文化遗产三维信息采集与应用基础研究

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第1章　文保数字化技术概览
　　1.1　文物保护数字化的现实需求
　　中国是四大文明古国之一，也是这四个文明古国中唯一将文明与文化一脉相延的国家。数千年的文化积淀及广袤辽阔的地域面积使得中国文化既区别于其他文化形式特征，又有良好的土壤进行发展演变，作为中国传统文化载体的中国古代建筑就在我国本土地质地貌和水文气候的孕育下形成了独具东方特色的建筑体系。中国古建筑在世界建筑中独树一帜，其建筑风格和施工技艺影响范围遍及半个亚洲，在世界建筑历史中占有重要地位。
　　中国古建筑作为保存时间相对较长，表现形式多样的文化、物质载体，不仅仅代表着建筑所在地的历史文脉，也生动反映了当时的科学技术和经济发展水平。几千年来不同地域的文化艺术、传说故事、精湛技艺，以壁画、装饰、材料、结构、构件等不同的形式或多或少存留于历史建筑当中。其中蕴含的历史信息十分丰富，其科学科研价值和文化艺术价值都极为珍贵，许多研究工作者都将古建筑称为“历史的百科全书”。
　　随着社会生产和技术水平的发展，人们对于精神文明的需求越来越重视，而历史正是一个国家精神、文化及自我认同的起源和根基，作为承载历史的物质载体，古代建筑的保存与保护越来越受国家重视。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”［3］，并于2014年起国家切实加大了对于文化遗产保护方面的投入。
　　然而，由于一些特殊的历史问题，中国现在留下来的保存及保护的经验和方法寥寥无几，而东方建筑特有的风格和自成一派的体系，无论从建造还是维护都无法照搬西方文物建筑保护的方式方法。并且，历史留给我们的古建筑资源虽然丰富，但对于存留与保护工作来说却并不理想：
　　首先，从观念上来说，中国绵延数千年的历史见证了数次朝代更替、政权交接，作为象征政权征服与被征服的重要标志之一前朝建筑，往往在新政权成立后的第一个重大工程就被拆除重新建造。因此，看惯风云起伏、沧海桑田的中国人自古就有“中国建筑有不求原物长存之观念”⑷，历史上在对建筑的维修维护过程中，原构件的保留就不甚理想，在原状保存上也没有成熟的体系和标准留存。
　　其次，中国古代建筑有别于西方建筑，主要采用木材作为建筑主体材料，但木材易腐烂、易损毁的特性也直接导致了现今中国所存历史建筑以明清时代为主，唐宋木构建筑凤毛麟角，且不少建筑残破不堪，濒临消亡。
　　最后，源于西方的现代制图技术与流程并不适合中国古建筑的图纸资料绘制与保存：在西方标准工业化体系遍及全球之前，中国古代千年来无论从音符记录、文法结构、还是资料建立体系都与西方具有极大差异，甚至古代工匠直接记录在建筑构件上的信息现在大部分已无人能懂。并且，建筑关键结构复杂，节点繁多，且具备古建筑专业知识的测量人员严重缺乏，造成现阶段中国古建筑有大量基本图纸资料依然不完备，已有的图纸也不尽准确，这对于后续的保护、修缮工作以及科学的复建工作都非常不利。
　　因此，现阶段，除了加紧针对中国古建筑的保存技术研究外，有必要寻找新技术对现有古建筑进行快速、准确、完整的信息采集，并尽量进行高精度的痕迹保存。由于古建筑大量的研究价值都存留在历史痕迹和建筑形体本身，所以传统的建筑测量测绘及信息保存技术已经难以满足文物建筑高精度的海量信息存储需求。
　　而计算机和自动化技术的普及则极大地改变了信息采集的方式方法流程。非接触、快速、准确、高效、无人工参与的技术优势，令数字化技术近几年多次出现在文物保护工作当中。其准确且不受采集人员干预的自动采集技术、毫米级乃至微米级的空间几何采集能力，不同程度地契合了文物保护工作中对于文物减少接触、增加信息量的基本需求。而越来越成熟的全自动处理流程，也很好地填补了由于专业人员缺乏所造成的信息采集工作难以展开的难题，是近年来文保工作的最新、最热门的研究方向之一。这些技术也在近几年不断地出现并应用在中国古代建筑的保护修缮领域。
　　1.2文物保护数字化技术内容
　　从技术分类来看，数字化文物保护可大致分为信息采集、信息处理与还原、信息展示等几个大方向，其主要涉及的数字化技术包括以下方面。
　　1.2.1数字化信息釆集技术
　　1.2.1.1三维扫描技术
　　三维扫描是指集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，并具有速度快、精度高的优点，而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高、非接触、使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补，再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大地缩短产品制造周期。
　　三维扫描设备根据采集原理、设备便携程度等有多种分类方法。由于数字化技术不断地跨领域融合，出现了许多复合类技术产品，已经很难用单一分类进行明确划分。不过从文物保护工作角度来讲，其根本需求都是几何空间信息的存留，而不同存留内容主要的区别就是精度、数据量。因此，在本书后续的章节，会从采集原理上对三维扫描进行简单分类，并从实际应用需求的角度进行技术阐述。
　　1.2.1.2近景摄影测量技术
