蔡司3D扫描仪：如何用十亿点云数据“重建“巴黎圣母院？

当地时间2019年4月15日傍晚，法国巴黎圣母院突发大火，标志性塔尖坍塌，整座建筑损毁严重。如何重建这座历经800多年风雨的大教堂成为人们目前关心的话题。

△图片来源于网络

好消息是，美国瓦萨学院艺术史教授安德鲁·塔隆(Professor Andrew J. Tallon)，利用激光扫描技术全面扫描了巴黎圣母院并进行了数字化的保存，这或将为重建提供依据。据《光明日报》引用美国《国家地理杂志》的报道称，安德鲁·塔隆专攻哥特式建筑的艺术史，他首次利用激光扫描技术深入研究了巴黎圣母院的结构，并将搜集完的数以十亿计的光点放在三维图像里，画上线条，然后再和实地拍摄的全景照片结合，经过上色、加光影效果等步骤，建立非常逼真准确的巴黎圣母院三维模型。

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据专家介绍，三维激光扫描技术为文物的修缮、复原提供了可靠的技术支撑。它速度快、质量高、信息丰富、属于看到即可的非接触式测量，有益地保护了被测文物。其高精度的点云数据能为古建筑保护研究建立完整、准确、永久的数字档案，并在此基础上重建已经不存在的、或者被毁坏的历史遗迹，再现文物原貌。这项技术的应用在很大程度上免除了文物损坏、消失后的“后顾之忧”。
维尔茨堡大学哲学院也将这项技术使用在埃及挖掘现场。通过利用ZEISS COMET扫描仪来记录和评估考古发现。

3D数据打开新知识的大门
长久以来，维尔茨堡大学一直在反复思考是否要启用光学测量设备。通过市场调研他们发现ZEISS COMET扫描仪较符合他们的要求，特别是其便携性和紧凑性。”

我们的选择在实践工作中得到了验证：维尔茨堡大学的博物馆内有一批古董收藏品，其中包括陈列的希腊花瓶。“将这些收藏品数字化的难度颇高，因此我们在选择时要求扫描仪厂商证明其设备具备应对这一挑战的能力。”“显然，ZEISS COMET扫描仪比较符合我们的要求，特别是它的便携性和紧凑性。” 维尔茨堡大学哲学院IT部门经理Johannes Vthjunker说到。
“花瓶高反光黑色部分的测量工作相当棘手，但蔡司3D扫描仪凭借优异的性能实现了精确测量。”这一切都归功于其高光强度和快速摄像的优势。即使在严苛条件下，该系统也能提供准确的3D数据。维尔茨堡深信其做出了正确的选择。

2017年3月，这款紧凑便携的3D扫描系统在埃及埃德夫神庙成功通过了首次重要应用测试。“神庙的屋顶仍然完好，内殿房屋大致保存完整，从理论上而言这些都为扫描工作提供了有利条件。但是，神庙地面上用于给游客照明的荧光灯造成了一定程度的障碍，”负责指挥埃德夫神庙挖掘工作的维尔茨堡大学埃及古物学教授Martin Stadler表示。

在十天的时间内，Martin及其团队对神庙内一间大小为5x5米，高约9米的房屋进行了3D数据采集工作。墙上布满了描绘仪式场景的平浮雕和象形铭文。整体装饰纷繁复杂，由能工巧匠绘制。“借助ZEISS COMET扫描仪，不仅实现对房间的准确测量，而且提供包含浮雕准确信息的数据集，”Stadler说道。
这些数据可用于确定各个组成部分的准确高度以及完成了多少工作。过去仅能通过拍照留存，但是现在高度准确的3D数据开辟了全新的可能性。Stadler说道“我相信这些数据能够为我们提供特定考古问题的答案，帮助我们确定不同浮雕制作的时间，甚至确定它们是在什么世纪完成。”
这将是探索神庙的一个重要进步，因为直到现在，我们仅能使用示意图进行工作。铭文上的内容只能采用印刷象形文字再现这些元素。“这非常遗憾，因为神庙建造的时期，即公元前237和57年间，象形文字进化不少。细节对于文字了解非常重要。”
从3D数据到3D打印
“理想情况下，我们将能创建整个神庙的3D扫描，并从其它类似神庙获得相同数据以作比较。这将推动诸多考古调查。”Martin教授对未来充满希望：“我们甚至可以在3D打印中使用3D数据。换言之，我们能在博物馆中再现神庙的浮雕和关键场景，或者在学生展览中展示它们。例如，我们可以尝试对已褪色许久的颜色进行恢复。”通过现代技术尝试将原始浮雕中缺少元素复原并制作成3D模型

