成功案例

记录在文明消失前——与时间赛跑,FARO 助力文物数字化

记录在文明消失前——与时间赛跑,FARO 助力文物数字化

工作人员在青州博物馆项目中使用FARO ScanArm。

当我们游览于各个历史遗迹时,我们可能并没有意识到,那些奇迹般的石窟塔寺、碑林石像,正在无可逆地风化消失;当我们惊叹于博物馆里各类文物的瑰丽时,更难意识到,玻璃罩里的珍宝正在随着时间的流逝悄无声息地老化。而这就是事实——随着时间的流逝,文物本体正在也将继续无可避免地老化。过去,文物数字化在文物考古曾被认为是一种增光添彩的技术手段,而现在,已经成为考古和文物保护的基础工作中必不可少的环节,是信息留取的重要手段。文物数字化技术手段可以将文物的形象精确记录,以信息的形式永久传承文物中蕴含的历史、文化及科技价值。

浙江大学文化遗产研究院(以下简称浙大文化遗产研究院)成立于 2010 年 3 月 12 日,在数字考古、物探考古与文物保护材料的研究与应用等方面成绩突出,并于 2016 年获批成立石窟寺文物数字化保护国家文物局重点科研基地( 浙江大学),在石窟寺文物数字化方向担负起国家使命。其数字化团队长期致力于科研与考古实践相结合,始终以技术发展的最高水平力求文物数字化的结果原真性与科学性,并在高保真文物数字化存档方面取得了突出的成绩。目前该团队分别使用FARO ScanArm 扫描臂和FARO Focus 大空间激光扫描仪来满足不同的项目扫描需求。
 

西安碑林博物馆数字化项目

浙大文化遗产研究院数字化团队首次使用 FARO ScanArm 扫描臂是在西安碑林博物馆馆藏文物的三维数字化项目中。当时项目要求得到的数字化档案能够对石碑进行原样复制。对于碑刻文物来讲,这是一个很难实现的要求。因为一个碑面可能刻有上百个或几百个文字,每个字只有两三厘米见方,笔画复杂且具有书法意义,这意味着每个字的轮廓和凿刻深度都必须记录到极致,这种情况下,就要求扫描设备精度非常高。

结构光扫描仪当时也在项目团队的考量范围之内。而石碑或墓志多是长方体,有六个面,如果采用结构光扫描仪,不仅需要变换多个角度多次扫描,而且扫描过程中很难判断是否有遗漏,数据拼接后的精度也无法保证。

为了解决这个难题,项目团队当时就租赁了一台FARO ScanArm 扫描臂进行尝试,整体效果令他们非常满意。FARO ScanArm 扫描臂采用蓝光扫描技术,每行扫描可以达到2000 个实际点,扫描精度非常高,并且可以无缝地扫描不同材料的表面。在实际操作中,工作人员可以一边扫描一边查看扫描效果,实时知道扫描有没有遗漏,一块碑刻基本只需要正面反面做两组扫描就可以完成数字化记录。

之后,浙大文化遗产研究院数字化团队于2014 年正式引入了FARO ScanArm 扫描臂,并在山东青州博物馆的佛教石造像及其他很多博物馆的馆藏文物数字化项目中多次使用。“对于精致的石质文物,如碑刻、墓志铭、以及特别细致的石刻佛教造像,我们发现必须使用扫描臂,FARO 扫描臂可以在一个扫描周期里把各种遮挡的部位也扫出来,并且总体上数据的一致性很好,可以达到较高的精度水平,这是非常不错的。有些石刻造像有阴刻的线条,很细很浅,肉眼都几乎看不出来,但扫描后在单色的三维模型上看得很清楚,这对于考古来讲是一个很重要的技术手段。”浙大文化遗产研究院院长助理刁常宇教授补充道。

西安碑林项目中工作人员使用FARO ScanArm 扫描石碑。

西安碑林项目中工作人员使用FARO ScanArm 扫描石碑。
 

东千佛洞高保真壁画数字化

除了 FARO 的 ScanArm 扫描臂,浙大文化遗产研究院数字化团队还于2015 年引入了FARO Focus 大空间激光扫描仪,用于大型场景的三维扫描。东千佛洞位于甘肃省瓜州县,是敦煌石窟群之一。在这个项目中,浙大文化遗产研究院数字化团队的任务主要有两大块,一是对石窟所在区域的山河地貌作测绘记录,二是壁画的图像采集。

东千佛洞航拍正射影像图。

东千佛洞航拍正射影像图。

在地貌的采集上,该团队采取了无人机航拍与FARO 大空间激光扫描仪扫描相结合的方法,并通过整合三维激光扫描数据、航拍图像以及基于图像做三维重建,最终生成了地面的彩色三维模型,图里的每一个点都有其精确的高程信息和地面GPS 坐标信息。

在壁画的高保真数字化工作上,该团队采取基于照片的三维建模和FARO 大空间激光扫描仪相结合的技术。浙大在壁画的数字化方面有着近二十年经验积累,并研发了一套基于照片的三维建模的完整技术。但多年的经验让他们认识到,石窟壁画的墙面本身有一定弧度,或者浮雕甚至裂缝,必须把它作为一个三维对象来对待,因此他们希望在基于照片的三维建模和基于激光扫描的三维建模之间做一个结合。