　　近景摄影测量技术是近几年来最为火热且潜力最大的三维信息采集技术，其原理是借助于不同位置的物体照片的角度所造成的图像差异，寻找不同图像间共同特征点，建立空间坐标体系，然后利用后方交会与前方交会法求区内外方位元素，并解析计算出像点在实际位置的地面坐标，进而解析出被测物体的三维模型。该技术属于近年来计算机图形学热门领域中最为成熟和广泛应用的部分。相对于动辄数十万的专业采集硬件设备，这项技术的优势是对于采集设备的低要求（手机摄像头即可）及优秀的色彩表现能力。最常见的对应算法为PMVS和SMVS，分别为通过图像建立定位匹配点，以及通过照片生成浓密点云。
　　但是，由于现实空间的色彩变化非常复杂，而计算机自动空间联想能力和光线适应能力都远远弱于人眼，因此常常在几何细节上产生计算错误，属于一种现阶段在微观层面上不太稳定的三维采集技术。到2019年为止，该技术主要被用来采集对细节尺寸要求不高，且视觉上需要更自然色彩表现的中小型文物信息采集。同时也常常在信息存储环节与三维激光扫描技术相结合，为高精度技术采集的几何信息提供贴图材质。
　　由于近景摄影测量技术操作空间要求低，设备兼容性和范适性好以及非接触、色彩效果逼真的优点，近年来被广泛应用在文物数字化采集保存工作中。并且，由于近景摄影测量技术往往嵌入了LOD多细节层次技术及流式传输技术，现阶段多用于线上文物展示的采集存储流程中。
　　在文保数字化应用中，由于各种技术均有其优势与短板，在近几年的大型项目中往往采用多种类型的数据采集技术协同工作，获取最真实的几何信息和色彩信息（如图1-1)。
　　图1-1多种数字化采集技术协同工作
　　1.2.2数字化信息处理与还原技术
　　1.2.2.1数字融合技术
　　三维扫描几何采集技术可以非接触、高速准确地获取文物的几何信息，但其色彩采集能力较弱，近景摄影测量技术可以获取高逼真度的色彩信息，但三维几何信息采集容易受到色彩变化的影像产生错误，因此数字融合技术是最近两年需求最紧迫，同时也涉及多个学科领域发展的技术方向。
　　数字融合技术要求将三维点云、三角面模型进行坐标匹配、尺寸空间统一、点坐标信息注册、整体框架精度保证，数据烘焙转移等多个技术融合使用，使近景摄影测量获取的三维信息及彩色信息以极少的损失保存在三维几何信息采集获取的点云或模型上，并输出为通用三维格式。近两年来该方向不断涌现新的算法和集成工具，但依然没有一体化流程系统出现。
　　1.2.2.23D打印技术
　　3D打印技术（如图1-2)包括FDM熔融层积成型技术和SLA立体平版打印技术，在文物复制中主要应用的是SLA立体平版打印技术。在文物复制过程中，首先是使用三维数字化技术对文物进行三维数字扫描，使用工业级的SLA高精度3D打印机将文物的三维信息输出以达到文物复制的目的。3D打印机可以精确到0.001微米，从而能够精确复制出文物的细节，辅助文物保护领域的研究工作。
　　图1-2D打印技术
　　1.2.3数字化展示技术
　　三维采集技术可以准确地获取现实世界的几何尺寸信息，但由于海量的成果数据也造成了其应用范围非常狭窄，通常只能从整体数据中心截取部分进行测量分析。这种高度的专业性和极为狭窄的应用场景本应产生数字化文保技术受众面极小、发展缓慢的结果。但是，由于展示应用技术的飞速发展，近10年来，行业发展速度反而越来越快。如果说三维高精度采集是数字化文保可以用于专业保护研究的基础，那么现阶段多种多样，几乎可以乱真的数字呈现技术则弥补乃至拓宽了高精度采集数据的应用范围场景。
　　2010年前，主流民用级CG渲染技术多采用视觉算法模拟，算法不一，计算效率也不相同，且很难反映数字模型在不同光照环境下的不同视觉表现，因此早期的数字展示内容大多充斥着塑料感。2013年，随着新一代次世代游戏主机发布，次世代图像处理也进入标准化阶段，为了模拟真实物体质感，基于物理的PBR(Physically Based Rendering)渲染技术成为主流。在这个统一的渲染架构下，重头开发即时渲染引擎成为了费时费力的选择，业界资源向已经相对成熟的商业制作渲染引擎倾斜，从而赋予了普通人制作数字化展示的能力。利用现阶段次世代GPU强大的图形能力，三维采集技术与数字化展示技术紧密结合，数字展示手段终于摆脱了早先仅仅“形似”的状态，而像“真实”迈进。现如今，新的数字化展示手段已经包含了PBR渲染技术，多达数百万多边形的运算能力，复杂光照、阴影及着色器，以及基于物理的毛发、布料、骨骼、刚体、柔体系统。可以说，现阶段的数字化展示技术已经形成了一个庞大的体系，更像一个高度集成的制作、展示平台。
　　在高度集成的展示手段越来越标准化、统一化的同时，文物的数字化展示手段也在近10年中不断取得突破，基于新图像技术的VR、AR及MR展示技术及设备具有高度的原真性和丰富的互动体验，可以越来越接近于文物的原貌展现，而可以使高精度数字化采集的原真文物数据以文物的最真实的状态和我们最熟悉的样貌展现出来。高还原度，完全取自原貌的仿真系统将推动远程研究与保护的发展，使数字化文物不再只是作为研究工作者的研究内容出现，而更可以通过准确的还原使珍贵文物可以放心的以数字形式推广，提高人民大众整体文物保护意识，满足大众对于精神文明提高的信息获取需求。
　　数字化展示技术从展示引擎上来分，主要分为主流的两大引擎：Unity3D和Unreal4，从展示手段来分，可分为虚拟现实VR、增强现实AR以及混合现实MR。
　　Unity3D：Unity是游戏引擎开发商实时3D互动内容创作和运营平台，包