數位化技術於文化資產保存之程序初探

楊文斌 鄭鴻銘 游政憲 陳敏彬 陳昶良 閻亞寧

中國科技大學

{wunbin, hungmc, chyu, cmb, ccl, alexyen}@cute.edu.tw

摘要

　　古蹟保存是目前重要之議題，目前數位化典藏的計畫中，多採取傳統且片段的建構方式，內容不完整且耗時。為了解決目前的瓶頸，本研究嘗試將逆向工程的技術導入數位化之過程，將可節省人工測繪的時間，且提升測量的精準度，其技術工具採用3D雷射掃描儀擷取點雲數位檔格式，並透過逆向工程軟體 Rapidform XOR2 快速處理點雲並建置實體3D模型，再由相關參數化軟體完整保留3D實體模型，建置數位資料進行編輯。在逆向工程方式的操作過程中，確實能有效減少人工量測與繪圖的時間，且在建置模型的過程中，以精準的尺寸在數位平台上完成建置數位模型的工作。

關鍵詞：文化資產、古蹟、數位化、3D雷射掃描儀、逆向工程

1. 前言

　　古蹟建築，是先人所遺留下來的文化遺產，也是社會與文化發展過程中，對於生活風俗與經驗技術等的傳承。為避免具吸引力而且能繼續使用的場所遭受不適當的破壞或修改，保存的議題是相當重要的。從現實層面上觀察，古蹟的保存常因認定程序時間、經費的關係無法有效的長久保存。又可能因為天災（如921 大地震、火災或山坡土石災害等），極可能讓建築一夕之間消失，而喪失修復保存的機會。

　　數位化是文化資產保存亟待加強的重點技術，目前對實體建築物皆以照像或人工測繪的方式，經由人以 AutoCAD 軟體建立數位資料。雖然可以對於日後的整建與重建工作確定藍圖，但對於建物真實的三度空間資料卻無法掌握，有可能失去保存物當時的真確性，尤其以構件與其相對位置在手工測量的侷限性是比較大的（張榮等，2007）。復以測繪的工作多耗時長達數個月之久，加上人工建檔繪圖與校對等手續，時效與精確度也大受影響。藉著工程界發展成熟的3D 雷射掃描器技術，可以作為數位化技術的一大躍進，不但可以無接觸性的測量出精確性極高的數位資料，更可以保存完整的3D 數位資料檔案，作為日後保存修復的依據。

　　本研究以台北縣轄內古蹟共25處為對象，將建築資料進行數位化典藏保存。採用3D 雷射掃描器就建築外觀屋脊、外部屋簷、外牆細部等整體掃瞄，建立數位資料，並將掃瞄的點雲資料轉換成3D 電腦模型檔，藉數位模型記錄提供完整記錄與比對之依據，並以後端資料處理達到紀錄典藏的目的。既往因天災所造成的遺憾，如：921 損毀的歷史古蹟、元清觀火災、大雪山製材廠火災等歷史教訓，都得以此數位化科技先測量儲存歷史建築資料而保存，再待日後重建。本研究效益具有開發古蹟建築數位化系統、數位化建築物3D 資料與外觀影像時空監測資料建立、古蹟資料查詢等之潛力。

圖1 研究架構

對於古蹟建築數位典藏保存研究議題的確立，保存科技的演進，本研究研擬出以下幾個議題與目的：

1. 文獻及案例回顧：內容包括古蹟的保存、古蹟建築數位紀錄的方式、3D 數位檔案與點雲資料的彙整，3D 雷射掃瞄器的性能以及相關應用的案例，以作為研究的基礎。

2. 古蹟建築掃瞄與建檔：將數位化的掃瞄作業流程化，解決作業中所遭遇的問題，從中建立古蹟建築3D 掃瞄所需的基礎知識與規範。對於點雲資料的轉換與應用。利用點雲精確的數位檔案特性， 編輯點雲之2D 與3D 檔案圖面建置，並討論適當的演算方式將資料轉換為數位幾何的向量形式，並製作3D 影像模型。

