现代测绘技术在古建烫样数字化项目中的应用
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2024-05-24 08:43 来源:文物保护与考古科学
故宫博物院古建部藏有大量“样式雷”(清代二百多年间主持皇家建筑设计的雷姓世家的誉称)烫样，它们是研究清代皇家建筑的珍贵文物。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，古建部拟通过实践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。数字化成果不仅能为烫样的后期修复提供可靠的原始资料，而且还能为相关古建筑研究提供便捷、丰富的基础信息。针对烫样这类文物的数字化工作流程及其数据利用方法问题，目前极少有人做专门研究。
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，由于制作过程中需用烙铁熨烫，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(即组群建筑烫样)、个样(即单座建筑烫样)和细样(主要表现局部性的陈设装修)3大类。烫样的价值主要表现在其具有的历史文物价值、建筑研究价值和艺术欣赏价值[2]3个方面。
通过现代测绘技术手段完整、准确记录下3个建筑烫样(图1~图3)的尺寸形状信息和色彩信息，将记录成果永久留存；并探索出一套对烫样进行数字化记录的最佳技术路线。
只有在充分了解烫样自身特点的前提下，才能达到选取最优数据采集方法和处理流程的目的。烫样的主要特点包括：1)材料脆弱，不能选用接触式的测量方式。2)构件尺寸小巧，且特征多，需使用较高的数据采集精度。3)其上绘有重要的彩色纹理信息，应在采集、处理过程中予以重点关注。4)形状复杂，大量的非规则特征适合采用三角网模型来表达。5)有些可局部移动或拼装，这为其数字化提供了便利，但在数据采集、处理时要注意按原有的拼装结构进行逐步分解。
就目前的数据采集和处理技术而言，烫样的数字化记录工作存在以下难点：1)结构精巧，且三维景深变化较大，这对数据采集设备的精度和景深获取能力的要求都很高。2)模型空间狭小，造成其结构之间的相互遮挡比较严重，这令数据采集设备的视角受限，拍照时也难于补光。
对于中小型物体的精细化采集，主要应用4种方法，分别是固定站位式高精度扫描仪、测量臂、手持式三维扫描仪和多视角三维重建技术。
固定站位式高精度扫描仪的采集精度非常高，并能获取色彩信息，但对于烫样这种体量的物品，其数据量过大，且操作灵活性差的特点不符合烫样要从多角度扫描的需求，因此首先被排除。
测量臂和手持式三维扫描仪的采集精度与数据量大小均适中，操作灵活性也较高，但都获取不到高清的彩色纹理信息，且在烫样的空间狭小部位，由于采集深度不够，因此两者获取的数据都不够完整。通过对比使用发现，手持式三维扫描仪的采集深度与操作灵活性均好于测量臂。
多视角三维重建技术的数据采集精度与数据量大小均适中，操作灵活性非常高，且能获取高清的彩色纹理信息，但对烫样中结构间相互遮挡严重的部位，其获取的数据亦不够完整。
在综合考虑烫样自身特点及其数字化记录的难点后，由于单一的技术手段无法满足利用需求，所以最终选择使用手持式三维扫描仪与多视角三维重建技术相结合的方式来进行烫样的基础数据采集。
烫样数据的采集主要分为手持三维扫描和多视角三维重建照片拍摄两部分内容。
选用适合对三维景深变化较大物体做数据采集的SCANPrince775手持式三维激光扫描仪。因其数据处理方式是基于标记点和采集对象的几何特征进行的，所以采集时对电脑的性能要求不高，且扫描过程稳定、快速、定位准确。烫样一般一次扫描即可全部完成。
