广元千佛崖石窟造像保护修复方案三维扫描测绘记录与高清照相记录

广元千佛崖石窟造像地震灾害评估及主要石窟保护修复方案 西安文物保护修复中心 53 十二个重点窟龛的保护修十二个重点窟龛的保护修 三维扫描测绘记录与高清照相记录三维扫描测绘记录与高清照相记录 一 一 不可移动文物保护原则不可移动文物保护原则 文物是文明古国的重要象征 他具有很高的艺术 精神 研究 欣赏 历史价值 文物 是祖先留给我们的无价之宝 是金钱买不到的 经过多少年的风风雨雨和战乱 流传 至今的文物相对来说已经不多了 而且随着时间的推移 能够留传于世的文物会越来 越少 所以文物十分珍贵 日用品坏了 可以再生产制造 文物却不同 它不能再生 产 再生产出的东西不是文物 是仿制品或赝品 是没有任何文物价值的 文物一旦 损坏 就永远不能复原 没有众多的文物史迹 文明古国也就名存实亡 失去其传统 的风采和内涵 不可移动文物更是不可再生的文化资源 受到世界各国的普遍重视 且随社会发 展和文明程度提高而备受关注 我国 年 月 日中国国务院颁布了 文物保 护管理暂行条例 条例共 条 主要内容有 规定了与重大历史事件 革命运动和 重要人物有关的 具有纪念意义和史料价值的建筑物 遗址 纪念物等 具有历史艺 术科学价值的古文化遗址 古墓葬 古建筑 石窟寺 石刻等 反映各时代社会制度 社会生产和社会生活的代表性实物受国家保护 规定了分级公布文物保护单位 规定 了在古建筑 石窟寺等 包括建筑物的附属物 进行修缮 保养的时候 必须遵守恢 复原状或者保存现状的原则 规定了文物保护单位中的古建筑 纪念建筑除可以建立 博物馆 保管所或辟为参观游览场所外 须作其他用途应经批准 文物保护单位的使 用单位要严格遵守不改变文物原状的原则 年 月 日 全国人民代表大会颁布 中华人民共和国文物保护法 其中第十四条规定 核定为文物保护单位的革命遗址 纪念建筑物 古墓葬 石窟寺 石刻等 包括建筑物的附属物 在进行修缮 保养 迁移的时候 必须遵守不改变文 物原状的原则 第十五条规定 这些单位以及专设的博物馆等机构 都必须严格遵守 不改变文物原状的原则 负责保护建筑物及附属文物的安全 不得损毁 改建 添建 或者拆除 年 月 日全国人民代表大会常务委员会通过新 中华人民共和国 文物保护法 重申 对不可移动文物进行修缮 保养 迁移 必须遵守不改变文物原 状的原则 第二十一条规定对不可移动文物进行修缮 保养 迁移 必须遵守的原则 二 二 石窟文物现状信息记录的意义石窟文物现状信息记录的意义 石窟文物的主流 是佛教文化的遗存 除了本身所蕴含的宗教 美术 雕塑 建 筑等文化内涵外 石窟还包含着当时社会政治 经济 文化 交通 医药 地理 书 法 民俗等丰厚的历史信息 在我国文物资源当中占有特殊的重要地位 与时间 空 间 人有着密切的联系 我们可以从文物所经历的动态社会环境和动态物理环境来认 识它 一件文物从产生 被人使用 到衰老 消亡的各种历史文化信息构成了其生存 的社会环境 动态物理环境比如文物经历的不同地域 不同人使用对其物理性质的影 响 文物经历的不同物理干涉行为等 在联系中 在文物所处的动态社会环境和动态 物理环境中 我们才能够正确的认识一件文物的文化价值和文物的物理生存状况 从 而正确地认识文物 在认识文物的同时 应对认识到的各种信息进行记录 这是对文 物认识的一种语言表述 如物理信息表述可记录文物的尺寸 材料 物理特性等宏观 可见的信息和组成元素 微观结构等分析可知的各种信息 以及前人对文物的干涉处 理情况等 石窟群文物 历经千年风雨 本身状况已十分脆弱 任何一处文物的损毁 文物信息量的丢失 都是无可挽回的损失 会造成研究人员无法解读历史 更无法为 子孙探寻历史给予佐证 祖先留下的宝贵遗产 在我们这代人手中 不但要管理好 利用好 更要保存好 因此 我们必须肩负起我们的责任认真保护好祖先留下的遗产 文物现状分析是保护文物的基础 通过对文物现状分析认识文物的内涵 正确的认识 一件文物的文化价值和文物的物理生存状况 从而正确地认识文物 只有正确地认识 了文物才能做出正确的保护方案 在认识文物的同时 应对认识到的各种信息进行记 录 这是对文物认识的一种语言表述 如物理信息表述可记录文物的尺寸 材料 物 理特性等宏观可见的信息和组成元素 微观结构等分析可知的各种信息 以及前人对 文物的干涉处理情况等 这种记录对文物的保护经历和后来的保护者是很有价值的 