无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑

发布时间:2020-07-13 编辑: 查看次数:353

无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 坐地激光扫瞄仪作业时的照片。地上白色球体为球状反射器。(古物古蹟办事处提供)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 坐地式扫描器(上图)以几分钟时间就取得现场数据,将全景图显示在萤幕上(下图)。(曾晓玲摄)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 3D扫描可从不同角度取得建筑结构的数据,图为东莲觉苑两个角度的数据图像,拼合起来就可见立体效果。(古物古蹟办事处提供)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 古蹟办人员以手提激光扫瞄仪为松岭邓公祠的部分檐口板收集测量数据。(古物古蹟办事处提供)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 以激光扫瞄测量收集的数据经后期处理转化为数码网格模型后,可以立体打印技术製作合乎比例的打印模型,图为广福义祠檐脊陶塑打印模型的正面。(古物古蹟办事处提供)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 去年颱风「山竹」吹袭香港,中环都爹利街的煤气灯及石梯都受损,不过扫描小组事前已记录了此处的数据。(资料图片)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 利用激光扫瞄技术为中式历史建筑量度墙身的倾侧幅度。(古物古蹟办事处提供)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 厦村邓氏宗祠的点云数据截图。(古物古蹟办事处提供)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 景绍岐(曾晓玲摄)无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑 无定向学堂:3D扫描修复古蹟 点云重组文物建筑

眼见巴黎圣母院的尖塔在熊熊烈火烧得通红,再折断倒下,全球不知有多少人低呼「冇喇冇喇……」随后有人翻出《国家地理杂誌》二○一五年关于圣母院激光扫描的专题报道,介绍艺术史学者Andrew Tallon已用这项技术详细记录历史建筑的内外结构,让世界感到几分安慰,「好彩之前有记低」。

在香港,原来都有小队在做这样的工作。记得去年九月香港人也为颱风「山竹」毁了都爹利街的百年煤气灯心痛不已,好彩,古物古蹟办事处的三维扫描小组已存起煤气灯与石阶的档案。

三维扫描如何扫?扫了又如何?领导这个六人小队的古蹟办土地测量师(古物古蹟)景绍岐受访时做示範,在古蹟办办事处这座超过百年历史的法定古蹟侧面一个空间,竖起三脚架,放上扫描器,按一个掣,仪器中间的镜子转个飞快,不一会,扫描器的小荧幕上就显示出空间的全景图像。「听同事说,以前即使是做一个简单的site,亦要坐在那儿做两个月,就是手描或量度。」现在一次扫描最快八分钟完成,若建筑结构简单,在现场将扫描器放置二三十个不同方位,一般已足够为建筑内外做个记录,当然视乎结构有多複杂,「複杂的,可能只外面已要设置三十次,没客观的数字,视乎实际情况」。

坐地式三维激光扫描仪 发放雷射脉冲

这个三维扫描小组的头号法宝以三脚架定位,「裏面有摩打控制两块镜及一个雷射器,会将雷射脉冲(laser pulse)打在建筑上,然后反射回来」。景绍岐指指我们对面的墙,墙前放了一个大柜。扫描器就似超人的眼发射激光,如果将扫描器放在墙及柜的正对面,因为柜与扫描器距离较近,激光到柜面再反射回来的时间,会比激光到墙的表面短,因此从激光来回的时间,就可计算墙、柜跟扫描器的距离,也就是说,以这个摆放角度,就记录到一个平面上(墙)有一个突出物(柜)。激光射出是一点,而一次扫描操作约有九千万点,组合成一组点云数据(point cloud),织出扫描器「眼前所见」的空间结构。

球状反射器扣连数据

将扫描器当作人眼来想像,站在建筑物外面绕一圈,会见到建筑在不同角度的面貌,要得出立体形象,就要把扫描器放在建筑各个角度蒐集到的数据拼合。比如五个人同场合照,a、b、c、d、e排排企,一张拍到a、b、c,另一张拍到c、d、e,两张共通处是都有c,只要将两张照片中的c重叠,就可得出五人的合照。球状反射器就是c的角色,能靠它把两个位置录得的数据扣连起来,景绍岐说,因为三维空间又比平面多一个维度,所以至少会放三个球,扫描器从一个位置取得某个範围的数据,再移到下一个位置记录另一个範围,在这两个範围摆放的扫描器,都要「见到」同样三个球,两组数据就可拼合。