在使用R(红光)标准模式对烫样进行高精度的三维数据采集时，解析度设置为0.1mm，工作人员需手持设备从多角度以多种距离对烫样进行扫描，尤其要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。经浏览、检查后，对数据缺失或质量不好的部分应及时进行补充扫描。需要特别注意的是：扫描使用的所有标记点只能粘贴在烫样外面的透明有机玻璃罩及周围物体上，以避免采集过程中可能对烫样本体造成的损坏。
选用尼康数码单反相机D810和24~70mm镜头来进行多视角三维重建照片的拍摄工作。
考虑到烫样空间狭小、细节较多的特点，在拍照时还采用了环形微距闪光灯。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[3]。
由于受到空间结构及采光条件的影响，首先要对烫样的不同位置(如外部、内部等)进行分类测试，待测试结果正常后才能开展同类位置的批量拍摄工作。测试过程的重点在于拍摄时的布光、相机的拍摄参数设置和后续的计算评估。需要根据测试结果来固定拍摄流程，并确定布光方式和拍摄参数等相关设置。
多视角三维重建照片的基本拍摄流程是：1)按多视角三维重建原则从多个角度对烫样进行照片拍摄，重点关注凹陷处内部和有遮挡部位的影像采集，并做好光线控制与色卡拍摄工作。2)使用多视角三维重建软件进行照片初算，以检验拍摄方案和照片质量。3)对拍摄角度缺失或照片质量不好的部分进行补充拍摄。
烫样数据的处理同样分为两条主线，即三维激光扫描点云的处理和多视角三维重建照片的处理。
在SCANPrince775手持式扫描仪配套使用的专业数据处理软件ScanViewer中，要先将扫描数据里多余的点云删除，只留下烫样本体的点云；然后将烫样正、反两面的扫描数据合并拼接为一个完整的点云；继而对点云进行网格化处理，获得烫样的三角网模型；完成后即可输出asc格式的烫样点云文件，以及stl格式的三角网模型文件。
先要对拍摄的高清数码照片进行校准，其具体步骤是：1)使用ColorChecker相机校准软件打开拍摄的色卡照片，创建色彩校准的配置文件。2)在Lightroom软件中，利用该色彩校准配置文件对采集的烫样照片进行色彩校正，并适当调节照片的曝光参数。3)启用Lightroom软件中的“镜头校正”功能，对照片进行镜头畸变校正[4]。4)以jpg格式输出校准过的烫样照片文件。
随后将校准好的照片导入到多视角三维重建软件中。利用该软件构建烫样彩色纹理模型的主要流程为：1)在手持三维扫描仪获取的点云上选择控制点，将其坐标添加到照片上进行多视角三维重建加密计算。为提高计算精度，也可将烫样的全部扫描点云加入到软件里参与计算。2)把几何精度参数设置为超高精度，进行彩色纹理模型的构建计算。得到的模型格式包括多视角三维重建软件自有的3mx格式，以及通用的obj格式。3)由于烫样空间狭小且结构之间相互遮挡严重，造成手持三维扫描和多视角三维重建照片拍摄所获得的数据局部缺失，直接导致软件计算出来的模型不够理想，因而需要对模型局部进行遵从原样的加工处理，这项工作可转移到数字雕刻与绘画软件或者逆向工程软件中进行。如有必要，也可在数字雕刻与绘画软件中进行纹理的局部修复。4)将加工好的局部模型导回多视角三维重建软件中更新，即可完成烫样整体彩色纹理模型的构建(图4)。在更新局部模型时，可以设置只更新模型，让纹理在更新过程中重新计算；也可以设置更新模型和修复好的纹理，不重新计算纹理。此种更新方法令原始模型中缺少的部分得到了很好的补全。5)输出烫样的彩色纹理模型及其正射影像图。结合配套软件的使用，多视角三维重建软件可以高效输出烫样模型在任意方向的正射影像图(图5)，这为数据的后期应用提供了极大便利。
利用高精度手持式三维激光扫描仪对烫样进行扫描，以获取空间尺寸信息；同时运用高清单反数码相机对其进行照片拍摄，以获取色彩及形状信息；继而使用点云和照片，通过多视角三维重建软件的精密计算，及对模型的局部加工得到了烫样的彩色纹理模型与正射影像图等成果文件。这两种采集方法互为补充，能够兼顾到数据精度、数据完整性、彩色纹理这三方面的实际需求，获得的成果文件达到了完整、准确记录烫样原状的目标要求。
