黄先锋团队在敦煌莫高窟与云冈石窟的三维扫描与建模技术详解
2008年，黄先锋（左）和他的团队同事在敦煌莫高窟进行3D扫描和相关数据处理。黄先锋带领团队对整个云冈第13窟进行了三维建模，并拍摄了大量高清图像。同时，3D显示系统还可以提供多种形式的3D模型、真实的高精度位置信息、测量工具等输出服务，从而为云冈文物的研究和保护提供帮助。图为团队自主开发的软件合成的云冈石窟第13窟超高精度三维数字模型。
“我们对云冈石窟第13窟整个进行了三维模型制作，采集了28.34万张高清图像，原始图像超过13TB。团队自主开发的软件合成了超高精度的洞窟三维数字模型13并设计了多个平台应用场景。”今年10月在武汉举行的2021中国地理信息产业大会上，黄先锋代表团队介绍文化遗产数字化保护成果，吸引了众多与会者的关注。
“数字云冈”是黄先锋团队近年来持续研发的项目之一。如今，越来越多的留学归来的人加入到文化遗产保护的行列。借助现代摄影测量和遥感技术，对文化遗产进行三维数字化重建，正在赋予文物超越时空的永恒魅力。
“克隆”石窟
镜头缓缓前移，展现出云冈第13窟主佛与弥勒佛相交的样子。经过时间的洗礼，尽管外表斑驳，但依然光彩夺目。它头戴王冠，脸上挂着笑容，胸前的饰物依稀可见，尽显威严与庄严。主佛像高约13米，由四臂壮汉右臂右肘下举起，犹如一座大山。突然，第13窟仿佛就在眼前。
这样的画面是由28万多张高清图像“克隆”出来的，整个石窟模型几乎没有任何变形。同时，三维展示系统融合了漫游展示、知识图谱信息、洞穴病害标注等多项功能。还可以提供多种形式的三维模型、真实的高精度位置信息、测量工具、考古地图输出服务。这可为云冈文物的研究和保护提供帮助。
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脱胎于武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室的大数智能科技有限公司是技术提供者，黄先锋是公司创始人。他告诉记者，团队为“数字云岗”提供的技术实现了两大突破：“一是应用方便，手机、平板、电脑都可以作为载体；二是建立了确保私人和公共数据安全的数据防御机制。”
“几十万张照片之间会存在接缝，需要非常大的集群来处理接缝和色差。”黄先锋从2015年第一次到云冈石窟考察项目可行性开始，历时三年，三维重建技术才得以更新，满足云冈石窟如此大规模数字化建模的需要。 。 “没有钻石的瓷器工作我们不敢接，经过与云冈研究院宁波数字中心主任大量的技术交流和预研，我们才敢真正开始实施这个项目，直到“2018年，之后又花了三年时间，直到今年上半年，第13窟的验收工作终于完成了。”黄先锋感慨地说。
为了实现文化遗产的真正数字化再现，需要重点发展高精度实景采集、数字化重建、三维应用等关键软硬件技术。这也是黄先锋团队的优势。 “让摄影测量技术的应用变得更简单，一直是我们创业和研发过程中的目标。目的是让每个人都能像拍照一样方便地进行3D建模，用真实的3D数据记录世界上的一切，并了解世界。”黄先锋说道。
敦煌的由来
2007年，刚刚博士毕业的黄先锋。而留在学校的，却接到了一项特殊而难忘的任务——与武汉大学的十几位科研人员一起，在测绘遥感信息国家重点实验室朱一轩教授的带领下前往敦煌。武汉大学工学院.他们将利用激光设备对莫高窟进行三维扫描，然后对洞窟进行拍照，最后进行数据处理。
那是黄先锋第一次参与文化遗产保护工作。那段时间，他已经记不清有多少次往返于武汉和敦煌之间，依靠现在看来极其简陋的工具，完成了第158窟正面的摄影测量。
但初期测量精度低、速度慢、效果不佳。经过去噪、拼接等技术处理后，仍无法准确还原洞穴的色彩纹理。
“通俗地说，二维照片是平面的，但石窟中的佛像和壁画却不是。最难的就是将平面和曲面‘对齐’，并利用文物测绘技术实现精准的数字化复制”。他们意识到，传统的测绘技术已经无法满足复杂性成倍增加的建模和校准工作。为了成功完成数字复制，必须开发新的建模软件。
敦煌风沙呼啸。为了方便打理，黄先锋和博士生张帆、张志超索性剃了光头，埋头研究软件工具。张帆写代码，黄先锋调试，三人轮流。经过近三个月的尝试，一款名为“纹理大师”的软件正式诞生。可以实现石窟文物的高质量纹理重建，从而为数据采集扫清技术障碍。
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经过团队一步步扫描、测量和建模，两年后，复制敦煌的想法终于成为现实，全3D数据得到完整展示。
空间和时间建模
2011年，黄先锋前往苏黎世联邦理工学院继续摄影测量专业的研究工作。这次经历让黄先锋对世界各地文化遗产的数字化保护有了更深入的了解，也让他思考一个重要命题——如何利用更低成本的技术完成文化遗产保护。
“有的国家资金充足，文化遗产保护工作开展得早，效果也不错；反之，有的国家缺乏资金和人力，目前文化遗产保护的状况其实很糟糕。如果相关成本技术更便宜，数字化重建的门槛也可以降低。”黄先锋说。
他确实找到了办法。使用手机等便携式摄影设备，从不同方向、不同角度拍摄文物照片，然后将照片上传到其团队开发的GET3D后端页面。等待十几分钟后，即可获得清晰的文物三维建模结果，从而实现数字化保存。
“我们将这种轻量级3D建模技术称为新一代人工智能云计算3D建模引擎G-.0。用户只需打开手机，触摸拍照按钮即可重新创建3D世界。每个人都可以建模。”与激光雷达扫描相比，该技术使用成本更低且更易于操作。
云冈石窟三维重建工程验收后，黄先锋和他的团队马不停蹄地启动了麦积山石窟和龟兹石窟的数字化重建工作。 “要让更多文化遗产在数字空间永垂不朽，我们还有很多工作要做。数字化重生不仅仅是为了研究和保护，通过拓宽展示方式，我们也希望让文物更贴近公众，让更多的人了解文物、爱上文物。”黄先锋说。
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