靠、最真實的記錄。通過研究燙樣，我們不僅可以了解當時的建筑設(shè)計思想、建筑發(fā)展水平、工程技術(shù)狀況，而且還可以從側(cè)面了解當時的科學技術(shù)、工藝制作和文化藝術(shù)的歷史面貌[2]。

2)建筑研究價值。

燙樣與圖紙、做法說明一起完成古建筑的設(shè)計，都屬于當時建筑設(shè)計中的關(guān)鍵步驟。燙樣根據(jù)建筑物的設(shè)計情況按比例制作，并且貼有黃色標簽，上面注明了建筑名稱、各部位尺寸以及工程做法說明，記述詳細清楚，是了解當時建筑情況的主要依據(jù)。它既可彌補官書記載和實物資料的不足，又可作為復(fù)原設(shè)計的重要參考。

3)藝術(shù)欣賞價值。

燙樣作為建筑的縮影，濃縮了中國古建筑的獨特形式、建筑美感，而且制作精巧，顯示了古代工匠的聰明智慧與精湛技藝，具有很高的藝術(shù)欣賞價值。

2 研究項目概況

2.1 項目目標

本項目目標在于實驗性地通過現(xiàn)代測繪技術(shù)手段完整、準確記錄“圓明園萬方安和”燙樣復(fù)制品(如圖4，圖5所示)的尺寸形狀信息，以及燙樣表面用于表達環(huán)境、材料、裝飾圖案的色彩信息，并將數(shù)字化記錄成果永久留存。

2.2 燙樣數(shù)字化的難點

考慮到現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)，我們認為燙樣的數(shù)字化記錄工作存在以下技術(shù)難點：

1)燙樣空間狹小、結(jié)構(gòu)精巧，造成了其結(jié)構(gòu)之間的相互遮擋比較嚴重，所以數(shù)據(jù)采集設(shè)備的視角受限，且拍照時難于補光。2)燙樣形狀復(fù)雜，三維景深變化也較大，這對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度及景深獲取能力要求都很高。3)燙樣具有諸多非規(guī)則特征，因此其數(shù)字模型成果不好表達。如果采用類似建筑結(jié)構(gòu)的抽象幾何形體構(gòu)建，則會丟失很多非規(guī)則的重要信息；但若采用類似彩塑的三角網(wǎng)方式構(gòu)建，又會導(dǎo)致模型的數(shù)據(jù)量過大，并且缺失構(gòu)件或標簽的獨立結(jié)構(gòu)關(guān)系。

3 數(shù)據(jù)采集方法測試

3.1 數(shù)據(jù)采集方法的選擇

目前對于小型物體的精細化采集主要使用四種方法，分別為固定站位式高精度掃描儀(典型產(chǎn)品有博爾科曼三維掃描儀)、測量臂(典型產(chǎn)品有FARO和?？怂箍档年P(guān)節(jié)臂)、手持式三維掃描儀(典型產(chǎn)品有Artec公司的Spider和EVA三維掃描儀)以及近景攝影測量技術(shù)。對這幾種方法的比較如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集方法比較

在綜合考慮燙樣本身特點與數(shù)據(jù)采集需求后，我們最終選擇了手持式三維掃描儀和近景攝影測量技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集的主要測試方法，其中為了兼顧數(shù)據(jù)精度和采集景深，手持式三維掃描儀還特意選擇了兩款都能獲取色彩信息但精度不同的設(shè)備。選定的三種數(shù)據(jù)采集測試方法分別是Artec Spider手持式三維掃描儀、Artec EVA手持式三維掃描儀和近景攝影測量技術(shù)。

3.2 用Artec Spider手持式三維掃描儀進行數(shù)據(jù)采集

Artec Spider(如圖6所示)是一款高精度、高分辨率、能夠看到采集對象銳利邊緣數(shù)據(jù)的三維掃描儀，該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 Artec Spider手持式三維掃描儀主要技術(shù)參數(shù)表