藉以上的研究議題與目的，期待對目前台灣的古蹟建築保存與修復，及時留下可參考的資料，並對保存教育的推廣及數位科技等學術研究有所貢獻。

2. 文獻回顧

2.1. 古蹟保存

　　中國傳統建築大多為木構造。在各個構件形式中包括當時的工法、構法、樣式、樣式、彩繪等資訊，這些優美的造型外觀和豐富的細部構件，都是重要的文化資產；現階段的保存過程包含量測、繪圖、影像紀錄、模型製作、數據計算、資料保存、資料管理、施工等八個流程（王麗雅，2000）。

對於古蹟的保存的原則可分為下列三種（黃斌等，1998）：

1. 原物保存（Preservation）：意指建築物具有極高的歷史意義或價值，具有特殊的材料、技術、風格、形式、紀念性等，必須予以原物保存。

2. 原物複製（Duplicate）：當建築物已不堪使用需拆除或重建時，為了保存原物原貌，所以採取複製。但是應注意三項觀念：一是歷史證物不應使用新料（指相同或相近材料）複製而減 損其價值；二是必須優先考慮採用傳統的技術和材料，如果不能到達此限度，則須以復原風貌 為首要目標；三是若是以現存技術方法不能達到保存原物原貌時，則必須重新評估以原物保存的方式進行。

3. 原物倣製（Imitation）：如果建築文物已經消失，或是歷史物證遭受破壞以及不當的維修改變原貌時，必須參考文獻資料和其他研究推論使其復原可能外貌或真實的舊觀。

　　分析傳統保存內容可分為文獻、環境、建築空間、結構材料系統、文物等五項保存的類型，並依據上述五項內容架構作為保存系統中的依循方式（王麗雅，2000）。而一個歷史建築的構成，必包含多項資訊，除了建築本身的發展背景之外，舉凡所處的人文風俗、經濟發展、典故流傳等，都成為建築本體的一部份，而展現的方式不只存在於建築上，亦同時表達記錄在文字中（楊仁江，1992）。 文字的保存型式主要在於歷史建築的相關紀錄，且這些資訊是無法利用圖面、影像、模型等方式清楚呈現，並對於存在的文獻或是其他因時間演進所生的資料作蒐集，再加以整理統合，對於歷史事件、經濟文化發展、社會風俗、典故傳說等方面詳加說明。

　　以建築空間而言，古蹟建築的空間保存型式主要從空間組織原則、構件裝飾原則、空間色彩為主，並針對此項目探討歷史建築的空間關係、格局大小、型態類別、型態類別等。另一方面，就結構材料系統上來說，結構材料系統可分為建築的構法、工法、材料、結構等，在保存作業上可以一併分析記錄，尤其在於材料和工法上如木構造的型式中的穿斗、疊斗、抬梁式等構法的紀錄更是珍貴。

2.2. 數位化技術的應用

隨著資訊時代科技的演進，保存過程已經開始全面的使用數位電腦技術，但大多侷限在數據的電腦圖面繪製、數據計算、影像收集記錄、文字資料建構等等，且多為平面式的2D 靜態資訊處理；但傳統的古蹟建築構件本為3D 的實體，除了變化繁瑣的曲面轉折、還有高低前後退縮的虛實空間，縱然從明顯的邊緣處著手當成線條繪製的依據，再配合輔助的儀器或其他軟硬方法，實體記錄除了可表達出脊線位置之外，亦無法精確且完整的呈現弧面或與銳角皺折等全貌（Shih，2003；黃斌等，1998）。

隨著電腦科技日新月異，數位技術已然開始改變傳統的保存模式和方法，除了檔案格式的不同之外，檔案類型亦有所增加，照相測量的技術、虛擬實境的應用、數位影像和3D 模型建構、網際網路流通平台等，無一不對過去的保存觀念注入新的做法。科技所帶來的便利，如果能夠善加利用，必定可以突破很多過去傳統保存上的缺失，替歷史建築的保存工作效益和品質大幅度提升。

2.2.1. 　3D長距離雷射掃描器

　　3D 長距離雷射掃描器屬於非接觸式與非破壞性的量測系統，可以避免接觸受測物形成壓力而產生破壞行為，也可減少量測所需的時間；這是一種逆向工程的技術，目的是以更快速、準確的方法量測曲面（曾秉儒，2000）。3D 掃描所取得的資料直接來自於建築本體，所獲得的點雲（point of coluds）具有即時記錄、實況記錄的特性(Goldberg，2001)，依此方式所建立的數位化化施工過程應該是比較精確而且值得信賴的（Bjoerk，1993；Shih，2002；Shih，2003）。