尼罗河沿岸的极端条件
ZEISS COMET的使命远未结束。沿着尼罗河一路向下前往Zagazig小村庄。在那里，维尔茨堡大学埃及古物学术委员Eva Lange博士正等着与团队会面。她领导这里的挖掘工作，但在测量中遇到了一些难题。这是一个截然不同的任务：现在团队面临的是毁坏的神庙，这意味着许多浮雕散落在现场附近，并可能遭到了一定的破坏。

“我熟悉3D扫描方法，因为当我们与另一测量师在这里工作时已经获取3D数据，当时也使用了蔡司设备，它为我们的工作提供了便利，”Lange说道。

挖掘现场的实际情况比埃德夫神庙更加复杂：气候不仅对石块表面造成严重损坏，而且增加了工作难度。强烈的阳光使得在没有帐篷的情况下根本无法进行扫描。此外，当地的强风使得团队在大多数时间无法在室外工作。恶劣的环境不仅会影响测量结果，还有可能造成人员伤害，所以当地技术专家Johannes Vthjunker想出了一条权宜之计：在大篷车中扫描细小部分。

但是由于挖掘现场靠近通过城市的主干道，每当卡车经过时，我们需要应对由此引起的振动，此时ZEISS colin3D数据捕获软件的振动检测功能提供了很大的帮助，及时检测并发现不精准数据。
在Zagazig工作期间使用3D扫描仪的主要优势在于，它能通过扫描的浮雕块虚拟重建神庙的各个部分。这意味着团队能“重新利用”许多浮雕块。换言之，并不是扫描完整的墙，而是将各个浮雕置于一些较老的雕像或结构元素上方。“尼罗河三角洲没有采石场，在建造神庙的公元前一世纪初，埃及统治者开始限制进入尼罗河谷的采石场。这也是他们使用老神庙和雕塑的原因。将老神庙和雕塑拆毁，拆毁后的光滑平面覆盖着浮雕，然后再重复利用的石块砌筑，”Eva Lange博士解释说。

未来的远大计划

这些情况使得重建神庙十分复杂，部分原因在于一些重达几吨的石块。“在电脑屏幕上重建神庙则容易得多，因为我们可以看到哪些元素融合在一起，再数字化世界我们将其变为现实。捕获3D数据意味着我们可以重建石块不同侧的所有浮雕，并了解它们制作的时间。然后，我们会向公众展示石块是如何装饰以及它们是如何融合在一起。”
我们还将测量约1,000块Tell Basta神庙石块，其中一些长宽皆达数米。“我们第一件要做的事情是搭建一个足以装下它们的帐篷。我们需要不断调整我们的设备，从而能够更准确扫描他们，”Johannes Vthjunker解释道。
“凭借ZEISS COMET提供的快速测量使我们能一天完成一块石头的测量任务。”但是即使按照这样的速度，整个测量工作仍将花费许久的时间。
不论如何，在维尔茨堡大学，人们都对蔡司3D扫描技术所提供的高质量测量结果感到震撼。蔡司3D扫描系统即使在恶劣的环境条件下也能提供出色的数据质量。这也是计划启动多个历史建筑和文物3D数字化项目的原因，并有望提供新发现和经验。“我们非常期待蔡司的又一次创新。”