三维激光扫描技术让巴黎圣母院“重获新生”

2020-03-04

巴黎圣母院突发大火。人们在痛心疾首的同时,也在寻找如何修复巴黎圣母院的方式。比如育碧2014 年的游戏《刺客信条:大革命》中1:1重现的巴黎圣母院模型,成为修复巴黎圣母院的重要图像参考,这 款游戏也因为这次的事件重回全球著名游戏平台STEAM的热销榜。

比游戏更加真实的,是美国艺术历史学家安德鲁·塔隆在2015年用激光扫描记录的巴黎圣母院。这一 次扫描点囊括大教堂内外50多个地点、对细节进行多次扫描、收集了超10亿个数据点的激光扫描,将巴 黎圣母院的全貌精确地记录了下来。

事实上,激光扫描技术已被多次运用到全球各地的文物保护工作中。

用光代替人来测量

激光扫描仪主要由颜色相机和激光摄像头组成。将扫描仪放置到一个点位,就可以通过计算激光发射 后打到障碍物返回所需的时间,从而测算空间的距离。

激光扫描成像三步骤

步骤1:扫描

建模的第一步自然是要收集数据。

当激光扫描仪运作时,我们能看到摄像头一直在那儿转,其实就是在四处扫描,计算空间距离。扫描 过会,会得到很多“点云”,他们代表了每一束激光到达的距离。

如果快的话,得出一个“点云”要4—5分钟,如果慢的话要10分钟—半小时。影响快慢的因素是精度 的高低。“比如塔隆在2015年扫描的巴黎圣母院三维图像,说是精确到5毫米,那每个点扫描可能要花掉 半小时。”

扫完一次,你以为就结束了?不,还得换个点位再扫。“像你在不同位置看同一个物体,你所获得的 视界会不一样。

对点位的把握是一件技术活。如果是比较简单的空间,可能可以走10米再开始第二次扫描,复杂的空 间可能走4、5米就要开始扫描第二次。“巴黎圣母院比较空旷,加上封闭起来没有活动的人的影响的话 ,可能可以走7、8米开始第二个点位的扫描。”

每个点位扫出来的点云位置是不一样的,但还是有相似之处,后期可以根据三维图形学,对不同的点 云根据相似点来进行配转。

步骤2:拍摄

激光扫描仪扫出来的图像虽然有颜色,但颜色精度不高,“看起来就像马赛克”。

如果要做一个精度高、又漂亮的三维模型,除了激光扫描仪以外,还要用单反相机来拍摄记录建筑。

塔隆在进行巴黎圣母院的扫描工作时,也会拿出单反到处拍照。用单反相机的高还原度镜头,可以获得物体的原始颜色信息。

步骤3:后期处理

将获得的数据放到计算机中进行数据建模,就能得出用点云拼出来的空间三维模型。

在三维模型出来后,工作人员会根据拍摄的照片,将原始颜色信息添加到模型中。这一步称作“贴图 ”。

在各种后期处理完成后,真实世界中的物体就完成了数字化的过程,保留下一刻的永恒。