　　3D 掃描的特性在於現況的忠實紀錄，所以對於形體的表徵和外觀輪廓資料收集有較大的功用，關於修護過程的紀錄和資料，除了實際構件形體記錄、修護前後外觀屬性、修護中形象變化外，需要配合其他工具。例如數位攝影、筆記本等來拍攝實地影像並輔以文字描述，才能對於修護的相關作業能有更完善的紀錄。換言之，3D 雷射掃描可於修護前進行掃描作業，並於修護中同步紀錄修護工程施作情形，而後於完工後再次掃描，以達到修護前後和過程的相關資料保存目的。（內政部民政司，2002）

　　3D 掃描的應用在工業設計中極為普遍，並直接在設計階段引入輔助，對於構件形體的掌握最為直接，提供設計人員完整的外觀資訊，便於修正以及檢核的工作。不過這些適應於工業設計的掃描器，多為小型或是箱匣式，在大型的建築物上並不適用；3D 長距離掃描儀就是一種不同於上述介紹的掃描器，這種掃描器主要針對大型物件進行掃描取樣的需求而設計，以本研究所使用的RIEGL LMS-Z420i 3D 雷射掃描器為例（圖2），有效的掃描距離達1000 公尺以上，並搭配高畫質單眼數位相機組合，精密度最小可至5mm，為目前國內量測距離最長，精度最高之3D 雷射掃描器，極為適用於需高精密度測繪。藉掃描專案視景的管理模式建置，利用其他輔助結合參考點，即可進行掃描專案的結合動作，使掃描結果得以連續不間斷，形成無限制的掃描範圍。

圖2 3D雷射掃瞄儀

　　對於3D雷射掃瞄儀的使用，施乃中教授有三項建議(Shih，2006)：(A).掃瞄古蹟建築物若較為複雜，很不容易搬運這項儀器，若可能，可使用較小的手持式雷射掃瞄工具，進入大儀器不易出入的位置。(B).過去的3D 掃瞄儀器因為體積重量太大不利運送與安置操作，（長距離雷射掃描器重量27.8KG，長寬高15.8×13.25inx16.9in）。(C).搭配的電腦需要效能高才會運作方便。另外，這些數位模型都要成為日後比較評估建築物變形狀況的重要依據。

　　使用3D雷射掃瞄器作為數位保存的工具，直接由雷射測得的座標形態是點雲，因為點只是代表座標的位置，這些座標如何呈現、數位模型的轉化、呈現與幾何圖形的展現都是研究的課題與問題，而這些都是研究上要考量的因素(Shih，2006)。

2.2.2. 　3D雷射數位掃瞄儀與傳統數位化測繪比較

關於數位化的方法，本計畫針對所使用的3D雷射數位掃瞄儀與傳統數位化測繪作一個基本的比較(如表1 3D雷射數位掃瞄儀與傳統數位化測繪比較)：

2.3. 逆向工程

　　3D 雷射掃瞄的應用可溯及工業設計領域中的逆向工程，而逆向工程的定義是指相對於某一正向作業的反向作業程序。近年來在3D 軟體蓬勃發展的引領之下，這種新興的技術在工業設計中逐漸受到重視，目前工業設計多著重於產品的外觀造型，順向工程流程已不能完全勝任，取而代之的就是所謂的逆向工程（許智欽等，2004）。簡言之，正向工程是從設計概念發展，經由規劃製作流程，最後產生實物；而逆向工程是從既有的實體，經過不同量測介面的資料擷取，獲得實物外觀空間數據，再進行其他後續的編輯和分析（Shih，2003）。逆向工程的作業流程，可以依據處理數位資料的過程分為資料擷取、資料處理、資料建構及資料輸出等四個重要步驟（莊添東，2002），如圖3 以正、逆向工程於文化資產建築數位化流程比較圖。

圖3 以正、逆向工程於文化資產建築數位化流程比較圖（本研究整理）

　　藉由3D 長距離雷射掃描器的問世，開始拓展至建築領域，無論在建築數位保存、工程觀測、施工現場即時同步記錄、環境實景記錄、輔助建築設計、人員動態觀測等方面都可以廣泛的應用。

