甘肃科技
Gansu Science and Technology
第36卷第24期
2020年12月
Vol.36 No.24Dec. 2020
王顺仁2，王小伟，巩一璞
（1.国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心，甘肃敦煌736200；2.敦煌研究院，甘肃敦煌736200；
3.甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司，甘肃敦煌736200）
摘要：古代壁画是人类重要的文化遗产，具有极其珍贵的价值％监测是一项重要的预防性保护手段，可以发现壁画 病害变化情况，掌握摸索变化规律％目前壁画的监测方法主要包括：肉眼观察、文字记录和
平面摄影等，壁画病害，如
起甲、酥碱、 的发展是一
的、缓慢的变化过程，采用常规监测方法不能够很好的体现病害的变化％文章尝试
采用3D 设备来发现和监测壁画病害的空间立体变化，通过室内试验，壁画模拟墙和洞窟内现场测，证实了采 用Go! SCAN50结构光3D 扫描仪设备可以监测空鼓、起甲的变化， 0.1mm ，证实3D 扫描技术监测壁
画病害变化的思路是可行的％
关键词：壁画病害；3D 扫描技术；空间立体变化；预防性保护中图分类号:K854.3
1背景介绍
身份证保护套我国现有大量的壁画赋存于古建筑、石窟寺、
墓葬叫 和社会因素的 影响，古代壁画出
现 、空鼓、酥碱、疱疹等多种病害，古代壁
画的保护
是 壁画的现存状态， 和制
止壁画褪变过程，消除安全隐患，保存其完整性425% 如壁画病害
性状态， 要及时对壁画进行修复。判断是否属于活动性病害，目前现有的方 法如观察，文字记录和平面拍摄都不能够真实全面 地反映病害变化，急需一种有效的监测保护措施来 实现。 随着计算机信息技术、机械制造技术的迅速发
展、3D 扫描技术广泛应用于不同行业领域，其能在 短时间内快速获取大量待测目标空间点位信息，建
射的原理获取静态物体表面的海量3D 点云数据， 采用高精度逆向3D 建模及重构技术，以同步获取 目标范围的3D 坐标数据和数码照片的方式快速 获取美容灯
或实景等目标的3D 立体信息， 计算
机重构其3D 数据模型，再现客观事物的实时的、
变化的、真实的形特性，可实现非接触式的测
为物体快速建模和空间变化分析提供了一种新的 工具％
2在文物保护中的应用现状
3D 扫描技术源于国外，国内很多相关院校和科 研院所开展了对3D 扫描技术的理论和应用研究， 实现了通过多传感器对目标断面的数据匹配来获
取被测物表面特征目前3D 扫描设备种类较多， 根据扫描仪使用方式和应用领域又分为手持式、台
式、面以机载扫描仪等，被广泛的应用各 业 中，例如农业、林业、工业、国土测绘、水利水电、设计
制造、 、 、文物保护、 、 ％
在文物保护领域的应用很广泛，主要是对文物表面
信息 数字 ， 数字 ， 文物
模珂建筑测绘、3D 。近年来国许多文物保
护单位 用3D 技术
数字化项目，文物数
字化项目主要有：故宫博物院与日本凸版印刷株式 会社合作的数字故宫项目叫浙江大学开发的敦煌
石窟虚拟漫游与壁画复原 叫秦兵马俑博物馆
与
测遥感中心
的“ 博物：号
坑遗址三维数字建模”项目4:5 %
3 3D 扫描仪技术原理和使用方法分类
3.1 3D 扫描技术原理
3D 技术是
、机、 和计算机技术 一
体的高新技术，利用不同的测原，主要用于对物
基金项目：敦煌研究院院级科研项目（课题编号：2017-KJ-YB-6）
第24期王顺仁等：3D扫描技术在古代壁画病害变化监测方面的应用初探15
体空间外形和结构及彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，创建密集“点云”数据，记录现实世界中物体的几何形状、颜、纹理信息，搜集到的数据被用来进行3D模型构建，越密集的“点云”创建的模型精度越高&同时3D扫描系统可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，直接将各种大型、复杂实体的3D数据完整的采集到计算机中，进而快构被扫描物体的点、、面、体各种几何数据并输出3D模型，而采集到的“点云”数据可以直接入到多个后期作软件进行多种处理工作。
3.23D扫描仪使用方法分类
