劉秀涵,張朋東

(1. 山東麥格天泓科技發(fā)展有限公司,山東 濟南 250000; 2. 南京郵電大學(xué)地理與生物信息學(xué)院,江蘇 南京 210023)

古墓是人類文明的珍貴遺跡,其內(nèi)部蘊藏著豐富的歷史和文化信息[1-4]。由于古墓的特殊性和敏感性,受歷史的變遷、自然的侵蝕及人為活動的破壞等各種自然和人為因素的影響,許多古墓面臨著破損、丟失甚至盜竊的風(fēng)險[5-6]。鑒于數(shù)字化保護在古墓的抗損性、傳承性及利用性等方面發(fā)揮著重要作用,且可大大增強文化遺產(chǎn)的保護和傳承,利用數(shù)字化技術(shù)對古墓進行記錄、存儲、分析、展示,以保護和傳承重要的文化遺產(chǎn),成為古墓保護的重要任務(wù)之一。

古墓數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)古墓數(shù)字化保護的關(guān)鍵環(huán)節(jié),但傳統(tǒng)測量手段(如全站儀、RTK等)無法滿足對古墓全方位覆蓋和數(shù)據(jù)采集的要求[7-8]。近年來,隨著三維激光掃描技術(shù)的成熟及其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,該技術(shù)也被逐步應(yīng)用于文物數(shù)字化保護中[9-11]。三維激光掃描是一種非接觸式的測量技術(shù),它利用激光束對物體進行掃描,通過接收激光反射回來的信號確定物體的形狀和位置[12-13]。該技術(shù)可在較短時間內(nèi)獲取物體的表面形狀和顏色等信息,且可以掃描具有較大尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體,其最為顯著的特點是操作靈活,可以在移動中對目標(biāo)物表面進行全方位采集。因此,本文旨在基于三維激光掃描技術(shù)獲取古墓的豐富點云數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上通過三維建模等方法還原古墓的內(nèi)外部真實場景,以實現(xiàn)對古墓進行數(shù)字化保護的目標(biāo)。

1 研究區(qū)概況

本文研究對象為元代“濟南王”張榮家族墓。該墓是中國迄今發(fā)現(xiàn)的級別最高、陵園附屬物最多、一次性出土文字資料最豐富的元代墓地,曾入選2022年度中國重要考古發(fā)現(xiàn),并入圍2022年度中國六大考古新發(fā)現(xiàn)項目。該墓規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,墓內(nèi)壁畫豐富,是前后雙門樓、八墓室的結(jié)構(gòu)。其中,本次掃描對象為最大的主墓室,其現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 主墓室現(xiàn)狀

2 研究方法

首先基于三維激光掃描技術(shù)對古墓進行點云數(shù)據(jù)采集,包括方案設(shè)計(踏勘設(shè)站)、標(biāo)點布設(shè)、參數(shù)設(shè)置、點云采集;然后通過對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理(點云拼接、點云去噪、點云精簡)、擬合建模、數(shù)字化應(yīng)用等操作實現(xiàn)古墓的數(shù)字化保護?？傮w技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 總體技術(shù)路線

2.1 掃描設(shè)備介紹

Trimble X12是一款高端三維激光掃描儀,具有較高的速度、精度、圖像質(zhì)量,以及較大的掃描范圍,適用于要求苛刻的掃描項目。鑒于其易用、簡單的外業(yè)工作流程,該儀器可適用于所有用戶。通過Trimble Perspective軟件,儀器的自動配準(zhǔn)、精化處理、掃描數(shù)據(jù)的導(dǎo)出等均可在現(xiàn)場完成。同時,該儀器可支持在外業(yè)現(xiàn)場查看和驗證所掃描的數(shù)據(jù)和影像。該儀器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 Trimble X12三維激光掃描儀主要技術(shù)參數(shù)

2.2 古墓點云數(shù)據(jù)采集

由于古墓內(nèi)部光線較暗、空間狹窄,因此在掃描時可能會出現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量下降等。為避免該問題,在實際應(yīng)用中需要選擇合適的掃描設(shè)備,并制定數(shù)據(jù)采集方案;同時需要結(jié)合圖像處理和數(shù)據(jù)分析等相關(guān)技術(shù)進行數(shù)據(jù)校正和優(yōu)化,以獲取更加精確和可靠的古墓內(nèi)部點云數(shù)據(jù)。

在外業(yè)進行古墓點云數(shù)據(jù)采集時所應(yīng)用的主要硬件設(shè)備包括Trimble X12三維激光掃描儀1臺、SONY a7R相機1臺、燈泡6個及靶球6個;所應(yīng)用的軟件主要為Trimble Perspective。進行古墓點云數(shù)據(jù)采集時,使用Trimble Perspective軟件對儀器進行操控和設(shè)置掃描參數(shù),并現(xiàn)場完成點云拼接。掃描工作完成后,使用SONY a7R相機進行拍照,以采集壁畫紋理,采集照片共計673張。