文物是有生命的 它有着与人一样丰富的经历 不同时间 不同地点与人发生着不同 的事件 因此 我们同样可以给文物写传记 记载其丰富多彩的历史经历和文化信息 为后人留下珍贵的资料 三 三 石窟文物现状信息记录的方法石窟文物现状信息记录的方法 广元千佛崖石窟造像地震灾害评估及主要石窟保护修复方案 西安文物保护修复中心 54 文物遗迹在长期的保存过程中无法避免自然消亡的规律 同时在考古发掘和保护 过程中 遗址中一些重要的迹象因为考古的需要也被有计划的去除 传统的方法是使 用绘图 照相 摄像和文字记录等手段记录遗迹 遗址的几何信息和三维形态 很难 做到十分精确 无法为后来的研究 展示等提供必要的资料 我们采用三维激光扫描技术获得文物的精确物理数据 采用高清晰度数字照相方 式获得文物图像 建立高精度数字模型 保存文物的原始状态数据 供研究人员在日 后对损坏文物进行修复 再现文物全貌使用 并能在虚拟环境中再现或真实重现文物 当时的状况 为虚拟研究和展示提供必要条件 对于千佛崖石窟现状我们依然采用三维激光扫描技术测绘与高清照相记录的方法 记录现状信息 三维激光扫描技术三维激光扫描技术就是用三维激光扫描仪对物体进行扫描 建立起精度达毫米级 的三维数字模型 实现在模型上的真实测量和观众对遗址多角度 多方位的全面观察 是现今世界上最先进的非接触测量方法 是集光 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 且具有速度快 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 定义 通过激光测距原理 包括脉冲激光和相位激光 瞬时测得空间三维坐 标值的测量仪器 特点 1 三维测量 传统测量概念里 所测的的数据最终输出的都是二维结果 如CAD 出图 在现在测量仪器里全站仪 GPS 比重居多 但测量的数据都是二维形式的 在 逐步数字化的今天 三维已经逐渐的代替二维 因为其直观是二维无法表示的 现 在的三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X Y Z 点的信息 还包括 R G B 颜色信息 同时还有物体反色率的信息 这样全面的信息能给人一种物体在电脑里 真实再现的感觉 是一般测量手段无法做到的 2 快速扫描 快速扫描是扫描仪诞生产生的概念 在常规测量手段里 每一点的测量费时都 在 2 5 秒不等 更甚者 要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量 在数字化的今 天 这样的测量速度已经不能满足测量的需求 三维激光扫描仪的诞生改变了这一 现状 最初每秒 1000 点的测量速度已经让测量界大为惊叹 而现在脉冲扫描仪最 大速度已经 超过 50000 点每秒 相位式扫描仪最高速度已经 超过点每秒 这是三 维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证 3 应用领域广泛 作为新的高科技产品 三维激光扫描仪已经成功的在文物保护 城市建筑测量 地形测绘 采矿业 变形监测 工厂 大型结构 管道设计 飞机船舶制造 公路 铁路建设 隧道工程 桥梁改建等领域里应用 三维激光扫描仪 其扫描结果直接 显示为点云 pointcloud 意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果 依据点云能够提取任何你想得到的信息 传统方法测量石刻佛像主要是量出佛像重要部位尺寸 绘制平面 立面和剖面图 标注残损 病害 此种方法只能得到一个大概形象 很多现状信息被遗漏 尤其是物 理尺寸大量遗漏 广元千佛崖石窟造像地震灾害评估及主要石窟保护修复方案 西安文物保护修复中心 55 现在还有一些测量方法是在被测物体上贴标靶点再测量这些标靶点的三维坐标 建立物体的三维模型 这种方法首先要在物体上贴成千上万个标靶点费时费力 得到的数据也只有贴了 标靶点处的坐标 精度完全取决于贴标靶点的多少和大小 而三维扫描仪能在不到 1 分钟时间内扫描周围环境 8 百万像素 一站扫描 十几 分钟 就能取得几千万个有效空间点 减少了现场捕捉数据所需时间 增加效率和数 据采集的收益性 此次千佛崖十二个重点窟龛的扫描我们拟采用 FARO SCANNER LS 大空间三维激 光扫描系统 