3D扫描就是对被测物进行全方位扫描，确定被测物的3D坐标测量数据，理、角位移、扫描、定向四个方面。根据3D扫描技术
理研发的坐标、激光3D扫描仪和（结构光（3D扫描仪三种&3D 扫描用接接种，可扫描被扫描
同的 现面用的的扫描是激光扫描仪和结构光扫描仪，都能实现非接扫描，用的理时、
测距、种。
扫描形建构3D 形，对物点，以两个或两个以上的侦测器（电偶组件
件）测量待测物的表面到，激光产的，标点，可的贴片用于扫描空间中用。
构扫描件被表面纹图像，影方向成一定角度，光栅条纹受到被测物表面深度不同的调制，生变化，变形的光栅携带了物体的3D形状信息，用三角函数原理，根据相位与物体空间坐标的转化关系求出物体的3D坐标，还可以获取到待测物的彩信息，利用其彩征点定位&
3.3适用于壁画的3D扫描仪
从三种测距方法优缺点来看，时差测量的距离最长，但精度随着的增加而降低。相位法它是通过对两个间接测量才得到距离值，但是精度最高，适合近、室内的测量&构简单、大、抗干扰、点小（几十微米（、量准确度高，但是会受到光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面征因素的影响，为了提高扫描速度和精度，多数扫描被测物体参照标点，如果有些扫描
物体表面有吸光性质颜、反光、透明都是无法直接扫描的，需要涂抹显影剂，显影剂容易去除，壁画是很珍贵的文物，在对壁画扫描时，贴标记点和涂抹显影剂都是不容许的。此次试验采用了型号为Go! SCAN50构光扫描仪，如图1所示。
图1手持式结构光扫描仪
号码池1.顶部摄像头；
2.白LED；
3.底部摄像头；
4.白光投影仪；
5.彩摄像头；*.触发器
GO!SCAN50构光拍照扫描仪，扫描仪通过向物体表面投射白光形成光栅图案，合上下两个视觉摄像头和一个彩摄像头，来录物体表面信息，采集在整个光图案中完成。案随着扫描对的面形，扫描处扫描点的时可以用征，颜的自然信息创建虚拟目标点，它可以提升几何跟踪能力（与那种贴的目标点（，这样就避免了在壁画表面贴标记点。还能智能混合，保证了数据的准确性，内会阻止采集&扫描可以数彩采集和对
纹理。同时采集过程中，采集会随着操作
充退磁控制器的实时，获得完整的3D数据模型，数据
含纹理和网格&
43D扫描数据采集实验与结果分析实验3D扫描对室内壁画、碱，室外壁画墙、莫高窟窟内壁画病害起甲、疱疹、空，三处的实验操作和数据果，对扫描的精度和可行性进行了证实&
4.1室内壁画病害模拟实验
将模拟试入温，温度
58!，每天对试块进行三次，通过加湿烘干的方，加快颜表面物理度，颜生
16甘肃科技第36卷
微变化时，用3D扫描仪进行数据采集，对数据进行分析。
壁画病害发生形变判断依据是把扫描获取的
3D网格数据运用Geomagic Control或是Geomagic
Warp这类具有3D数据分析功能的软件，对不同时
间扫描采集到的壁画面网格数据进行拟合对比，形
变部位会在3D模型上以不同的谱表示。数据模
型可由软件提供的N点对齐，最佳拟合对齐，坐标
转换等功能对齐，实验中为了确保数据分析的确，拟合时数设置为0.0m m，采样大小100000，检查对称性、高精度拟合、将测试对象的坐标系转化为参考对象的坐标系，统一坐标。壁画的线条和颜信息比较丰富，在统一坐，也可使用N点对齐功能，手动进行数据对齐。
分析结果，据设定好的形变±1mm最小值±0.1m，软件会在3D模型上面以不同颜显现出，表示画面形有发生变化，表示，或是表示，表明形变，见表1，表2。
表1起甲病害变化3D网格数据表
表2酥碱病害变化3D网格数据表
图2起甲病害试块3D对比
图3酥碱病害试块3D对比
2、3病害模拟试第
最3D数据对比，试发生了为的形变，病害试部
起，变化值在0.2~0.8mm之间，上部蓝区域凹陷，变化值在0.1~0.8mm之间，酥碱病害试块黄-红中间部位凸起，变化值在0.2~1mm之间，周边蓝部位凹陷，变化值在0.2~1mm之间。选用KEYENCE VHX-1000型便携式数码显微镜对起甲病害表面微观形貌观察，用的高画质深度合功能进行3D合，测的度为1mm，扫描获取的3D形变数据值相近。
4.2壁画模拟墙实验
试块实验在室内完成相较于真实的壁画来说，它的面积才、，拟合精度高，为了进一步验证选用画模拟墙对扫描仪进行了测试，如图4所示。
图4壁画模拟墙