Spider掃描儀精度高，但掃描范圍小，因此在進行數(shù)據(jù)采集時需要特別仔細，否則容易出現(xiàn)空缺或者無法拼接的問題。雖然在掃描過程中無需放置標記點和手動對齊，但設(shè)備的整體掃描效率比較低，而且對操作人員的經(jīng)驗要求也較高。

我們對“圓明園萬方安和”燙樣復(fù)制品的約1/4局部進行了掃描測試，數(shù)據(jù)采集用時約為2 h。采集的基本流程是：

1)手持設(shè)備從多角度以多種距離對燙樣進行掃描，尤其關(guān)注燙樣凹陷處內(nèi)部和銳利邊緣處的掃描，因為這部分是掃描的難點及尺寸的關(guān)鍵。

2)經(jīng)瀏覽、檢查后，對數(shù)據(jù)缺失或質(zhì)量不好的部分進行補充掃描。

3)保存數(shù)據(jù)，供進一步處理。

3.3 用Artec EVA手持式三維掃描儀進行數(shù)據(jù)采集

Artec Eva(如圖7所示)是一款能夠快速獲取采集對象外形和紋理的三維掃描儀，該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 Artec EVA手持式三維掃描儀主要技術(shù)參數(shù)表

EVA掃描儀的精度雖然比Spider的低，但其掃描范圍比Spider要大很多，因此EVA的掃描效率比較高，且容易操作。由于獲取數(shù)據(jù)的景深相對大一些，所以對于凹陷處內(nèi)部的采集能力也比Spider強。同樣，EVA在掃描過程中亦無需放置標記點和手動對齊。

我們對“圓明園萬方安和”燙樣復(fù)制品的大部分進行了掃描，采集了約1/2多的數(shù)據(jù)，用時約為2 h。EVA的數(shù)據(jù)采集流程與Spider相同。

3.4 用近景攝影測量技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集

我們采用尼康全畫幅數(shù)碼單反相機D810和24 mm～70 mm鏡頭來進行攝影測量照片的拍攝。尼康D810相機的有效像素數(shù)為3 638萬，其傳感器尺寸為35.9 mm×24 mm。該款相機具有成像噪點低、像素高、圖像畸變小的優(yōu)點，與取景靈活的24 mm～70 mm鏡頭搭配使用，很適合攝影測量照片的拍攝工作。考慮到“圓明園萬方安和”燙樣復(fù)制品整體空間狹小、細節(jié)較多的特點，我們在拍照時還采用了環(huán)形微距閃光燈(見圖8)。在拍攝對象由于構(gòu)件間相互遮擋造成局部光線較暗的情況下，環(huán)形微距閃光燈可以照亮拍攝對象及其局部，以取得正確的曝光效果。

攝影測量照片的采集靈活性非常高，這對操作人員的工作經(jīng)驗要求更高，因為拍攝經(jīng)驗對于照片質(zhì)量有非常大的影響。我們對“圓明園萬方安和”燙樣復(fù)制品的約1/4局部進行了攝影測量拍照測試，照片采集用時約為2 h。采集的基本流程是：1)按攝影測量原則對燙樣進行照片拍攝，重點關(guān)注凹陷處內(nèi)部和有遮擋部分的采集，并做好光線控制與色卡拍攝工作。2)使用攝影測量軟件進行照片粗算，以檢驗拍攝方案和照片質(zhì)量。3)對拍攝角度缺失及照片質(zhì)量不好的部分進行補拍。4)保存照片，供進一步處理。

3.5 數(shù)據(jù)采集方法的比較

數(shù)據(jù)采集方法的比較見表4。

表4 數(shù)據(jù)采集方法的比較表

4 數(shù)據(jù)處理流程測試

4.1 Artec Spider數(shù)據(jù)的處理過程及成果

我們使用Artec Studio軟件進行Artec Spider三維掃描儀數(shù)據(jù)的后期處理工作，主要步驟為：1)檢查數(shù)據(jù)。剔除質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)，只保留高質(zhì)量的掃描點云。2)拼接點云。對點云做拼接，使數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量更高。3)構(gòu)建彩色模型。將采集到的點云數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)模型封裝處理，并映射上照片的紋理信息。4)導(dǎo)出成果。把成果模型導(dǎo)出為通用的OBJ格式。