烫样的数字化成果最终还是要为应用服务，因此专门针对成果可能的应用方式做了些许尝试。
彩色纹理模型可以方便人们对烫样做任意角度的仔细观察，尤其能令可拼装类烫样得到更加充分的展示。例如清东陵普陀峪慈禧地宫烫样，它既可以被整体展示，也可以被分解为19个独立构件进行全面的结构展示(图6)，且整个拆分及组装过程亦可制作成GIF动图(图7)或者视频供人们浏览。
利用多视角三维重建软件对该模型做剖切后，还能从剖切模型(图8)中直观了解到烫样内部结构的相互位置关系。
圆明园的万方安和已于1860年被英法联军烧毁，目前的遗迹仅能看到建筑台基及周边水系轮廓。前期已对该处遗址进行了数据采集，并构建了现状环境的实景模型(图9)。圆明园万方安和烫样是在建筑设计过程中制作与使用的，因而此次将加工完成的烫样彩色模型放入到遗址现状模型当中(图10)，试图以这种方式为古建筑的虚拟复原工作提供参考。
万方安和留存有大量的文献记载及样式雷图档，拿该烫样的正射影像图与根据上述资料绘制的CAD版建筑复原设计图在同比例下相比较(图11)，可以直观地发现：万方安和烫样在平面和高度尺寸上采用了不同的制作比例，即平面尺寸接近1∶100，但高度尺寸却近似于1∶50。也就是说，烫样在设计时就故意夸张了高度比例，令其显示高度明显大于实际建筑的应有尺寸。查证得知，这一手法在烫样制作中经常使用，其目的是服务于俯视烫样的观察者，使建筑在视觉上显得更加挺拔[5]。
烫样数字化成果的数据量较大，且数据类型复杂(包括有原始影像、点云、彩色纹理模型、正射影像图等)。因为缺少统一的数据可视化应用软件，所以目前点云和模型的利用率偏低。数据管理系统的建立不但可以实现烫样数据的规范化存储和归档，确保数据安全，而且还能方便人们对成果数据进行直观浏览与输出使用。
基于上述考虑，古建部拟建设的烫样数据管理系统将具备以下主要功能：1)采用B/S架构(即浏览器和服务器架构模式)，而不是传统的C/S架构(即客户机和服务器架构模式)。B/S架构不需要用户安装专业化软件，它的通用性非常好，且便于维护，是未来的发展趋势。2)能严格控制各类用户的操作权限，确保数据安全。3)可管理多种类型的数据，如CAD矢量图、文本、照片、点云、三维模型、正射影像图等。4)能直接浏览所有管理数据。为清除查看数据时必须使用专业软件的应用障碍，该系统要重点解决各类数据可视化的处理功能问题，以方便用户通过浏览器，甚至普通移动终端进行成果浏览。5)可以为用户快速提供数据统计和分析等专业化支持。6)能使用多种方式查询、检索数据。
在综合考虑多种数据采集方法的特点及烫样数字化记录的难点后，选择使用手持式三维扫描仪与多视角三维重建技术相结合的方式来进行烫样的基础数据采集，不仅通过实践总结出了完整的烫样数据采集和处理工作流程，而且获得了应用潜力巨大的烫样数字化成果。为便于数据的后期维护与进一步利用，古建部还拟定了烫样数据的统一管理系统。
当然，伴随着软、硬件技术的不断发展，在今后的烫样数字化过程中，古建部也会选用更新的数据采集设备和处理软件，届时将在已有经验的基础上优化技术路线，争取让最真实的烫样原状得到直观展现，以方便专业人员对其进行分析研究与合理利用。
[1]万依.故宫辞典[M].上海：文汇出版社，1996.
[2]朱庆征.烫样———宫殿建筑设计模型[J].紫禁城，2004(2)：47-50.
[3]王莫.烫样的数字化记录方法研究[J].山西建筑，2022，48(3)：14-18.
[4]王莫.现代测绘技术在故宫景福宫彩画现状记录中的应用[J].山西建筑，2017，43(14)：221-223.
[5]刘仁皓.万方安和九咏解读———档案、图样与烫样中的室内空间[D].北京：清华大学，2015