2.3 古墓點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

內(nèi)業(yè)古墓點云數(shù)據(jù)處理時所應(yīng)用的軟件主要為Trimble RealWorks點云處理軟件。點云數(shù)據(jù)拼接完成后還需進行點云去噪和點云精簡(或抽稀)等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。首先將掃描數(shù)據(jù)通過Perspective軟件輸出,并導(dǎo)入Trimble RealWorks軟件中,以完成點云創(chuàng)建;然后去除目標(biāo)區(qū)域以外的噪聲,主要是將原始點云數(shù)據(jù)中的非目標(biāo)點云數(shù)據(jù)(如落石、昆蟲及儀器掃描所產(chǎn)生的噪聲等)進行剔除,以獲取純凈的點云數(shù)據(jù);最后對點云數(shù)據(jù)進行精簡處理,采用基于曲率的點云精簡方法實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的精簡。

2.4 古墓三維模型重建

由于采用常規(guī)的建模方法難以實現(xiàn)對古墓建立三維模型的目標(biāo),因此需要采用高精度高密度的彩色點云與單反相片進行融合建模。本文主要采用Geomagic studio軟件,該軟件提供了強大的曲面建模工具,可實現(xiàn)基于點云數(shù)據(jù)的曲面建模。將單反相機拍攝的紋理照片和優(yōu)化后的點云模型一起導(dǎo)入RealWorks中進行實景建模,生成古墓的實景三維模型,完成壁畫的高分辨率數(shù)字模型存檔,為后續(xù)的研究提供數(shù)據(jù)支持。

2.5 古墓數(shù)字化應(yīng)用

古墓數(shù)字化應(yīng)用可通過在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對重建后的古墓三維模型進行360°交互操作實現(xiàn),因此可將構(gòu)建的古墓三維模型導(dǎo)入某線上三維平臺,以立體化方式生動、交互地展示古墓的全面信息。通過三維環(huán)拍技術(shù)可實現(xiàn)在虛擬空間中立體展示古墓,并可進行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作,從而使古墓展示形式不再單一。此外,還可通過VR技術(shù)將文物的三維模型制作成虛擬展覽,參觀者可通過使用VR眼鏡或平板電腦在虛擬展覽中自由導(dǎo)航,進行虛擬互動(如觸摸、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等),從而更加直觀地感受和理解文物,并獲取相關(guān)的展品介紹和解說[14-15]。

3 結(jié)果分析

通過上述研究方法可得到古墓點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理結(jié)果及重建后的古墓三維模型。對古墓三維模型進行觀察和分析,可對本文方法進行定性評價。基于預(yù)處理后的古墓點云數(shù)據(jù)重建后的古墓三維模型如圖3所示?？梢钥闯?重建后的三維模型中古墓結(jié)構(gòu)完整,內(nèi)部壁畫等細(xì)節(jié)信息保存完整,紋理清晰,模型整體精度較高。

圖3 重建后的古墓三維模型

此外,還可應(yīng)用Trimble RealWorks軟件進行古墓剖視圖分析,以便從新的視角對古墓三維模型進行定性評估。古墓的剖視圖展示效果如圖4所示。可以看出,古墓剖視圖結(jié)果與古墓真實結(jié)果具有高度相似性。

圖4 古墓剖視圖

古墓三維模型的線上展示也可為定性評估本文方法提供有益參考。線上展示效果如圖5所示?？梢杂^察得到古墓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的豐富細(xì)節(jié)信息,且模型的精細(xì)化程度極高。綜上,本文方法具有合理性和有效性,可應(yīng)用于古墓的數(shù)字化保護中。

圖5 古墓三維模型的線上展示

4 結(jié) 語

古墓數(shù)字化對于保護、研究、傳承和傳播古墓的文化遺產(chǎn),促進文化多樣性和社會發(fā)展,讓更多人了解和受益于這些寶貴的歷史遺產(chǎn),實現(xiàn)古墓文化遺產(chǎn)的非物質(zhì)化傳承和可持續(xù)發(fā)展等均具有重要意義。得益于三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展,本文提出了基于三維激光掃描技術(shù)的古墓數(shù)字化保護方法,通過應(yīng)用Trimble X12三維激光掃描儀對某古墓進行掃描,從而獲取該古墓的豐富點云數(shù)據(jù),并基于點云數(shù)據(jù)建立古墓的三維模型,在模型基礎(chǔ)上進行數(shù)字化應(yīng)用。研究結(jié)果驗證了本文方法的合理性和有效性。該方法有望為文物保護相關(guān)部門進行古墓修復(fù)保護工程提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),為建立文化遺產(chǎn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫提供有價值的科學(xué)參考。