台北縣古蹟建築數位典藏經驗

文/台北縣古蹟建築數位典藏計畫 研究團隊

緣起
　　本計畫以台北縣轄內古蹟為對象，將建築資料進行數位化典藏保存。採用3D雷射掃描器記錄建築外觀及量體，將掃描的點雲資料轉換成3D電腦模型檔，藉數位模型紀錄提供完整紀錄與比對之依據。既往因天災所造成的遺憾，如：921大地震損毀的歷史古蹟、彰化元清觀火災、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。

　　古蹟建築是先人的文化遺產，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。對於古蹟保存用語的定義可從preservation和conservation兩個字來解釋，preservation可指對特殊建築物的保存，所指涉的範圍大都限於建築本體與它所有的內部文物；conservation所包涵的範圍較大，在處理方式也較具彈性。而保存最重要的目的是要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。　

　　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。2006年的彰化元清觀、大雪山製材廠、台中武德殿的大火，都是令人扼腕的不幸經驗。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，經由人工Auto-cad方式建立數位資料，此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。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。

工作主題

　　本計畫就台北縣境內的古蹟建築為典藏對象，分就建築外觀屋脊、外部屋簷、外牆細部等整體掃描，建立數位資料，並以後端資料處理達到記錄典藏目的。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、古蹟資料查詢等效益。

　　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，本計畫研擬出以下幾個議題與目的：

1.相關文獻的回顧：內容包括古蹟的保存、古蹟建築數位記錄的方式、3D數位檔案與點雲資料的彙整、3D雷射掃描器的性能，以及相關應用的案例，以作為研究的基礎。
2.古蹟建築掃描與建檔：將數位化的掃描作業流程化，解決作業中所遭遇的問題，從中建立古蹟建築3D掃描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影像模型和網頁呈現瀏覽系統。
3.資料管理與數位化的模擬呈現：建立掃描資訊管理系統資料庫，透過網路介面進行遠端管理和瀏覽；並比對3D雷射掃描進行數位典藏保存記錄，與傳統古蹟保存記錄方式的異同點。
　　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，並對保存技術教育的推廣及數位科技等學術研究有所貢獻。

圖一 前清淡水關稅務司官邸3D點雲圖

難度與克服

　　目前第一年工作完成台北縣10處古蹟數位化工作，並發現此項技術存在五項主要問題仍待突破：
1.前端影像掃描截取中，如何取得高精度與完整的數位資料。此項問題特透過研發「3D掃描標準偏差控制技術」克服。
2.數位圖像初階結合過程，如何控制立體成像精準度。此項問題，將透過研發覘標系統技術與現場同步作業等操作程序之修正克服。
3.古蹟室內細節構架（通、隨、插角、斗栱等）的3D影像截取技術。此項問題，特透過增購近距掃描儀器克服。
4.數位影像後端處理技術（去雜訊、三角網格修整、材質詮釋等）。此項問題，將透過軟體選用與合成技術研發克服。
5.以XML為基礎的文件交換格式，團隊並持續發展整合多媒體與3D物件的網頁格式。

次階段努力方向

1.實體數位化：以3D雷射掃描器記錄研究範圍內的典藏物外觀，並將掃描後的點雲資料轉換為3D模型的形式，目前以10處有特色的古蹟為目標。
2.建立數位化保存的流程標準：研究歷史建築的3D掃描程序和方法，以規劃出使用3D雷射掃描器來進行歷史建築數位保存的流程標準。
3.針對掃描後的大量3D點雲資料，提出有效的分析方法，以供更快速的3D模型轉換與點雲資料監控之用。
4.根據本案所發展的後設資料結構，建立古蹟歷史建築後設資料庫，發展台北縣古蹟歷史建築數位典藏資訊檢索系統：包含文獻檢索功能、歷史文物檢索功\\\能及歷史文物關聯性架構，並針對管理者與一般使用者建立權限管理系統。
5.完整的說明書：包括數位化內容的後設資料結構、3D雷射掃描後的點雲資料結構、3D雷射掃描的標準程序和方法，以及歷史建築數位典藏資訊檢索系統之使用說明、軟硬體需求、系統學習手冊與管理手冊。


圖二 3D點雲模型數位檔-廖氏嬌紀念碑、菁桐車站


台北縣古蹟建築數位典藏計畫
中國科技大學建築系
計畫主持人：閻亞寧

2008-03-06