东千佛洞第7 窟现场三维激光扫描测量

东千佛洞第7 窟现场三维激光扫描测量。

在采用 FARO 大空间激光扫描仪之前,他们用全站仪采集洞窟的尺寸信息,再通过几千张照片解算出一个比较精确的模型。这种方法的不足之处在于,利用全站仪,测定几十个点就可以很好地构造出石窟形状,而照片解算的点则高达几千万、上亿,这些点无法靠全站仪的测定点来做修正,文物数字化的原真性要求促使他们寻找更佳的解决方案。FARO 的大空间激光扫描仪具有市场领先的大型场景扫描能力,能够以每秒976000 个点的速度快速将周围环境数字化,在扫描石窟洞时,可以精确地表现出壁面的曲度信息,同时点云数据还保留了测点的灰度值,对于后期数据校验是一个很好的支持。在东千佛洞的壁画数字化项目中,该团队首先用FARO 大空间激光扫描仪获得的数据构建出洞窟的精确的三维模型,利用其自主研发的软件,照片可以自动映射到三维模型上,从而获得整个壁画的彩色高清数字化文档,在这个项目中,壁画的彩色数字化画面精度高于300dpi。
 

泉州湾宋代海船三维数字化项目

FARO 三维激光扫描仪第七窟测量数据截图。

FARO 三维激光扫描仪第七窟测量数据截图。

多图像三维重建与FARO扫描数据校准后的第7 窟三维模型截图。

多图像三维重建与FARO扫描数据校准后的第7 窟三维模型截图。

除了东千佛洞石窟的数字化项目,FARO 的大空间激光扫描仪还广泛应用在其他考古项目中,其中不得不提的是泉州宋代海船的三维数字化项目。

泉州湾宋代海船出土于1974 年,现藏于海外交通史博物馆,为宋代泉州造的中型远洋贸易木帆船,残长24.20 米,宽9.15 米;复原后长34 米,宽11 米,排水量近400 吨,载重200 吨,是我国考古发现的体量较大、年代较早且保存相对完整的古代沉船,而且可能是中国现存唯一真正走过“海上丝绸之路”又返回的海船。由于各种因素,目前船体病害严重,亟需抢救现状信息,为保护奠定科学基础。在浙大文化遗产研究院数字化团队接手这个项目之前,已经有两家公司尝试过对该船进行数字化,但效果均不理想。在这个项目中,该团队首先使用FARO 大空间激光扫描仪对船体进行大范围、局部高精度的三维点云数据采集工作。

经过十几站的扫描,该团队就获得了比较完整的船体的三维点云数据,从而构建了精确的船体的三维模型。同时,该团队还从各个角度采集了数百张船体照片。结合其自主研发的软件,照片自动映射到利用FARO 大空间激光扫描仪获得的船体三维模型上,获得了最终的细节丰富、形状准确的古船的三维数字化文档。浙江大学基于多图像三维重构技术结合FARO 激光扫描数据生成高精度纹理映射模型古船俯视正射影像图。

使用FARO 大空间激光扫描仪扫描船体。

使用FARO 大空间激光扫描仪扫描船体。

“我们从2001 年开始就在考古中使用激光扫描仪,也接触过很多不同品牌的扫描仪。表现总体是比较好的。最大的优点在于比较便携,遇到紧急的项目,一个人就能带着设备进行外业采集,这是其他设备所无法比拟的。”

刁教授总结到,“同时,这款设备的稳定性很好,我们的很多项目都非常紧急且环境又比较苛刻。例如我们曾在零下十几度的低温下利用大雪暂停的间隙进行户外扫描,当时的环境下连单反相机都不能正常工作。我们还在高原地区使用过该设备,最高海拔到4300-4400 米,这款设备也都能正常运作。”

谈到三维数字化技术在文物保护方向上的应用前景,刁常宇教授表示道:“文物本身的老化过程是不可逆的,所以今天把信息记录下来是一件很有必要的事情,文物数字化背负着重大的责任。在未来,我们的目标是实现全息记录,数字化的维度和精度将不断扩大。我相信未来技术的发展会完美解决这些问题。另一个问题是成本和速度,我们需要更加自动化、廉价的设备去加速文物的数字化,趁早记录下即将永远消失的信息。”

古船俯视正射影像图。
 

古船俯视正射影像图。

关于浙江大学文化遗产研究院 (The Cultural Heritage Research Institute of Zhejiang University)

浙江大学文化遗产研究院成立于2010 年3 月12 日,下设科技考古中心、文物保护材料研究中心、古建筑保护研究中心、艺术与考古研究中心、出土文献研究中心,在数字考古、物探考古与文物保护材料的研究与应用等方面取得了良好成绩。2016 年获批成立石窟寺文物数字化保护国家文物局重点科研基地( 浙江大学),在文物数字化方向担负起国家使命。

欲了解更多详情,欢迎登陆:http://chi.zju.edu.cn/

 

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