2.4. 相關研究

　　近期數位典藏之計畫已有許多關於古蹟建築相關的數位典藏研究，其內容如表2所示，由內容可看出以往數位化典藏技術多集中於傳統的建構方式，因時間因素導致資料多不夠完整或案例偏少之情況。

3. 數位化程序建置

　　為完成3D 數位典藏古蹟掃瞄歷史建築的相關資料，並完整建立古蹟建築的3D 數位資料庫，掌握資訊與知識之能力，達到推動數位化呈現的教育工作，以精緻文化普及及提昇古蹟保存之目的，本研究將採以下研究方法與程序建構。

3.1. 3D雷射數位掃瞄技術

　　本研究所使用的儀器是RIEGL LMS-Z420i 3D雷射掃描儀，在重量與外型尺寸上，均有很大的差異，其中重量小於13公斤，尺寸上也較瘦長而便於攜帶進出一些狹小的空間與場所，此外並配合使用高階運算功能的電腦，經測試已能解決施乃中教授所提的三項建議問題(Shih，2006)。

　　針對古蹟所需的主要步驟首先為設定覘標點，在同一視角範圍必須能涵蓋三點覘標點，可提高點雲組合的精確度，其次依照雷射掃描儀之位置做360度的初步掃描，以及對於標的物作細部掃描，最後能得到標的物的點雲資料，其流程如圖4所示。

                                                            覘標點                                               3D掃描                             數位點雲資料紀錄

圖4 古蹟3D掃描主要流程

3.2. 數位化程序

　　本研究利用3D 長距離雷射掃描器來擷取中國傳統建築的數位資訊，以作為數位保存的重要依據和方法。3D 長距離雷射掃描器屬於非接觸式與非破壞性的量測系統，產生的3d 數位的點雲資料，紀錄歷史建築文物外觀及量體，必須將點雲資訊轉換成為3D 電腦模型，以數位化模型呈現記錄古蹟建築，供專家與民眾瀏覽、查詢，並對教育、文化傳播產生貢獻。

　　3D 的電腦模擬呈現是讓聽覺、視覺、觸覺、嗅覺、味覺等人體感官和電腦產生一定程度的互動，而這種人機介面的溝通機制，和一般的電腦動畫是完全不同的型態，虛擬實境具有融入性、互動性、即時呈現性等三種特性，對於數位化應用而言，是一種更能貼近人類生活的數位表達方式。虛擬實境的建構與3D 模型（Model）和物件（Object）建立，成為完整的虛擬實境。這樣將數位影像的處理透過電腦技術的編修運算後，以達到更好的呈現效果。

　　本研究之數位化程序為取得原始點雲資料後，透過軟體輸出為Dxf格式，並由逆向工程軟體 Rapidform XOR2 來進行編修，其優點為可快速處理點雲的資料，若由 3dsmax 或 Autocad 處理，在載入檔案的過程中，相當費時，故透過 Rapidform XOR2 可做點雲資料分析、面化處理及模型建置等工作，且可透過參數化軟體之優勢，直接由軟體轉換至其他的參數位化軟體，可完整將其編修過程資料完整轉換，其軟體現階段包含CATIA、Pro/E、SolidWorks等，最後經由以上軟體作細部編修及材質貼圖工作，最後可建置完整之3D實體模型，其流程如圖5所示:

圖5 數位化程序

　　利用3D 數位的點雲資料，紀錄歷史建築文物外觀及量體，將點雲資訊轉換成為3D電腦模型、各種工程用圖面、外觀線檔圖，以數位化模型記錄提供古蹟建築不論是計畫性的重建或意外災害後的重建，這些資料都具有紀錄、比對之依據，更可能產生數位加值的後續效用。

4. 數位化實例操作程序與技術簡介

　　本研究透過3D長距離雷射掃描器來擷取廖市嬌紀念碑的數位資訊，並經由Rapidform XOR2以匯入Dxf檔案格式的方式進行，首先須依據點雲的數量及密度進行篩減，並完成雜點的去除，以便進行編輯，然而相對於工業產品上的掃描點雲資料，建築物較容易產生點雲會有破面的情形發生，因此在點雲匯入的過程中因原始檔案如果掃描不完整，會產生破面的情形，此時需經由補面的工具來進行補面。

