蔡司3D掃描儀：如何用十億點云數(shù)據(jù)“重建“巴黎圣母院？

當(dāng)?shù)貢r間2019年4月15日傍晚，法國巴黎圣母院突發(fā)大火，標(biāo)志性塔尖坍塌，整座建筑損毀嚴(yán)重。如何重建這座歷經(jīng)800多年風(fēng)雨的大教堂成為人們目前關(guān)心的話題。

△圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

好消息是，美國瓦薩學(xué)院藝術(shù)史教授安德魯·塔隆(Professor Andrew J. Tallon)，利用激光掃描技術(shù)全面掃描了巴黎圣母院并進(jìn)行了數(shù)字化的保存，這或?qū)�為重建提供依�?jù)。據(jù)《光明日報》引用美國《國家地理雜志》的報道稱，安德魯·塔隆專攻哥特式建筑的藝術(shù)史，他首次利用激光掃描技術(shù)深入研究了巴黎圣母院的結(jié)構(gòu)，并將搜集完的數(shù)以十億計的光點放在三維圖像里，畫上線條，然后再和實地拍攝的全景照片結(jié)合，經(jīng)過上色、加光影效果等步驟，建立非常逼真準(zhǔn)確的巴黎圣母院三維模型。

△圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

據(jù)專家介紹，三維激光掃描技術(shù)為文物的修繕、復(fù)原提供了可靠的技術(shù)支撐。它速度快、質(zhì)量高、信息豐富、屬于看到即可的非接觸式測量，有益地保護(hù)了被測文物。其高精度的點云數(shù)據(jù)能為古建筑保護(hù)研究建立完整、準(zhǔn)確、永久的數(shù)字檔案，并在此基礎(chǔ)上重建已經(jīng)不存在的、或者被毀壞的歷史遺跡，再現(xiàn)文物原貌。這項技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上免除了文物損壞、消失后的“后顧之憂”。

維爾茨堡大學(xué)哲學(xué)院也將這項技術(shù)使用在埃及挖掘現(xiàn)場。通過利用ZEISS COMET掃描儀來記錄和評估考古發(fā)現(xiàn)。

3D數(shù)據(jù)打開新知識的大門
長久以來，維爾茨堡大學(xué)一直在反復(fù)思考是否要啟用光學(xué)測量設(shè)備。通過市場調(diào)研他們發(fā)現(xiàn)ZEISS COMET掃描儀較符合他們的要求，特別是其便攜性和緊湊性�！�

我們的選擇在實踐工作中得到了驗證：維爾茨堡大學(xué)的博物館內(nèi)有一批古董收藏品，其中包括陳列的希臘花瓶。“將這些收藏品數(shù)字化的難度頗高，因此我們在選擇時要求掃描儀廠商證明其設(shè)備具備應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的能力�！薄帮@然，ZEISS COMET掃描儀比較符合我們的要求，特別是它的便攜性和緊湊性�！� 維爾茨堡大學(xué)哲學(xué)院IT部門經(jīng)理Johannes Väthjunker說到。

“花瓶高反光黑色部分的測量工作相當(dāng)棘手，但蔡司3D掃描儀憑借優(yōu)異的性能實現(xiàn)了精確測量。”這一切都?xì)w功于其高光強度和快速攝像的優(yōu)勢。即使在嚴(yán)苛條件下，該系統(tǒng)也能提供準(zhǔn)確的3D數(shù)據(jù)。維爾茨堡深信其做出了正確的選擇。

2017年3月，這款緊湊便攜的3D掃描系統(tǒng)在埃及埃德夫神廟成功通過了首次重要應(yīng)用測試�！吧駨R的屋頂仍然完好，內(nèi)殿房屋大致保存完整，從理論上而言這些都為掃描工作提供了有利條件。但是，神廟地面上用于給游客照明的熒光燈造成了一定程度的障礙，”負(fù)責(zé)指揮埃德夫神廟挖掘工作的維爾茨堡大學(xué)埃及古物學(xué)教授Martin Stadler表示。

在十天的時間內(nèi)，Martin及其團隊對神廟內(nèi)一間大小為5x5米，高約9米的房屋進(jìn)行了3D數(shù)據(jù)采集工作。墻上布滿了描繪儀式場景的平浮雕和象形銘文。整體裝飾紛繁復(fù)雜，由能工巧匠繪制。“借助ZEISS COMET掃描儀，不僅實現(xiàn)對房間的準(zhǔn)確測量，而且提供包含浮雕準(zhǔn)確信息的數(shù)據(jù)集，”Stadler說道。

這些數(shù)據(jù)可用于確定各個組成部分的準(zhǔn)確高度以及完成了多少工作。過去僅能通過拍照留存，但是現(xiàn)在高度準(zhǔn)確的3D數(shù)據(jù)開辟了全新的可能性。Stadler說道“我相信這些數(shù)據(jù)能夠為我們提供特定考古問題的答案，幫助我們確定不同浮雕制作的時間，甚至確定它們是在什么世紀(jì)完成�！�

這將是探索神廟的一個重要進(jìn)步，因為直到現(xiàn)在，我們僅能使用示意圖進(jìn)行工作。銘文上的內(nèi)容只能采用印刷象形文字再現(xiàn)這些元素�！斑@非常遺憾，因為神廟建造的時期，即公元前237和57年間，象形文字進(jìn)化不少。細(xì)節(jié)對于文字了解非常重要�！�

從3D數(shù)據(jù)到3D打印
“理想情況下，我們將能創(chuàng)建整個神廟的3D掃描，并從其它類似神廟獲得相同數(shù)據(jù)以作比較。這將推動諸多考古調(diào)查�！盡artin教授對未來充滿希望：“我們甚至可以在3D打印中使用3D數(shù)據(jù)。換言之，我們能在博物館中再現(xiàn)神廟的浮雕和關(guān)鍵場景，或者在學(xué)生展覽中展示它們。例如，我們可以嘗試對已褪色許久的顏色進(jìn)行恢復(fù)�！蓖ㄟ^現(xiàn)代技術(shù)嘗試將原始浮雕中缺少元素復(fù)原并制作成3D模型

尼羅河沿岸的極端條件
ZEISS COMET的使命遠(yuǎn)未結(jié)束。沿著尼羅河一路向下前往Zagazig小村莊。在那里，維爾茨堡大學(xué)埃及古物學(xué)術(shù)委員Eva Lange博士正等著與團隊會面。她領(lǐng)導(dǎo)這里的挖掘工作，但在測量中遇到了一些難題。這是一個截然不同的任務(wù)：現(xiàn)在團隊面臨的是毀壞的神廟，這意味著許多浮雕散落在現(xiàn)場附近，并可能遭到了一定的破壞。

“我熟悉3D掃描方法，因為當(dāng)我們與另一測量師在這里工作時已經(jīng)獲取3D數(shù)據(jù)，當(dāng)時也使用了蔡司設(shè)備，它為我們的工作提供了便利，”Lange說道。

挖掘現(xiàn)場的實際情況比埃德夫神廟更加復(fù)雜：氣候不僅對石塊表面造成嚴(yán)重?fù)p壞，而且增加了工作難度。強烈的陽光使得在沒有帳篷的情況下根本無法進(jìn)行掃描。此外，當(dāng)?shù)氐膹婏L(fēng)使得團隊在大多數(shù)時間無法在室外工作。惡劣的環(huán)境不僅會影響測量結(jié)果，還有可能造成人員傷害，所以當(dāng)?shù)丶夹g(shù)專家Johannes Väthjunker想出了一條權(quán)宜之計：在大篷車中掃描細(xì)小部分。

但是由于挖掘現(xiàn)場靠近通過城市的主干道，每當(dāng)卡車經(jīng)過時，我們需要應(yīng)對由此引起的振動，此時ZEISS colin3D數(shù)據(jù)捕獲軟件的振動檢測功能提供了很大的幫助，及時檢測并發(fā)現(xiàn)不精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

在Zagazig工作期間使用3D掃描儀的主要優(yōu)勢在于，它能通過掃描的浮雕塊虛擬重建神廟的各個部分。這意味著團隊能“重新利用”許多浮雕塊。換言之，并不是掃描完整的墻，而是將各個浮雕置于一些較老的雕像或結(jié)構(gòu)元素上方�！澳崃_河三角洲沒有采石場，在建造神廟的公元前一世紀(jì)初，埃及統(tǒng)治者開始限制進(jìn)入尼羅河谷的采石場。這也是他們使用老神廟和雕塑的原因。將老神廟和雕塑拆毀，拆毀后的光滑平面覆蓋著浮雕，然后再重復(fù)利用的石塊砌筑，”Eva Lange博士解釋說。

未來的遠(yuǎn)大計劃

這些情況使得重建神廟十分復(fù)雜，部分原因在于一些重達(dá)幾噸的石塊�！霸陔娔X屏幕上重建神廟則容易得多，因為我們可以看到哪些元素融合在一起，再數(shù)字化世界我們將其變?yōu)楝F(xiàn)實。捕獲3D數(shù)據(jù)意味著我們可以重建石塊不同側(cè)的所有浮雕，并了解它們制作的時間。然后，我們會向公眾展示石塊是如何裝飾以及它們是如何融合在一起。”

我們還將測量約1,000塊Tell Basta神廟石塊，其中一些長寬皆達(dá)數(shù)米�！拔覀兊谝患�要做的事情是搭建一個足以裝下它們的帳篷。我們需要不斷調(diào)整我們的設(shè)備，從而能夠更準(zhǔn)確掃描他們，”Johannes Väthjunker解釋道。

“憑借ZEISS COMET提供的快速測量使我們能一天完成一塊石頭的測量任務(wù)�！钡�是即使按照這樣的速度，整個測量工作仍將花費許久的時間。

不論如何，在維爾茨堡大學(xué)，人們都對蔡司3D掃描技術(shù)所提供的高質(zhì)量測量結(jié)果感到震撼。蔡司3D掃描系統(tǒng)即使在惡劣的環(huán)境條件下也能提供出色的數(shù)據(jù)質(zhì)量。這也是計劃啟動多個歷史建筑和文物3D數(shù)字化項目的原因，并有望提供新發(fā)現(xiàn)和經(jīng)驗�！拔覀兎浅Ｆ诖�蔡司的又一次創(chuàng)新�！