手提式三维激光扫描仪 提高精準度

坐地扫描器的测距误差是+/-2mm,如果要扫描中式建筑的细緻雕刻或其他细部,「像广福义祠的陶塑,起伏或已少于2mm」,精準度达误差只有+/-0.03mm的手提扫描器就能派上用场。这个工具会配备电脑即场运算数据,可即时知道有没有扫漏什幺位置,立即补回。而白球的任务就会用反射贴纸代替,「贴纸黑圈内有银或白点,光照上去会有很高对比度,透过这个对比度就可计算贴纸的中心在哪」,用中心点来拼合数据,就更精确。

记录中环煤气灯数据 协助修复

「二三十年前已有这项技术,不过那时的仪器性能、速度或精準度都不是太好,机器也比较大件、耗电。」Andrew Tallon从五十个位置记录圣母院,《国家地理杂誌》报道提及他蒐集超过十亿点的数据,其实今天扫描小组记录一座文物建筑,「闲闲地都十亿点,数据以GB计」。景绍岐说扫描小组在古蹟办属于支援角色,视乎复修团队或同事的要求,向结构工程师、建筑师等提供「可靠、全面、精準的数据」。去年中环都爹利街煤气灯因为颱风损毁,幸而小组去年年头已取得扫描数据。他透露相关政府部门仍在研究修复方案,风后捡起的石梯碎片,「有时完整的两块大型碎件好似样,我们有方法知道它们的原来位置,以3D打印按比例做出微缩模型,从而建构整个场景」。没有模型的话,若要工人将碎件搬到现场,trial and error逐块互拼,便相当浪费时间。本栏上集有关圣母院的复修,建筑师黎隽维与我们讨论未必要按火灾前的模样重建,景绍岐说:「如何复修有不同说法,以测量角度,像我们的角色是提供数据,若决定要回复到火烧前的那个模样,数据一定有帮助。」

监测建筑变化 尽早保育

「我们希望趁有什幺冬瓜豆腐之前,先把数据拿回办公室。」而且有了第一次取得的数据,隔一年半载再取一次,才有比较,可以监测文物建筑的变化。他以一块石刻为例,在颱风前后都扫描过,将两组数据比对,就可準确地知道分别。「看前后有没有显着分别,若幅度大过误差,如正常误差是一厘米,差别的幅度却有五厘米,那一定不是测量误差的问题,而是实则有变化,可以适时介入,做一些工序。」他取出一张中式祠堂墙壁的图片,只见像气温变化图般,上方及外围是蓝色,向内渐变成下方中央的红色,「颜色是由我们定的,红色最远离(扫描器放置点),蓝色最近」,显示墙身并非垂直,上方比下方向外倾,「结构工程师便因应这些数据,看会否有危险,是否需要即时做补救工作」。而以往只可在建筑以取样方式挑几个点量度,有机会遗漏点与点之间範围的问题,扫描也可得到更全面的数据,就如上述图片,便看到某部分呈红色,「这个位特别与墙整体不同,该处就似『大咗肚』」。

处理数据花工夫 非愈多愈好

是不是取得愈多点就愈好,廿亿点好过十亿点?其实最头痕不是数据不够多,「问题是大量数据,现时的电脑处理这些数据都吃力,那些点是more than redundant(多余),比需要的更多」。景绍岐说后续工作更花工夫,「现场做扫描最多四、五日,回到办公室做拼合,可能两星期做完,但如为一个建筑群製作模型,就更花心力。扫描会得到一堆点,对人来说,纯粹见到好多点也没意义,我们要从中抽取有用的资料」。他强调将数据轻量化也是项重要工作,举例作教育用途如展览,製造展出的模型或纪念品,便不需用上所有数据;製作让公众能在手机看到的图,太多数据,要load很长时间,也影响到用家经验。在保育工作上,也未必多「点」更好:「一幅墙四四方方,也许四点已可代表到。数据除了XYZ三维坐标,还有信号强度,激光打落石材、木材,甚至不同的木材,都有不同的强度,这对测量师意义不大,但对建筑师或工程师,如需对物料有相关研究,这项资讯便可能有用。」

扫描要清场吗?

一部扫描器由一名测量主任运作,小组共有两部座地扫描器,手提有一部,通常行动会把两部坐地扫描器都带出去,出动两名测量主任,由两名仗量员支援。记者在景绍岐示範扫描器运作期间走近去看,但心裏当成了拍戏现场,想躲开机器「扫射」以免坏事。是不是每次扫描都要清场?原来是记者多心,他解释:「不用特别清场,人行过没有问题,只要不企定定,机器转得那幺快,人显示出来只是一条线,就算真的挡到,扫描器放在第二个位置工作时也能补足。」

文 // 曾晓玲图 // 古物古蹟办事处、曾晓玲编辑 // 王翠丽

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