利用壁画起甲的原理，在颜料中加入浓度较高的胶，可人为制造壁画。对墙面进行扫描时，墙面白颜料较多，且3D结构光扫描仪投射出的也是白光，因光反射的原因，不能很好地测得墙面空间点云数
据。晴天，太阳光会对仪器光感应传感器和摄像头产生干扰，识别效果差。另外壁画彩信息单一，得扫描仪无法精位，会出现扫描数据拼接错乱。为了提高仪器扫描数据的准确性和精
第24期王顺仁等：3D扫描技术在古代壁画病害变化监测方面的应用初探17
度，选择阴天，减弱外界光的干扰，对壁画进行数据采集，如图5所示。
图5壁画模拟墙起甲病害3D彩数据
从实际获取的3D模型数据纹理信息图上发现，两次扫描采集的壁画面分辨率大小是不同的，在拟合对比时出现了图6所示的情况，发生形变的部位较多，两次数据都是同一天内采集完成，从分析结果来看形变过大，数据不准确。
图6两次壁画模拟墙扫描3D数据1mm偏差值对比为了验证其问题，在模拟墙面上粘贴了多个参
照标记点，通过导出两次标记点坐标值，发现3D扫描在采集数据的过程中是移动的，扫描的起始位置和机器的视角不同。计算控制器通过参和颜信息的坐标值进行计算，每次光图案返回的距离值因仪器角度的不同，的壁画面3D 空间坐标数据为仪器角的影响而不同㈣，同时扫描获取的界，在数据理，界为，从数据分析结果出，采集到的3D数据拟合较大。
把贴标记点获取的3D数据利用N对齐和最拟合对多次对，界
为±1mm，最小值设置为±0.1mm，分析结果如图7所示，两次3D模型数据拟合较大小同，
的形变，如图7所示。
图7墙面贴标记点后3D数据对比
在壁画面贴扫描，在实际壁画数据扫描采集时，参是不在壁画面粘贴的，因该点具有粘，取下时会对壁画造成人为。为减小器扫描角度所产生的误差因素，器在上面，光
支架的，墙距离、进行数据采集。
扫描器视角内的壁画，大
的壁画位来完成采集，大误差，如图8所示，采集的3D数据拟合度要
况下。
图8固定状态下3D扫描数据对比
4.3洞窟壁画扫描实验
完成室内、室外测试实验后，对设备的性能以都了清楚的认识。在实际应用中选取了莫高窟第12窟壁画起甲、疱疹和第354窟空鼓病害进行了实质的探索研究。洞窟内的环境光线暗，扫描时避免了外界
的光源对扫描仪镜头的干扰，扫描发出的是白光，能清晰的照亮壁画表面，仪器根据壁画表面视觉信息反馈，自动快门调节，对壁画彩和纹理信息数据进行采集，如图9所示。
图9莫高窟第12窟南壁起甲病害局部
将3D偏差阈值设置为±1mm，将两种操作方式下扫描到的洞窟壁画病害3D数据进行了分析。移动扫描时，扫描的较大，其数据受仪器视角的，不能完美的拟合，两次数据拟合形成了夹角。三角扫描仪时，采集的位，仪器视野下的扫描画面大小相对，仪器视角减小，数据拟合分析速度快，准确，如图10所示
。
18
甘肃科技
第36卷
折叠收纳箱
图莫高窟第
ac-M
PM5 J S H
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图11莫高窟第12窟南壁起甲固定状态下相隔半
年采集的3D 扫描数据对比
对比莫高窟第12窟南壁起甲间隔半年数据，从
图11中可看到，下部浅蓝部位的壁画面要低于原
始画面，有轻微的形变，形变值在0.1mm 范围内，如 图12所示。
图12莫高窟第12窟前室西壁北侧疱疹病害
在对疱疹病害进行扫描时，由于壁画面凹凸 不平，每个凸起的疱疹点都会形成零散的面，移
动状态扫描时，因仪器角度的不同，疱疹点的遮 挡，对数据采集造成较大干扰。 状态下，数据
，最终的数据结果如图13、图14
所示，变化的点太多，该扫描仪不适用于这类面变
化多的病害。
图13 莫高窟第12窟前室西壁北侧疱疹病害移动状态
下 3D 扫描数据分析
图14莫高窟第12窟前室西壁北侧疱疹病害固定
脱模剂原料
状态下3D 扫描数据分析
莫高窟第354窟空鼓壁画病害3D 数据分析结 果和莫高窟第12窟一样。移动状态下，前后两次数
据
度较低， 状态下 度较高。如图15，图
16所示。
图15 莫高窟第354窟东壁北侧壁画空鼓
BffiM •*t £Al E G It%
*A H 0图16 莫高窟第354窟东壁北侧壁画空鼓病害固定状
态下3D 扫描数据分析
图17 莫高窟354窟东壁北侧空鼓壁画病害固定状态
下相隔半年采集的3D
扫描
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