　　完成上述工作程序後，可藉由面的分析可瞭解點雲的外觀輪廓以及面的組成範圍及方向，操作者可以藉由面的資料以及描繪工具來完成參考線段，而當曲面較為複雜時也可透過3D描繪工具繪製完成，最後可透過參考線的建立進行3D實體模型的建構以及透過軟體功能做3D點雲資料及實體模型重疊顯示，進行模型的觀察與分析之工作，上述流程如圖6所示。

                              點雲                                         面分析                            點雲資料與實體模型

圖6 廖市嬌紀念碑數位化表示圖

　　由於Rapidform XOR2目前無法進行材質的貼圖工作，必須將實體模型輸出到其他3D軟體進行貼圖的程序，然而此軟體輸出的檔案，仍有參數化功能的優點，並配合本身軟體的功能，可輸出至另項軟體平台如CATIA、PRO/E及SolidWorks等參數化軟體進行貼圖及編輯，而不會失去原有建構流程之資訊，更可利用以上參數化軟體的功能進行2D圖面的產生，以增進繪製2D圖面的效率。

　　數位典藏計畫中，網際網路上的呈現也是一大重點，本研究利用Rapidform XOR2內建之網路虛擬格式輸出，操作者可輕易旋轉各個角度及放大縮小觀察文化資產的細部，其檔案格式也非常小，以本案例而言，只需45KB，可方便民眾瀏覽，另於模型左上方也可顯示出3D數位虛擬檔中模型的細部資料，可方便瞭解各組件的構成及模型資訊，如圖7所示。

圖7 廖市嬌紀念碑虛擬實境網路數位化表示圖

5. 建議與討論

　　本研究執行數位化的過程中，其掃描程序以及數位化建構程序中，仍有部分問題需要解決以及注意的要項，若能加以克服，必能提高3D掃描的精準與完整度，進而更有效率的轉換3D模型數位檔，以下提出過程中其遭遇的問題及建議討論如下所示:

(1)掃描程序

3D雷射掃描過程中，以下要項均關於空間、環境、氣候及設備等因素，因此應該加以探討，並將經驗值轉為正常的工作要點與流程。

a. 掃瞄物如位於巷弄中，因為空間跼限致使兩側側牆無法完全掃描，可以以覘標標示重要幾何特徵並加上照相，來進行後續修補建模工作。

b. 標的物屋頂的部份，因為高度較高與周圍不易進入，導致屋頂部份掃描不完整，可能協調鄰房制高點，若無合適工作測點就要搭設鷹架了。

c. 掃瞄物基地附近不易接近且無電源可用，應該預備大容量的備用電池，或是自備直流發電機。

d. 外業掃描作業不詳細，導致點雲模型組合作業時間過長，應考量掃描精度與時間的因素。

e. 進行組合3D點雲資料時，其覘標的擺設以三點為最低限度，如能提高覘標點數，必能提高點雲組合的精確度，並且可配合軟體提供的三種方式進行組合的動作，包含2D、3D及照片的方式。

(2)數位化建構程序

a. Rapidform XOR2 內建的自動曲面建立功能，若3D數位點雲資料不夠完整，其效果並不理想，仍需人工配合描繪工具產生曲面。

b. 3D點雲圖的原始密度影響數位化模型的精準度。Rapidform XOR2軟體具有點雲的編輯功能，然而如原始點雲密度若過於稀疏，將會影響面的分析，導致精度降低。

c. 建築物較容易產生點雲會有破面的情形發生，因此在點雲匯入的過程中因原始檔案如果掃描不完整，會產生破面的情形，此時需經由補面的工具來進行補面，但是如果破面過大，以人工的方式進行補面，也將影響精度。

d. 以傳統測繪方式或將點雲匯入AutoCAD或MicroStation等CAD軟體，可以人工方式繪製掃描建築立面圖，但經由逆向工程參數化軟體的功能，可將3D實體模型快速轉換2D輪廓圖面，更加方便進行描繪的動作與效率的提升。

e. 參數化軟體可快速產生2D圖面，然而較為複雜之建築物立面或剖面會有多餘之線段，仍需以手工的方式刪除，然而比較傳統的繪圖方式仍較為快速。

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