Spider的成果模型大體完整；但在凹陷處和很多遮擋部位，數(shù)據(jù)缺失都比較多(見圖9)，例如房間內(nèi)部地面很少能采集到，房間內(nèi)的墻面也大部分采集不到或質(zhì)量不好，建筑之間的水面部分亦有缺失；而平直外露部位的數(shù)據(jù)質(zhì)量卻非常好，紋理和形狀都不錯(見圖10)，尤其是鋒利邊緣處十分整齊，模型的銳度很好(見圖11)。

4.2 Artec EVA數(shù)據(jù)的處理過程及成果

Artec EVA三維掃描儀數(shù)據(jù)的后期處理工作同樣采用Artec Studio軟件進行，其處理過程與Artec Spider的完全相同。

從整體看，EVA獲得數(shù)據(jù)的完整性要好于Spider，如建筑之間水面部分掃描較完整；但依然能看到明顯缺失(見圖12)，例如房間內(nèi)部地面一樣無法掃描到，且房間內(nèi)墻面數(shù)據(jù)的缺失也很嚴重。仔細查看紋理的清晰度可以發(fā)現(xiàn)，紋理和文字都比較模糊(見圖13)。最嚴重的問題在于模型的銳度很差(見圖14)，例如較薄墻面的頂端都呈鋸齒狀，而細小結(jié)構(gòu)的邊緣處卻過于平滑，均沒有表現(xiàn)出應(yīng)有的結(jié)構(gòu)細節(jié)。

4.3 近景攝影測量數(shù)據(jù)的處理過程及成果

考慮到燙樣的體量較小，所以此次我們選用軟件PhotoScan對攝影測量數(shù)據(jù)進行建模，數(shù)據(jù)處理的具體流程如下：1)糾正照片顏色。對照片做色彩校正，以確保色彩還原的準確性。2)添加像控點。采用從點云數(shù)據(jù)中量取像控點的方式來進行照片的比例約束，以控制建模精度。3)構(gòu)建彩色模型。通過攝影測量軟件的多步計算，令照片生成帶紋理的彩色三角網(wǎng)模型。4)導(dǎo)出成果。把成果模型導(dǎo)出為通用的OBJ格式。

攝影測量方法獲得的成果模型看起來完整性最好，色彩的準確性也最高。房間內(nèi)部地面和墻面都基本采集到了，但地面和墻面下部的模型質(zhì)量不夠好，有許多凹凸不平的錯面(見圖15)；建筑之間水面部分的模型非常完整。紋理的清晰度與色彩的還原狀態(tài)都很好(見圖16)。較薄墻面邊緣處的銳度和準確性雖不如Spider的好，但要遠好于EVA的成果模型(見圖17)。

4.4 數(shù)據(jù)采集方法的成果比較

數(shù)據(jù)采集方法的成果比較表見表5。

表5 數(shù)據(jù)采集方法的成果比較表

5 優(yōu)化后的數(shù)據(jù)采集和處理流程

5.1 優(yōu)化的思路

通過以上試驗不難發(fā)現(xiàn)：單獨使用任何一種數(shù)據(jù)采集方法，獲得的成果模型都無法讓我們滿意。但手持式三維掃描儀Artec Spider的數(shù)據(jù)精度最高，用近景攝影測量技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)最全面、紋理質(zhì)量最好，因此我們考慮將這兩種采集方法結(jié)合使用。

由于燙樣的結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜和精巧，完全依靠逆向的數(shù)據(jù)采集方法，在其遮擋嚴重及空間狹小部位均不能獲取到理想的三維模型，所以我們認為：在發(fā)揮數(shù)據(jù)采集方法最大限度的能力后，可以考慮利用人工進行必要的正向建模和加工處理。

