蔡司3D掃描儀：如何用十億點(diǎn)云數(shù)據(jù)“重建“巴黎圣母院？

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年4月15日傍晚，法國(guó)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(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

好消息是，美國(guó)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?qǐng)?bào)》引用美國(guó)《國(guó)家地理雜志》的報(bào)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(jì)的光點(diǎn)放在三維圖像里，畫(huà)上線條，然后再和實(shí)地拍攝的全景照片結(jié)合，經(jīng)過(guò)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(lái)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(cè)量，有益地保護(hù)了被測(cè)文物。其高精度的點(diǎn)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(xiàng)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(xiàng)技術(shù)使用在埃及挖掘現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)利用ZEISS COMET掃描儀來(lái)記錄和評(píng)估考古發(fā)現(xiàn)。

3D數(shù)據(jù)打開(kāi)新知識(shí)的大門(mén)
長(zhǎng)久以來(lái)，維爾茨堡大學(xué)一直在反復(fù)思考是否要啟用光學(xué)測(cè)量設(shè)備。通過(guò)市場(chǎng)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(shí)踐工作中得到了驗(yàn)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?cè)谶x擇時(shí)要求掃描儀廠商證明其設(shè)備具備應(yīng)對(duì)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(mén)經(jīng)理Johannes Väthjunker說(shuō)到。

“花瓶高反光黑色部分的測(cè)量工作相當(dāng)棘手，但蔡司3D掃描儀憑借優(yōu)異的性能實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量�！边@一切都?xì)w功于其高光強(qiáng)度和快速攝像的優(yōu)勢(shì)。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(guò)了首次重要應(yīng)用測(cè)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(shí)間內(nèi)，Martin及其團(tuán)隊(duì)對(duì)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(chǎng)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�！敖柚鶽EISS COMET掃描儀，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)房間的準(zhǔn)確測(cè)量，而且提供包含浮雕準(zhǔn)確信息的數(shù)據(jù)集，”Stadler說(shuō)道。

這些數(shù)據(jù)可用于確定各個(gè)組成部分的準(zhǔn)確高度以及完成了多少工作。過(guò)去僅能通過(guò)拍照留存，但是現(xiàn)在高度準(zhǔn)確的3D數(shù)據(jù)開(kāi)辟了全新的可能性。Stadler說(shuō)道“我相信這些數(shù)據(jù)能夠?yàn)槲覀兲峁┨囟�考古�?wèn)題的答案，幫助我們確定不同浮雕制作的時(shí)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(gè)重要進(jìn)步，因?yàn)橹钡浆F(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。“這非常遺憾，因?yàn)樯駨R建造的時(shí)期，即公元前237和57年間，象形文字進(jìn)化不少。細(xì)節(jié)對(duì)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(gè)神廟的3D掃描，并從其它類(lèi)似神廟獲得相同數(shù)據(jù)以作比較。這將推動(dòng)諸多考古調(diào)查�！盡artin教授對(duì)未來(lái)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(chǎng)景，或者在學(xué)生展覽中展示它們。例如，我們可以嘗試對(duì)已褪色許久的顏色進(jìn)行恢復(fù)�！蓖ㄟ^(guò)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(tuán)隊(duì)會(huì)面。她領(lǐng)導(dǎo)這里的挖掘工作，但在測(cè)量中遇到了一些難題。這是一個(gè)截然不同的任務(wù)：現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)面臨的是毀壞的神廟，這意味著許多浮雕散落在現(xiàn)場(chǎng)附近，并可能遭到了一定的破壞。

“我熟悉3D掃描方法，因?yàn)楫?dāng)我們與另一測(cè)量師在這里工作時(shí)已經(jīng)獲取3D數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)也使用了蔡司設(shè)備，它為我們的工作提供了便利，”Lange說(shuō)道。

挖掘現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況比埃德夫神廟更加復(fù)雜：氣候不僅對(duì)石塊表面造成嚴(yán)重?fù)p壞，而且增加了工作難度。強(qiáng)烈的陽(yáng)光使得在沒(méi)有帳篷的情況下根本無(wú)法進(jìn)行掃描。此外，當(dāng)?shù)氐膹?qiáng)風(fēng)使得團(tuán)隊(duì)在大多數(shù)時(shí)間無(wú)法在室外工作。惡劣的環(huán)境不僅會(huì)影響測(cè)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(jì)：在大篷車(chē)中掃描細(xì)小部分。

但是由于挖掘現(xiàn)場(chǎng)靠近通過(guò)城市的主干道，每當(dāng)卡車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，我們需要應(yīng)對(duì)由此引起的振動(dòng)，此時(shí)ZEISS colin3D數(shù)據(jù)捕獲軟件的振動(dòng)檢測(cè)功能提供了很大的幫助，及時(shí)檢測(cè)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(shì)在于，它能通過(guò)掃描的浮雕塊虛擬重建神廟的各個(gè)部分。這意味著團(tuán)隊(duì)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(gè)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(méi)有采石場(chǎng)，在建造神廟的公元前一世紀(jì)初，埃及統(tǒng)治者開(kāi)始限制進(jìn)入尼羅河谷的采石場(chǎng)。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(shuō)。

未來(lái)的遠(yuǎn)大計(jì)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?yàn)槲覀兛梢钥吹侥男┰�素融合在一起，再�?shù)字化世界我們將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。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(shí)間。然后，我們會(huì)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(cè)量約1,000塊Tell Basta神廟石塊，其中一些長(zhǎng)寬皆達(dá)數(shù)米�！拔覀兊谝患�要做的事情是搭建一個(gè)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(cè)量使我們能一天完成一塊石頭的測(cè)量任務(wù)�！钡�是即使按照這樣的速度，整個(gè)測(cè)量工作仍將花費(fèi)許久的時(shí)間。

不論如何，在維爾茨堡大學(xué)，人們都對(duì)蔡司3D掃描技術(shù)所提供的高質(zhì)量測(cè)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(jì)劃啟動(dòng)多個(gè)歷史建筑和文物3D數(shù)字化項(xiàng)目的原因，并有望提供新發(fā)現(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)�！拔覀兎浅Ｆ诖�蔡司的又一次創(chuàng)新�！