这套系统是世界上最先进的相位式三维激光扫描系统 其特点及优势 扫描速度快 精度达到 1 毫米以内 产生三维黑白图像 每一个像素均有 X Y Z 坐 标 测量数据也非常方便 可以在点云图中或三维物体中直接测量 这些尺寸可用于 生成精确的 CAD 模型 每个窟龛通过几到几十站扫描便可以记录下基本完整的现状信 息 如尺寸 残损等 以下是大云洞三维扫描结果示例 广元千佛崖石窟造像地震灾害评估及主要石窟保护修复方案 西安文物保护修复中心 56 大云洞全景扫描 大云洞局部扫描 大云洞局部扫描 测量尺寸 二维高清晰数字摄影二维高清晰数字摄影 二维高清晰数字化图像的现场拍摄和后期计算机拼接处理 在中国古代石窟 寺 庙 建筑中都保存着大型泥塑 石刻或壁画 由于石窟 古代建筑的特殊结构和布局 广元千佛崖石窟造像地震灾害评估及主要石窟保护修复方案 西安文物保护修复中心 57 使其内部存世的泥塑 石刻 壁画的二维平面图像拍摄存在不少的难点 以至这些珍 贵的文物没有整体的和局部的高清晰图像资料 其实 类似于泥塑 石刻 壁画这样的摄影 不仅仅是光圈 焦距的等摄影技术 问题 最难的是这些泥塑 石刻 壁画都是随着石窟 建筑的几何形状而变化 要保 持原画的几何形状几乎很难 首先 你无法和壁画处于同一水平高度 其次 相机镜 头的物理特性必然要造成部分几何变形 避免镜头造成变形的最好方法是离开目标的 距离要足够远 但这样一来照片的清晰度就很难保证 大多数情况因石窟 建筑物里 尺寸的限制 无法离开目标的距离足够远 所以现在拍摄此类物体大都采用以下步骤 使用位置分类法 按照泥塑 石刻 壁画所在位置把泥塑 石刻 壁画分割 成普通和垂直转折处两类 按照泥塑 石刻 壁画测绘结果 采用分辨率计算法确定拍摄计划 即分辨 率达到每毫米 像素 则每幅照片的覆盖范围为 米 当壁 画的尺寸为 米 米 那么 这幅壁画需要拍摄 行 列 对于拍摄的每张照片在表格上记录 位置 序号 卡号 照相机 快门 镜 头 光圈 距地距离 距墙距离 灯光 目录等 使用白板拍摄的方法调整闪光灯 即用一张白板 放在照相机视野的左部 右部 上部 各拍摄一张 根据拍摄结果调整闪光的方向 制作拍摄平台进行拍摄 保证相机平行和垂直移动时与被拍摄物等距离等角 度 在拍摄并备份好照片以后 使用计算机图像处理软件对拍摄好的照片进行图像拼 接处理 通过营造良好的自然光照效果 制作的 360 度虚拟漫游 使参观及浏览研究 有身临其境的感觉 极大地扩展和充实了文物专家 保护专家研究的资料信息量 提 高了研究的科学性 准确性 本次在千佛崖大云洞进行的试拍摄过程中 因时间 人力 设备等方面的原因 我们没有铺设轨道和制作拍摄平台 所以拍摄的结果差强人意 这也说明在正式拍摄 时必须严格执行以上步骤来不得半点马虎 以下是大云洞二维高清晰数字摄影结果示例 广元千佛崖石窟造像地震灾害评估及主要石窟保护修复方案 西安文物保护修复中心 58 由四张照片拼合的弥勒佛立像 局部放大图 关于对千佛崖十二个重点窟龛三维扫描和二维高清晰数字摄影应该注意问题和经关于对千佛崖十二个重点窟龛三维扫描和二维高清晰数字摄影应该注意问题和经 费预算费预算 千佛崖十二个重点窟龛大小形态各异 尤其是几个较小的窟龛中间佛像与窟龛 后壁间只有几十公分 扫描和拍摄的难度都很大 需要准备一些小型化的特别 设备 此次试拍摄我们准备的设备远远不足 需要小型化的三脚架 广元千佛崖石窟造像地震灾害评估及主要石窟保护修复方案 西安文物保护修复中心 59 需要制作拍摄平台固定相机 闪光灯的位置 铺设规定 拍摄空间很小的地方需 要更小型化的照明设备 保证扫描仪和相机能 看 到窟龛的各个角落 保证信 息记录的完整 无遗漏 扫描设备的选取 兼顾扫描精度和速度的结合 现在扫描仪的精度已经达到微 米级 但这些扫描仪每次扫描的范围很小 一般是几百平方厘米 扫描时间 为十几到几十分钟不等 如果选择用此种扫描仪千佛崖十二个重点窟龛扫描的 工作量将是巨大的 所以我们选用相位式大空间三维激光扫描系统 扫描精度 在十米内小于 毫米 米内小于 毫米 最大扫描范围超过 米 每站 一般扫描不超过十分钟 高精度扫描不超过 分钟 精度完全能满足要求 又能在有限的时间内完成现场数据采集工作 拍摄设备的选取 相机必须选择 千万像素以上的专业数码相机 镜头选取大 光圈标准定焦头 以提高拍摄精度和减小变形 灯光采用冷光源与闪光灯相结 合的方法 闪光灯不允