5.2 優(yōu)化后的技術(shù)路線

優(yōu)化后的技術(shù)路線圖見圖18。

優(yōu)化后的數(shù)據(jù)處理流程大體分為以下5個步驟：

1)使用設(shè)備對應(yīng)的軟件Artec Studio和PhotoScan分別對采集來的數(shù)據(jù)進行處理，得到兩個三維模型，以及全部的模型紋理照片。

2)在軟件3DS MAX中導(dǎo)入上述兩個模型，并將其轉(zhuǎn)換到同一坐標系里對齊(見圖19)。

3)以這兩個模型為參照，在3DS MAX中進行二次建模(見圖20)，順序是自下而上、由外至內(nèi)、從整體到局部。

4)通過參照建立的標準模型雖然完整，但卻丟失了大量的細節(jié)信息，不能反映出燙樣的變形等原狀特征。為了更好地還原模型，就必須對其做進一步加工，主要采用以下兩種處理方式：

a.盡量將三維掃描儀和近景攝影測量技術(shù)獲取的準確的不規(guī)則模型加入到成果模型當中，即將原有好的局部模型剝離出來，直接添加到成果模型里。

b.成果模型不采用基本幾何體的表達形式，而是采用三角網(wǎng)格式(見圖21)，除對正向補充建立的模型做網(wǎng)格細分和重新規(guī)劃外，還需對其進行細節(jié)編輯和調(diào)整，以達到盡可能與燙樣原狀一致的效果。

5)使用校過色的近景攝影測量照片對加工完成的模型進行紋理貼圖，經(jīng)檢查無誤后即可將最終的紋理三維模型(如圖22所示)導(dǎo)出。

5.3 優(yōu)化后的成果

考慮到燙樣本身的結(jié)構(gòu)特點及模型的后期使用問題，我們在構(gòu)建燙樣的成果模型(如圖23所示)時采用了一種“類BIM模型”的結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)類似于BIM，但又不同于傳統(tǒng)的BIM，其主要特點為：

1)成果模型根據(jù)燙樣本身的拆裝關(guān)系和空間布局進行結(jié)構(gòu)劃分，以方便模型的虛擬拆裝與局部調(diào)用。傳統(tǒng)的BIM模型是完全按照建筑結(jié)構(gòu)進行拆分的，而燙樣并不是建筑結(jié)構(gòu)的準確反映，因此使用這種近似的模型結(jié)構(gòu)。

2)成果模型不采用傳統(tǒng)BIM的標準幾何體表達形式。由于通用的BIM模型無法表達出精細的局部特征，而三角網(wǎng)模型的網(wǎng)格數(shù)量眾多、適合表達燙樣的精細結(jié)構(gòu)和變形現(xiàn)狀，所以我們采用了三角網(wǎng)格式。

6 結(jié)語

通過對多種數(shù)據(jù)采集方法及其成果模型的比較，我們實驗得出了優(yōu)化后的燙樣數(shù)據(jù)采集和加工處理流程，即先選用手持式三維掃描儀結(jié)合近景攝影測量技術(shù)采集數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用人工進行正向建模和加工處理，最后使用校過色的照片做模型紋理貼圖。在符合精度要求的前提下，這樣完成的燙樣數(shù)字化模型最完整，色彩還原也最準確。

獲得的成果模型具有諸多優(yōu)點:1)正向建模作為補充手段，讓模型的缺陷部分得以補全，令表達更完整。2)“類BIM模型”結(jié)構(gòu)可以按照需要進行分塊管理，如分類或者分區(qū)域，便于今后的精細化使用。3)模型的處理和存儲采用優(yōu)化的三角網(wǎng)格式，有利于局部細節(jié)特征的保留。因此，我們建議使用多種手段相結(jié)合的方式開展燙樣的數(shù)字化記錄工作。